InnoREX – Extrusión de PLA mejorada mediante ultrasonidos

La mezcla, la dispersión y la emulsificación por ultrasonidos mejoran la extrusión de ácidos polilácticos (PLA). La incorporación de la sonicación a las líneas de extrusión aumenta el rendimiento y la calidad del PLA producido.

Síntesis de polilactida

El ácido poliláctico o polilactida (PLA) es un poliéster alifático termoplástico que se sintetiza a partir de ácido láctico y monómeros de lactida. La lactida es un diéster cíclico que se obtiene a partir de almidón vegetal fermentado (p. ej., almidón de maíz, caña de azúcar) y se utiliza como sustituto de origen vegetal de los plásticos. Por ello, la síntesis de PLA encaja perfectamente en el ámbito de la química verde. El PLA despertó rápidamente un gran interés por ser un sustituto de origen biológico y biodegradable de los plásticos convencionales de origen petroquímico.
Datos sobre el PLA: el PLA (C₃H₄O₂)n tiene una densidad de 1210-1430 kg/m³, es insoluble en agua, más duro que el PTFE y se funde a temperaturas entre 150degC y 220degC.

InnoREX – Proceso de polimerización innovador

El proceso actual de producción de PLA requiere catalizadores que contienen metales para aumentar la velocidad de polimerización de las lactonas, que son peligrosos para la salud y el medio ambiente. Ante los problemas asociados al uso de catalizadores y la creciente demanda de polímeros de origen biológico, el proyecto InnoREX se centra en desarrollar un proceso de polimerización en el que los catalizadores convencionales que contienen metales se sustituyen por un catalizador orgánico, con la asistencia de fuentes de energía alternativas: ultrasonidos de alta potencia, microondas y láser.

Se ha demostrado que los catalizadores orgánicos controlan eficazmente la polimerización de la lactida, pero su actividad todavía debe mejorarse para cumplir los estándares industriales. Esto se logrará mediante la incorporación de energías alternativas procedentes de ultrasonidos, microondas y luz láser, ya que aumentan la actividad del catalizador y permiten controlar con precisión la reacción al excitar únicamente pequeñas porciones de la mezcla de reacción sin tiempo de respuesta.
Por ello, el proyecto combina un novedoso sistema de reactor, en el que las fuentes de energía alternativas se introducen en el medio, con un catalizador orgánico para obtener un PLA sin metales mediante un proceso de extrusión reactiva. (Véase la imagen 1)
Así, el proyecto InnoREX aprovecha el rápido tiempo de respuesta de las microondas, los ultrasonidos y la luz láser para lograr una polimerización continua, eficiente y controlada con precisión de PLA de alto peso molecular en una extrusora de doble husillo. Además, se conseguirán importantes ahorros energéticos al combinar la polimerización, la formulación y el conformado en una sola etapa de producción.

Ultrasonidos de alta potencia

Se combinan tres fuentes de energía alternativas –ultrasonidos, microondas e irradiación láser– para inducir la polimerización por apertura de anillo y garantizar la obtención de polímeros de alto peso molecular. Durante el tiempo de residencia limitado en la cámara del reactor, las fuentes de energía alternativas aportan, de forma muy localizada, el efecto necesario para impulsar la reacción en una celda de flujo en línea (véase la imagen 2). De este modo, puede evitarse el uso de catalizadores que contienen metales, como el 2-etilhexanoato de estaño (II), que en los procesos de extrusión convencionales se necesita para aumentar la velocidad de polimerización de las lactonas hasta un nivel de eficiencia aceptable.
En el sistema de la planta piloto de InnoREX se ha integrado el procesador ultrasónico de alta potencia UIP1000hd, capaz de proporcionar 1 kW de potencia ultrasónica. Los ultrasonidos de alta potencia son conocidos por sus efectos positivos sobre las reacciones químicas, un fenómeno denominado sonoquímica. Cuando se introducen ondas ultrasónicas de alta potencia en un medio líquido, estas generan ciclos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción) que dan lugar a la cavitación ultrasónica. La cavitación describe «la formación, el crecimiento y el colapso implosivo de burbujas en un líquido. El colapso por cavitación produce un intenso calentamiento local (~5000K), altas presiones (~1000 atm) y enormes velocidades de calentamiento y enfriamiento (>109 K/sec)», así como corrientes en el líquido con chorros de ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Las fuerzas de cavitación generadas por ultrasonidos aportan energía cinética, dispersan las partículas y crean radicales que favorecen la reacción química de polimerización.
Los efectos positivos generales de la sonicación durante una reacción de polimerización son:

• inicio de la polimerización debido a los radicales generados por vía sonoquímica (cinética de polimerización)
• aumento de la velocidad de polimerización
• menor polidispersidad, pero mayor peso molecular de los polímeros
• reacción más homogénea y, por tanto, una distribución más estrecha de las longitudes de cadena

Bibliografía y referencias

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