InnoREX – Ultraäänellä tehostettu PLA:n ekstruusio

Ultraäänisekoitus, dispergointi ja emulgointi tehostavat polymaitohappojen (PLA) ekstruusiota. Ultraäänikäsittelyn käyttöönotto ekstruusiolinjoissa lisää tuotetun PLA:n saantoa ja parantaa sen laatua.

Polylaktidin synteesi

Polymaitohappo eli polylaktidi (PLA) on termoplastinen alifaattinen polyesteri, jota syntetisoidaan maitohappo- ja laktidimonomeereista. Laktidi on syklinen diesteri, jota valmistetaan fermentoidusta kasvitärkkelyksestä (esim. maissitärkkelyksestä, sokeriruo’osta) ja käytetään kasvipohjaisena muovien korvikkeena. Näin ollen PLA:n synteesi sopii täydellisesti vihreän kemian piiriin. PLA herätti nopeasti suurta kiinnostusta, koska se on biopohjainen, biohajoava vaihtoehto tavanomaisille petrokemiallisille muoveille.
Tietoja PLA:sta: PLA:n (C₃H₄O₂)n tiheys on 1210–1430 kg/m³, se ei liukene veteen, on PTFE:tä kovempaa ja sulaa lämpötiloissa 150degC–220degC.

InnoREX – Innovatiivinen polymerointiprosessi

Nykyinen PLA:n tuotantoprosessi edellyttää laktonien polymerointinopeuden parantamiseksi metallia sisältäviä katalyyttejä, jotka ovat vaarallisia terveydelle ja ympäristölle. Katalyyttien käytön ongelmallisuuden ja biopohjaisten polymeerien kasvavan kysynnän vuoksi InnoREX-hankkeessa keskitytään kehittämään polymerointiprosessia, jossa tavanomaiset metallia sisältävät katalyytit korvataan orgaanisella katalyytillä ja prosessia tuetaan vaihtoehtoisilla energialähteillä: suuritehoisella ultraäänellä, mikroaalloilla ja laserilla.

Orgaanisten katalyyttien on osoitettu säätelevän tehokkaasti laktidin polymerointia, mutta niiden aktiivisuutta on vielä parannettava teollisuuden vaatimusten täyttämiseksi. Tämä saavutetaan ottamalla käyttöön vaihtoehtoisia energiamuotoja eli ultraääntä, mikroaaltoja ja laservaloa, sillä ne lisäävät katalyytin aktiivisuutta ja mahdollistavat reaktion tarkan säätelyn virittämällä vain pieniä osia reaktioseoksesta ilman vasteviivettä.
Hankkeessa yhdistetään siksi uudenlainen reaktorijärjestelmä, jossa vaihtoehtoiset energialähteet tuodaan väliaineeseen, ja orgaaninen katalyytti metallittoman PLA:n tuottamiseksi reaktiivisessa ekstruusioprosessissa. (ks. kuva 1)
InnoREX-hankkeessa hyödynnetään siten mikroaaltojen, ultraäänen ja laservalon nopeaa vasteaikaa, jotta suuren molekyylipainon PLA:n jatkuva polymerointi kaksoisruuviekstruuderissa on tarkasti säädeltyä ja tehokasta. Lisäksi saavutetaan merkittäviä energiansäästöjä yhdistämällä polymerointi, kompaundointi ja muotoilu yhteen tuotantovaiheeseen.

Suuritehoinen ultraääni

Kolme vaihtoehtoista energialähdettä – ultraääni, mikroaallot ja lasersäteily – yhdistetään rengasavautumispolymeroinnin käynnistämiseksi ja suuren molekyylipainon varmistamiseksi polymeroinnissa. Reaktorikammion rajallisen viipymäajan aikana vaihtoehtoiset energialähteet kohdistavat tarvittavan reaktiota edistävän vaikutuksen erittäin tarkasti prosessilinjaan sijoitettuun virtauskennoon (ks. kuva 2). Näin voidaan välttää metallia sisältävien katalyyttien, kuten tina (II) 2-etyyliheksanoaatin, käyttö. Niitä tarvitaan tavanomaisissa ekstruusioprosesseissa laktonien polymerointinopeuden nostamiseksi hyväksyttävälle, tehokkaalle tasolle.
InnoREX-hankkeen pilottilaitosjärjestelmään on integroitu suuritehoinen ultraääniprosessori UIP1000hd, joka pystyy tuottamaan 1kW:n ultraäänitehon. Suuritehoinen ultraääni tunnetaan hyvin sen myönteisistä vaikutuksista kemiallisiin reaktioihin. Tässä ilmiössä on kyse sonokemiasta. Kun suuritehoisia ultraääniaaltoja johdetaan nestemäiseen väliaineeseen, aallot synnyttävät korkean paineen (puristumisen) ja matalan paineen (harventumisen) jaksoja, jotka johtavat ultraäänen aiheuttamaan kavitaatioon. Kavitaatiolla tarkoitetaan ”kuplien muodostumista, kasvua ja implosiivista luhistumista nesteessä. Kavitaatiokuplien luhistuminen aiheuttaa voimakasta paikallista kuumenemista (~5000K), korkeita paineita (~1000 atm) sekä valtavia kuumenemis- ja jäähtymisnopeuksia (>109 K/sec)” sekä nestevirtauksia, joissa nestesuihkujen nopeus on ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultraäänellä tuotetut kavitaatiovoimat tuottavat kineettistä energiaa, dispergoivat hiukkasia ja muodostavat radikaaleja, jotka tukevat kemiallista polymerointireaktiota.
Ultraäänikäsittelyn yleisiä myönteisiä vaikutuksia polymerointireaktion aikana ovat:

• polymeroinnin käynnistyminen sonokemiallisesti muodostettujen radikaalien vaikutuksesta (polymerointikinetiikka)
• polymerointinopeuden kasvu
• pienemmät polydispersiteetit mutta polymeerien suurempi molekyylipaino
• homogeenisempi reaktio ja siten kapeampi ketjunpituusjakauma

Kirjallisuus ja lähteet

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