InnoREX – Ultraschall-gestützte PLA-Extrusion

Mischen, Dispergieren und Emulgieren mit Ultraschall verbessert die Extrusion von Polymilchsäuren (PLA). Der Einsatz von Ultraschall in Extrusionsanlagen erhöht die Ausbeute und Qualität der produzierten PLA.

Polylactid-Synthese

Polylactide oder Polylmilchsäuren (PLA) sind thermoplastische aliphatische Polyester, die aus Milchsäure und Lactidmonomeren synthetisiert werden. Lactid ist ein zyklischer Diester, welcher aus fermentierten Pflanzenstärke (z.B. Maisstärke, Zuckerrohr) gewonnen wird und als pflanzlicher Kunststoffersatz Verwendung findet. Deshalb lässt sich die PLA-Synthese sehr gut in den Bereich der grünen Chemie einordnen. PLA hat sehr schnell großes Interesse hervorgerufen, da es ein umweltfreundlicher, biologisch abbaubarer Ersatz für die herkömmlichen, petrochemisch gewonnenen Kunststoffe ist.
Fakten über PLA: PLA (C₃H₄O₂)n hat eine Dichte von 1210-1430 kg/m³, ist unlöslich in Wasser, härter als PTFE und schmilzt bei Temperaturen zwischen 150degC und 220degC.

InnoREX – Innovativer Polymerisationsprozess

Für die derzeitige PLA-Produktion sind metallhaltige Katalysatoren erforderlich, um die Polymerisationsrate der Lactone zu verbessern. Diese Katalysatoren stellen eine Gefahr für Gesundheit und Umwelt dar. Daher ist es Ziel des InnoREX-Projektes, ein Polymerisationsverfahren zu entwickeln, in dem die konventionellen metallhaltigen Katalysatoren durch organische Katalysatoren ersetzt werden und der Prozess durch alternative Energieformen wie Ultraschall, Mikrowellen und Laser unterstützt wird. Durch dieses neuartige Verfahren soll der Problematik der Katalysatorverwendung wie auch der steigenden Nachfrage nach bio-basierten Polymeren Rechnung getragen werden.

Es ist erwiesen, dass organische Katalysatoren die Polymerisation von Lactid effektiv steuern können, jedoch muss ihre Reaktivität noch verbessert werden, um an die Industriestandards heranzureichen. Erreicht wird dies durch den Eintrag die alternativer Energieformen wie Ultraschall, Mikrowellen und Laser, da sie Katalysatoraktivität verbessern und eine präzise Kontrolle der Reaktion erlauben.
Das Projekt nutzt daher eine neuartiges Reaktorsystem, in welches die alternativen Energiequellen ins Medium eingetragen werden, um mit einem organischen Katalysator metallfreies PLA in einem reaktiven Extrusionsprozess zu erhalten. (siehe Abb. 1)
Daher verwendet das InnoREX-Projekt die schnelle Reaktionszeit von Mikrowellen, Ultraschall und Laserlicht, um eine präzise gesteuerte und effiziente kontinuierliche Polymerisation von hochmolekularem PLA in einem Doppelschneckenextruder zu erreichen. Darüber hinaus werden bedeutende Energieeinsparungen durch die Kombination von Polymerisation, Mischen und Extrusion in einem einzigen Produktionsschritt erreicht.

Hochleistungs-Ultraschall

Drei alternative Energiequellen – Ultraschall, Mikrowelle und Laser – werden kombiniert, um die ringöffnende Polymerisation zu induzieren, um die hochmolekulare Polymerisation sicherzustellen. Während der begrenzten Verweilzeit im Reaktor wird durch die alternativen Energieformen die erforderliche Reaktionsenergie in eine Durchflusszelle (siehe Abb. 2) eingetragen. Dadurch kann auf metallhaltige Katalysatoren, z.B. Zinn (II)2-ethylhexanoat, wie sie in herkömmlichen Extrusionsprozessen benötigt werden, um die Polymerisationsrate der Lactone auf einen akzeptablen Effizienzgrad zu erhöhen, vermieden werden.
In die InnoREX-Pilotanlage wurde der UIP1000hd, ein 1kW hochleistungs-Ultraschallprozessor integriert. Hochleistungs-Ultraschall ist bekannt für seine positiven Auswirkungen auf chemische Reaktionen, das sogenannte Phänomen der Sonochemie. Werden Hochleistungs-Ultraschallwellen in ein flüssiges Medium eingetragen, entstehen Hochdruck- (Kompression) und Niederdruck- (Rarefaktion) Zyklen, welche Ultraschall Kavitation. Kavitation beschreibt "die Bildung, das Wachstum und den implosiven Kollaps von Blasen in einer Flüssigkeit. Der Kollaps durch Kavitation führt zu einer starken lokalen Erwärmung (~5000K), hohen Drücken (~1000 atm) und enormen Heiz- und Kühlraten (>109 K/sec)" wie z.B. Flüssigkeitsströme mit Flüssigkeitsstrahlen von ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultraschall-generierte Kavitation setzt kinetische Energie frei, dispergiert Partikel und erzeugt Radikale, welche die chemische Polymerisation positiv beeinflussen.
Allgemeine positive Effekte der Beschallung während einer Polymerisiationsreaktion sind:

• die Initiierung der Polymerisation durch sonochemisch erzeugte Radikale (Polymerisationskinetik)
• die Beschleunigung der Polymerisationsrate
• eine engbandigere Polydispersität bei dennoch höherem Molekulargwicht der Polymere
• eine homogenere Reaktion und damit eine geringere Kettenlängen-Verteilung

Literatur

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology; 4th Ed. J. Wiley & Sons: New York, 1998, vol. 26, 517-541.