InnoREX – Ultralydsforbedret PLA-ekstrudering

Ultralydsblanding, dispergering og emulgering forbedrer ekstruderingen af polymælkesyrer (PLA). Implementering af ultralydbehandling i ekstruderingslinjer øger udbyttet og kvaliteten af den producerede PLA.

Polylactidsyntese

Polylactidsyrer eller polylactid (PLA) er en termoplastisk alifatisk polyester, der syntetiseres fra latidsyre og lactidmonomerer. Lactid er en cyklisk diester, der er afledt af fermenteret plantestivelse (f.eks. majsstivelse, sukkerrør) og bruges som plantebaseret erstatning for plast. Derved passer PLA-syntese perfekt ind i området for grøn kemi. PLA fik hurtigt stor interesse, da det er en biobaseret, biologisk nedbrydelig erstatning for den konventionelle petrokemiske plast.
Fakta om PLA: PLA (C₃H₄O₂)n har en densitet på 1210-1430 kg/m³, er uopløselig i vand, hårdere end PTFE og smelter ved temperaturer mellem 150 °C og 220 °C.

InnoREX – Innovativ polymerisationsproces

Den nuværende produktionsproces for PLA kræver metalholdige katalysatorer for at forbedre polymerisationshastigheden af laktonerne, som er sundheds- og miljøfarlige. Med hensyn til den problematiske karakter af katalysatorudnyttelse og den stigende efterspørgsel efter biobaserede polymerer, fokuserer InnoREX-projektet på udviklingen af en polymerisationsproces, hvor de konventionelle metalholdige katalysatorer erstattes af en organisk katalysator og assisteres af de alternative energikilder ultralyd, mikrobølge og laser.

Organiske katalysatorer har vist sig effektivt at kontrollere polymerisationen af lactid, men deres aktivitet skal stadig forbedres for at opfylde industrielle standarder. Dette vil blive opnået ved at indføre alternative energikilder til ultralyd, mikrobølger og laserlys, da de øger katalysatoraktiviteten og muliggør præcis kontrol af reaktionen ved kun at excitere små dele af reaktionsblandingen uden responstid.
Projektet kombinerer derfor et nyt reaktorsystem, hvor de alternative energikilder introduceres i mediet, med en organisk katalysator for at opnå en metalfri PLA i en reaktiv ekstruderingsproces. (se billede 1)
Derfor bruger InnoREX-projektet den hurtige responstid for mikrobølger, ultralyd og laserlys til at opnå en præcist kontrolleret og effektiv kontinuerlig polymerisation af PLA med høj molekylvægt i en dobbeltskrueekstruder. Derudover vil der opnås betydelige energibesparelser ved at kombinere polymerisation, sammensætning og formning i ét produktionstrin.

ultralyd med høj effekt

Tre alternative energikilder – ultralyd, mikrobølge og laserbestråling – kombineres for at inducere ringåbningspolymerisationen for at sikre polymerisation med høj molekylvægt. I løbet af den begrænsede opholdstid i reaktorkammeret introducerer de alternative energikilder den nødvendige reaktionsdrivende påvirkning i en inline flowcelle (se billede 2) på et meget målrettet niveau. Derved kan metalholdige katalysatorer såsom tin (II) 2-ethylhexanoat, som i konventionelle ekstruderingsprocesser kræves for at hæve laconernes polymerisationshastighed til et acceptabelt effektivt niveau, undgås.
Til InnoREX pilotanlægssystemet, ultralydsprocessoren med høj effekt UIP1000hd, som er i stand til at levere 1 kW ultralydseffekt, er blevet integreret. Ultralyd med høj effekt er kendt for sine positive virkninger på kemiske reaktioner, som er fænomenet sonokemi. Når ultralydsbølger med høj effekt introduceres i et flydende medium, skaber bølgerne højtryks- (kompression) og lavtrykscyklusser (sjældne), hvilket resulterer i ultralyd Kavitation. Kavitation beskriver "dannelse, vækst og implosivt kollaps af bobler i en væske. Kavitationelt kollaps producerer intens lokal opvarmning (~5000K), høje tryk (~1000 atm) og enorme opvarmnings- og kølehastigheder (>109 K/sek)" sådan en væskestrømning med væskestråler på ~400 km/t. (K.S. Suslick 1998)
De ultralydsgenererede kavitationskræfter giver kinetisk energi, spreder partiklerne og skaber radikaler, der understøtter den kemiske polymerisationsreaktion.
Generelle positive virkninger af sonikering under en polymerisationsreaktion er:

• initiering af polymerisation på grund af sonokemisk skabte radikaler (polymerisationskinetik)
• acceleration af polymerisationshastigheden
• smallere polydispersioner, men højere molekylvægt af polymererne
• mere homogen reaktion og dermed en lavere fordeling af kædelængder