InnoREX - Extrusión de PLA mejorada por ultrasonidos

La mezcla, dispersión y emulsificación por ultrasonidos mejora la extrusión de ácidos polilácticos (PLA). La aplicación de ultrasonidos en las líneas de extrusión aumenta el rendimiento y la calidad del PLA producido.

Síntesis de polilactida

Los ácidos poliláctidos o polilactida (PLA) son un poliéster alifático termoplástico que se sintetiza a partir de monómeros de ácido láctico y lactida. La lactida es un diéster cíclico derivado del almidón vegetal fermentado (por ejemplo, almidón de maíz o caña de azúcar) que se utiliza como sustituto vegetal de los plásticos. Por tanto, la síntesis del PLA encaja perfectamente en el ámbito de la química verde. El PLA ha despertado rápidamente un gran interés por ser un sustituto biodegradable de base biológica de los plásticos convencionales de base petroquímica.
Datos sobre el PLA: PLA (C₃H₄O₂)n tiene una densidad de 1210-1430 kg/m³es insoluble en agua, más duro que el PTFE y funde a temperaturas comprendidas entre 150 y 220 ºC.

InnoREX – Innovador proceso de polimerización

El actual proceso de producción de PLA requiere catalizadores que contienen metales para mejorar la velocidad de polimerización de las lactonas, que son peligrosos para la salud y el medio ambiente. El proyecto InnoREX se centra en el desarrollo de un proceso de polimerización en el que los catalizadores metálicos convencionales se sustituyan por catalizadores orgánicos y se utilicen como 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 aún debe mejorarse para cumplir los estándares industriales. Esto se conseguirá mediante la introducción de energías alternativas de ultrasonidos, las microondas y la luz láser, ya que aumentan la actividad del catalizador y permiten un control preciso de la reacción al excitar sólo pequeñas partes de la mezcla de reacción sin tiempo de respuesta.
El proyecto combina, por tanto, 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 en un proceso de extrusión reactiva. (véase imagen 1)
Por ello, el proyecto InnoREX utiliza 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 tornillo. Además, se conseguirá un importante ahorro de energía combinando la polimerización, el compounding y el conformado en una sola fase de producción.

Ultrasonidos de alta potencia

Se combinan tres fuentes de energía alternativas - ultrasonidos, microondas e irradiación láser - para inducir la polimerización de apertura anular y garantizar la polimerización de alto peso molecular. Durante el tiempo de permanencia limitado en la cámara del reactor, las fuentes de energía alternativas introducen el impacto impulsor de la reacción necesario en una célula de flujo en línea (véase la fig. 2) de forma muy selectiva. De este modo, pueden evitarse los catalizadores que contienen metales, como el 2-etilhexanoato de estaño (II), necesario en los procesos de extrusión convencionales para elevar la velocidad de polimerización de las lactonas a un nivel de eficacia aceptable.
Para el sistema de planta piloto InnoREX, el procesador ultrasónico de alta potencia UIP1000hdcapaz de proporcionar 1 kW de potencia de ultrasonidos. Los ultrasonidos de alta potencia son bien conocidos por sus efectos positivos en las reacciones químicas, lo que constituye el fenómeno de la sonoquímica. Cuando se introducen ondas ultrasónicas de alta potencia en un medio líquido, las ondas crean ciclos de alta presión (compresión) y baja presión (rarefacción) que dan lugar a ultrasonidos cavitación. La cavitación describe "la formación, crecimiento y colapso implosivo de burbujas en un líquido. El colapso cavitacional produce un intenso calentamiento local (~5000K), altas presiones (~1000 atm) y enormes velocidades de calentamiento y enfriamiento (>109 K/seg)", como una corriente líquida con chorros de líquido de ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Las fuerzas de cavitación generadas por ultrasonidos proporcionan 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 creados sonoquímicamente (cinética de polimerización)
• aceleración de la velocidad de polimerización
• polidispersidades más estrechas, pero mayor peso molecular de los polímeros
• reacción más homogénea y, por tanto, menor distribución de las longitudes de cadena

Literatura/Referencias

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