InnoREX – Βελτιωμένη εξώθηση PLA με υπερήχους

Η ανάμειξη, η διασπορά και η γαλακτωματοποίηση με υπερήχους βελτιώνουν την εξώθηση των πολυγαλακτικών οξέων (PLA). Η ενσωμάτωση της κατεργασίας με υπερήχους στις γραμμές εξώθησης αυξάνει την απόδοση και την ποιότητα του παραγόμενου PLA.

Σύνθεση πολυλακτιδίου

Το πολυγαλακτικό οξύ ή πολυλακτίδιο (PLA) είναι ένας θερμοπλαστικός αλειφατικός πολυεστέρας, ο οποίος συντίθεται από γαλακτικό οξύ και μονομερή λακτιδίου. Το λακτίδιο είναι ένας κυκλικός διεστέρας, ο οποίος προέρχεται από φυτικό άμυλο που έχει υποστεί ζύμωση (π.χ. άμυλο καλαμποκιού, ζαχαροκάλαμο) και χρησιμοποιείται ως υποκατάστατο φυτικής προέλευσης για τα πλαστικά. Έτσι, η σύνθεση PLA εντάσσεται απόλυτα στο πεδίο της πράσινης χημείας. Το PLA προσέλκυσε γρήγορα μεγάλο ενδιαφέρον, καθώς αποτελεί ένα βιοαποικοδομήσιμο υποκατάστατο βιολογικής προέλευσης για τα συμβατικά πλαστικά πετροχημικής προέλευσης.
Στοιχεία για το PLA: Το PLA (C₃H₄O₂)n έχει πυκνότητα 1210–1430 kg/m³, είναι αδιάλυτο στο νερό, σκληρότερο από το PTFE και τήκεται σε θερμοκρασίες μεταξύ 150degC και 220degC.

InnoREX – Καινοτόμος διεργασία πολυμερισμού

Η τρέχουσα διεργασία παραγωγής PLA απαιτεί καταλύτες που περιέχουν μέταλλα για τη βελτίωση του ρυθμού πολυμερισμού των λακτονών. Οι καταλύτες αυτοί είναι επικίνδυνοι για την υγεία και το περιβάλλον. Λαμβάνοντας υπόψη τα προβλήματα που συνδέονται με τη χρήση καταλυτών και την αυξανόμενη ζήτηση για πολυμερή βιολογικής προέλευσης, το έργο InnoREX επικεντρώνεται στην ανάπτυξη μιας διεργασίας πολυμερισμού στην οποία οι συμβατικοί καταλύτες που περιέχουν μέταλλα αντικαθίστανται από έναν οργανικό καταλύτη, με την υποβοήθηση εναλλακτικών πηγών ενέργειας: υπερήχων υψηλής ισχύος, μικροκυμάτων και λέιζερ.

Έχει αποδειχθεί ότι οι οργανικοί καταλύτες ελέγχουν αποτελεσματικά τον πολυμερισμό του λακτιδίου, αλλά η δραστικότητά τους πρέπει να βελτιωθεί περαιτέρω ώστε να πληρούν τα βιομηχανικά πρότυπα. Αυτό θα επιτευχθεί με την εισαγωγή εναλλακτικών μορφών ενέργειας με τη μορφή υπερήχων, μικροκυμάτων και φωτός λέιζερ, καθώς αυξάνουν τη δραστικότητα του καταλύτη και επιτρέπουν τον ακριβή έλεγχο της αντίδρασης, διεγείροντας μόνο μικρά τμήματα του μείγματος αντίδρασης χωρίς καθυστέρηση απόκρισης.
Το έργο συνδυάζει επομένως ένα καινοτόμο σύστημα αντιδραστήρα, στο οποίο οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας εισάγονται στο μέσο, με έναν οργανικό καταλύτη, ώστε να παραχθεί PLA χωρίς μέταλλα μέσω διεργασίας αντιδραστικής εξώθησης. (βλ. εικ. 1)
Έτσι, το έργο InnoREX αξιοποιεί τον σύντομο 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 εξωθητήρα διπλού κοχλία. Επιπλέον, θα επιτευχθεί σημαντική εξοικονόμηση ενέργειας με τον συνδυασμό του πολυμερισμού, της ανάμειξης με πρόσθετα και της μορφοποίησης σε ένα στάδιο παραγωγής.

