InnoREX – Υπερήχων βελτιωμένη εξώθηση PLA

Υπερήχων ανάμειξη, διασπορά και γαλακτωματοποίηση βελτιώνει την εξώθηση των πολυγαλακτικών οξέων (PLA). Η εφαρμογή υπερήχων σε γραμμές εξώθησης αυξάνει την απόδοση και την ποιότητα του παραγόμενου PLA.

Σύνθεση πολυλακτιδίων

Τα πολυλακτίδια οξέα ή πολυλακτίδιο (PLA) είναι ένας θερμοπλαστικός αλειφατικός πολυεστέρας, ο οποίος συντίθεται από μονομερή γαλακτιδίου οξέος και λακτιδίου. Το λακτίδιο είναι ένας κυκλικός διεστέρας, ο οποίος προέρχεται από ζυμωμένο φυτικό άμυλο (π.χ. άμυλο καλαμποκιού, ζαχαροκάλαμο) και χρησιμοποιείται ως φυτικό υποκατάστατο των πλαστικών. Με αυτόν τον τρόπο, η σύνθεση PLA ταιριάζει απόλυτα στο φάσμα της πράσινης χημείας. Το PLA κέρδισε γρήγορα μεγάλο ενδιαφέρον, καθώς είναι ένα βιοδιασπώμενο, βιοδιασπώμενο υποκατάστατο των συμβατικών πετροχημικών πλαστικών.
Στοιχεία για PLA: PLA (C₃H₄O₂)n έχει πυκνότητα 1210-1430 kg/m³, είναι αδιάλυτο στο νερό, σκληρότερο από το PTFE και λιώνει σε θερμοκρασίες μεταξύ 150degC και 220degC.

InnoREX – Καινοτόμος διαδικασία πολυμερισμού

Η τρέχουσα διαδικασία παραγωγής του PLA απαιτεί καταλύτες που περιέχουν μέταλλα για τη βελτίωση του ρυθμού πολυμερισμού των λακτονών, οι οποίες είναι επικίνδυνες για την υγεία και το περιβάλλον. Όσον αφορά την προβληματική φύση της χρήσης καταλύτη και την αυξανόμενη ζήτηση για πολυμερή βιολογικής προέλευσης, το έργο InnoREX επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας διαδικασίας πολυμερισμού, στην οποία οι συμβατικοί καταλύτες που περιέχουν μέταλλα αντικαθίστανται από έναν οργανικό καταλύτη και υποβοηθούνται από τις εναλλακτικές πηγές ενέργειας υπερήχων υψηλής ισχύος, μικροκυμάτων και λέιζερ.

Οι οργανικοί καταλύτες έχει αποδειχθεί ότι ελέγχουν αποτελεσματικά τον πολυμερισμό του γαλακτιδίου, αλλά η δραστηριότητά τους πρέπει ακόμα να βελτιωθεί για να ανταποκριθεί στα βιομηχανικά πρότυπα. Αυτό θα επιτευχθεί με την εισαγωγή εναλλακτικών πηγών ενέργειας Υπερήχων, μικροκύματα και φως λέιζερ, δεδομένου ότι αυξάνουν τη δραστηριότητα του καταλύτη και επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο της αντίδρασης διεγείροντας μόνο μικρά μέρη του μείγματος αντίδρασης χωρίς χρόνο απόκρισης.
Το έργο συνδυάζει επομένως ένα νέο σύστημα αντιδραστήρα, όπου οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας εισάγονται στο μέσο, με έναν οργανικό καταλύτη για την απόκτηση PLA χωρίς μέταλλα σε μια διαδικασία αντιδραστικής εξώθησης. (βλ. εικ. 1)
Ως εκ τούτου, το έργο InnoREX χρησιμοποιεί τον γρήγορο χρόνο απόκρισης των μικροκυμάτων, των υπερήχων και του φωτός λέιζερ για να επιτύχει έναν επακριβώς ελεγχόμενο και αποτελεσματικό συνεχή πολυμερισμό PLA υψηλού μοριακού βάρους σε έναν εξωθητή διπλού κοχλία. Επιπλέον, σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας θα επιτευχθεί συνδυάζοντας πολυμερισμό, σύνθεση και διαμόρφωση σε ένα στάδιο παραγωγής.

Υπερήχων υψηλής ισχύος

Τρεις εναλλακτικές πηγές ενέργειας - υπερηχογράφημα, μικροκύματα και ακτινοβολία λέιζερ - συνδυάζονται για να προκαλέσουν τον πολυμερισμό ανοίγματος δακτυλίου για να εξασφαλίσουν τον πολυμερισμό υψηλού μοριακού βάρους. Κατά τη διάρκεια του περιορισμένου χρόνου παραμονής στο θάλαμο του αντιδραστήρα, οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας εισάγουν την απαιτούμενη αντίδραση που οδηγεί την πρόσκρουση σε μια κυψέλη ροής σε σειρά (βλ. εικόνα 2) σε ιδιαίτερα στοχοθετημένο επίπεδο. Με αυτόν τον τρόπο, μπορούν να αποφευχθούν καταλύτες που περιέχουν μέταλλα, όπως ο 2-αιθυλεξανικός κασσίτερος (II), ο οποίος βρίσκεται σε συμβατικές διεργασίες εξώθησης που απαιτούνται για την αύξηση του ρυθμού πολυμερισμού των λακτονών σε αποδεκτό αποτελεσματικό επίπεδο.
Για το πιλοτικό σύστημα εγκαταστάσεων InnoREX, ο επεξεργαστής υπερήχων υψηλής ισχύος UIP1000hd, το οποίο είναι ικανό να παρέχει ισχύ υπερήχων 1kW, έχει ενσωματωθεί. Ο υπέρηχος υψηλής ισχύος είναι γνωστός για τις θετικές επιδράσεις του στις χημικές αντιδράσεις, που είναι το φαινόμενο της sonochemistry. Όταν τα κύματα υπερήχων υψηλής ισχύος εισάγονται σε ένα υγρό μέσο, τα κύματα δημιουργούν κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεσης) και χαμηλής πίεσης (αραίωση) με αποτέλεσμα υπερήχους σπηλαίωση. Το Cavitation περιγράφει «το σχηματισμό, την ανάπτυξη και την εκρηκτική κατάρρευση φυσαλίδων σε ένα υγρό. Η σπηλαίωση κατάρρευσης παράγει έντονη τοπική θέρμανση (~5000K), υψηλές πιέσεις (~1000 atm) και τεράστιους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης (>109 K/sec)" μια τέτοια ροή υγρού με πίδακες υγρού ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Οι υπερηχητικά παραγόμενες δυνάμεις σπηλαίωσης παρέχουν κινητική ενέργεια, διασκορπίζουν τα σωματίδια και δημιουργούν ρίζες που υποστηρίζουν την αντίδραση χημικού πολυμερισμού.
Γενικά θετικά αποτελέσματα της υπερήχησης κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης πολυμερισμού είναι:

• έναρξη πολυμερισμού λόγω sonoχημικά δημιουργημένων ριζών (κινητική πολυμερισμού)
• επιτάχυνση του ρυθμού πολυμερισμού
• στενότερες πολυδιασπορές, αλλά υψηλότερο μοριακό βάρος των πολυμερών
• πιο ομοιογενής αντίδραση και, ως εκ τούτου, χαμηλότερη κατανομή των μηκών της αλυσίδας