InnoREX – שיחול PLA משופר באמצעות אולטרסאונד

ערבוב, פיזור ותחלוב אולטרסוניים משפרים את השיחול של חומצות פולילקטיות (PLA). שילוב סוניקציה בקווי שיחול מגדיל את התפוקה ומשפר את איכות ה-PLA המיוצר.

סינתזה של פולילקטיד

חומצות פולילקטיות או פולילקטיד (PLA) הן פוליאסטר אליפטי תרמופלסטי, המסונתז מחומצה לקטית וממונומרים של לקטיד. לקטיד הוא דיאסטר טבעתי, המופק מעמילן צמחי שעבר תסיסה (למשל עמילן תירס, קנה סוכר) ומשמש כתחליף לפלסטיק ממקור צמחי. לפיכך, סינתזת PLA משתלבת באופן מושלם בתחום הכימיה הירוקה. PLA עורר במהירות עניין רב בהיותו תחליף ממקור ביולוגי ומתכלה לפלסטיק הקונבנציונלי המבוסס על חומרי גלם פטרוכימיים.
עובדות על PLA: ל-PLA (C₃H₄O₂)n צפיפות של 1210-1430 kg/m³, הוא אינו מסיס במים, קשה יותר מ-PTFE וניתך בטמפרטורות שבין 150degC ל-220degC.

InnoREX – תהליך פילמור חדשני

תהליך הייצור הנוכחי של PLA מחייב שימוש בזרזים המכילים מתכות, המסוכנים לבריאות ולסביבה, כדי לשפר את קצב הפילמור של הלקטונים. לנוכח הבעייתיות שבשימוש בזרזים והביקוש הגובר לפולימרים ממקור ביולוגי, פרויקט InnoREX מתמקד בפיתוח תהליך פילמור שבו הזרזים הקונבנציונליים המכילים מתכות מוחלפים בזרז אורגני, והתהליך מסתייע במקורות האנרגיה החלופיים אולטרסאונד בהספק גבוה, גלי מיקרו ולייזר.

הוכח שזרזים אורגניים מאפשרים שליטה יעילה בפילמור של לקטיד, אך עדיין יש לשפר את פעילותם כדי לעמוד בתקנים תעשייתיים. הדבר יושג באמצעות שילוב מקורות אנרגיה חלופיים של אולטרסאונד, גלי מיקרו ואור לייזר, שכן הם מגבירים את פעילות הזרז ומאפשרים שליטה מדויקת בתגובה באמצעות עירור של חלקים קטנים בלבד מתערובת התגובה, ללא השהיית תגובה.
לכן הפרויקט משלב מערכת ראקטור חדשנית, שבה מקורות האנרגיה החלופיים מוחדרים לתווך, עם זרז אורגני, כדי לקבל PLA נטול מתכות בתהליך שיחול ריאקטיבי. (ראו תמונה 1)
לפיכך, פרויקט InnoREX מנצל את זמן התגובה המהיר של גלי מיקרו, אולטרסאונד ואור לייזר כדי להשיג פילמור רציף, יעיל ומבוקר במדויק של PLA בעל משקל מולקולרי גבוה באקסטרודר דו-בורגי. בנוסף, יושג חיסכון משמעותי באנרגיה באמצעות שילוב של פילמור, הכנת תערובת ועיצוב בשלב ייצור אחד.

אולטרסאונד בהספק גבוה

שלושה מקורות אנרגיה חלופיים – אולטרסאונד, גלי מיקרו וקרינת לייזר – משולבים כדי לחולל פילמור בפתיחת טבעת ולהבטיח פילמור המניב משקל מולקולרי גבוה. במהלך זמן השהייה המוגבל בתא הראקטור, מקורות האנרגיה החלופיים מספקים לתא זרימה המותקן בקו התהליך (ראו תמונה 2) את ההשפעה הדרושה להנעת התגובה, באופן ממוקד ביותר. כך ניתן להימנע משימוש בזרזים המכילים מתכות, כגון בדיל (II) 2-אתילהקסנואט, הנדרש בתהליכי שיחול קונבנציונליים כדי להעלות את קצב הפילמור של הלקטונים לרמת יעילות קבילה.
במערכת מתקן הפיילוט של InnoREX שולב המעבד האולטרסוני בהספק גבוה UIP1000hd, המסוגל לספק הספק אולטרסוני של 1kW. אולטרסאונד בהספק גבוה מוכר היטב בזכות השפעותיו החיוביות על תגובות כימיות, תופעה המכונה סונוכימיה. כאשר גלים אולטרסוניים בהספק גבוה מוחדרים לתווך נוזלי, הם יוצרים מחזורים של לחץ גבוה (דחיסה) ולחץ נמוך (קלישה), המביאים ליצירת קוויטציה אולטרסונית. קוויטציה מתארת את "היווצרותן, גדילתן וקריסתן כלפי פנים של בועות בנוזל. קריסה קוויטציונית יוצרת חימום מקומי עז (~5000K), לחצים גבוהים (~1000 atm) וקצבי חימום וקירור עצומים (>109 K/sec)", וכן זרימת נוזל עם סילוני נוזל במהירות של ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
כוחות הקוויטציה הנוצרים באמצעות אולטרסאונד מספקים אנרגיה קינטית, מפזרים את החלקיקים ויוצרים רדיקלים התומכים בתגובת הפילמור הכימית.
ההשפעות החיוביות הכלליות של סוניקציה במהלך תגובת פילמור הן:

• ייזום פילמור עקב רדיקלים הנוצרים בתהליכים סונוכימיים (קינטיקת הפילמור)
• האצת קצב הפילמור
• התפלגויות צרות יותר של משקלים מולקולריים, אך משקל מולקולרי גבוה יותר של הפולימרים
• תגובה הומוגנית יותר, ולכן התפלגות צרה יותר של אורכי השרשראות

ספרות ומקורות

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