Υπέρηχοι υψηλής ισχύος

Τρεις εναλλακτικές πηγές ενέργειας – υπέρηχοι, μικροκύματα και ακτινοβολία λέιζερ – συνδυάζονται για να προκαλέσουν πολυμερισμό με διάνοιξη δακτυλίου, ώστε να εξασφαλιστεί ο πολυμερισμός προς υψηλό μοριακό βάρος. Κατά τον περιορισμένο χρόνο παραμονής στον θάλαμο του αντιδραστήρα, οι εναλλακτικές πηγές ενέργειας παρέχουν με εξαιρετικά στοχευμένο τρόπο την απαιτούμενη επίδραση για την προώθηση της αντίδρασης σε μια κυψελίδα ροής ενσωματωμένη στη γραμμή (βλ. εικ. 2). Έτσι, μπορεί να αποφευχθεί η χρήση καταλυτών που περιέχουν μέταλλα, όπως ο 2-αιθυλεξανοϊκός κασσίτερος (II), ο οποίος απαιτείται στις συμβατικές διεργασίες εξώθησης για να αυξηθεί ο ρυθμός πολυμερισμού των λακτονών σε ένα αποδεκτό επίπεδο αποτελεσματικότητας.
Στο σύστημα της πιλοτικής εγκατάστασης InnoREX έχει ενσωματωθεί ο επεξεργαστής υπερήχων υψηλής ισχύος UIP1000hd, ο οποίος μπορεί να παρέχει ισχύ υπερήχων 1kW. Οι υπέρηχοι υψηλής ισχύος είναι ευρέως γνωστοί για τις θετικές επιδράσεις τους στις χημικές αντιδράσεις, οι οποίες αποτελούν το φαινόμενο της ηχοχημείας. Όταν υπερηχητικά κύματα υψηλής ισχύος εισάγονται σε ένα υγρό μέσο, δημιουργούν κύκλους υψηλής πίεσης (συμπίεση) και χαμηλής πίεσης (αραίωση), με αποτέλεσμα τη σπηλαίωση λόγω υπερήχων. Η σπηλαίωση περιγράφει «τον σχηματισμό, την ανάπτυξη και την ενδόρρηξη φυσαλίδων σε ένα υγρό. Η κατάρρευση λόγω σπηλαίωσης προκαλεί έντονη τοπική θέρμανση (~5000K), υψηλές πιέσεις (~1000 atm) και τεράστιους ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης (>109 K/sec)», καθώς και ροή υγρού με πίδακες υγρού ταχύτητας ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Οι δυνάμεις σπηλαίωσης που παράγονται με υπερήχους παρέχουν κινητική ενέργεια, διασπείρουν τα σωματίδια και δημιουργούν ρίζες που υποστηρίζουν τη χημική αντίδραση πολυμερισμού.
Οι γενικές θετικές επιδράσεις της κατεργασίας με υπερήχους κατά τη διάρκεια μιας αντίδρασης πολυμερισμού είναι:

• έναρξη του πολυμερισμού λόγω ριζών που δημιουργούνται ηχοχημικά (κινητική πολυμερισμού)
• αύξηση του ρυθμού πολυμερισμού
• μικρότερη πολυδιασπορά, αλλά υψηλότερο μοριακό βάρος των πολυμερών
• πιο ομοιογενής αντίδραση και, συνεπώς, στενότερη κατανομή των μηκών των αλυσίδων

Βιβλιογραφία/Παραπομπές

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