InnoREX – Ultrazvučno poboljšana ekstruzija PLA-a

Ultrazvučno miješanje, dispergiranje i emulgiranje poboljšavaju ekstruziju polilaktičnih kiselina (PLA). Uvođenje sonikacije u ekstruzijske linije povećava prinos i kvalitetu proizvedenog PLA-a.

Sinteza polilaktida

Polilaktična kiselina ili polilaktid (PLA) termoplastični je alifatski poliester koji se sintetizira iz mliječne kiseline i monomera laktida. Laktid je ciklički diester koji se dobiva iz fermentiranog biljnog škroba (npr. kukuruznog škroba, šećerne trske) i upotrebljava se kao zamjena za plastiku na biljnoj osnovi. Time se sinteza PLA-a savršeno uklapa u područje zelene kemije. PLA je brzo privukao veliko zanimanje jer je biorazgradiva zamjena na biološkoj osnovi za konvencionalnu plastiku na petrokemijskoj osnovi.
Činjenice o PLA-u: PLA (C₃H₄O₂)n ima gustoću od 1210–1430 kg/m³, netopljiv je u vodi, tvrđi je od PTFE-a i tali se pri temperaturama između 150degC i 220degC.

InnoREX – Inovativni proces polimerizacije

Trenutačni proces proizvodnje PLA-a zahtijeva katalizatore koji sadržavaju metale kako bi se povećala brzina polimerizacije laktona, pri čemu su ti katalizatori opasni za zdravlje i okoliš. S obzirom na problematičnost upotrebe katalizatora i rastuću potražnju za polimerima na biološkoj osnovi, projekt InnoREX usmjeren je na razvoj procesa polimerizacije u kojem se konvencionalni katalizatori koji sadržavaju metale zamjenjuju organskim katalizatorom, uz potporu alternativnih izvora energije: ultrazvuka velike snage, mikrovalova i lasera.

Pokazalo se da organski katalizatori učinkovito kontroliraju polimerizaciju laktida, ali njihovu aktivnost još treba poboljšati kako bi zadovoljili industrijske standarde. To će se postići uvođenjem alternativnih izvora energije: ultrazvuka, mikrovalova i laserske svjetlosti jer oni povećavaju aktivnost katalizatora i omogućuju preciznu kontrolu reakcije pobuđivanjem samo malih dijelova reakcijske smjese bez odgode odziva.
Projekt stoga kombinira novi reaktorski sustav, u kojem se alternativni izvori energije uvode u medij, s organskim katalizatorom kako bi se u procesu reaktivne ekstruzije dobio PLA bez metala. (vidi sl. 1)
Stoga projekt InnoREX iskorištava brz odziv mikrovalova, ultrazvuka i laserske svjetlosti kako bi se postigla precizno kontrolirana i učinkovita kontinuirana polimerizacija PLA-a velike molekulske mase u dvopužnom ekstruderu. Osim toga, kombiniranjem polimerizacije, kompaundiranja i oblikovanja u jednom proizvodnom koraku ostvarit će se znatne uštede energije.

Ultrazvuk velike snage

Tri alternativna izvora energije – ultrazvuk, mikrovalovi i lasersko zračenje – kombiniraju se radi poticanja polimerizacije otvaranjem prstena kako bi se osigurala polimerizacija kojom se postiže velika molekulska masa. Tijekom ograničenog vremena zadržavanja u reaktorskoj komori alternativni izvori energije vrlo ciljano unose potreban učinak za pokretanje reakcije u protočnu ćeliju ugrađenu u procesnu liniju (vidi sl. 2). Time se može izbjeći upotreba katalizatora koji sadržavaju metale, poput kositrova(II) 2-etilheksanoata, koji je u konvencionalnim ekstruzijskim procesima potreban za povećanje brzine polimerizacije laktona na prihvatljivo učinkovitu razinu.
U sustav pilot-postrojenja InnoREX integriran je ultrazvučni procesor velike snage UIP1000hd, koji može isporučiti 1kW ultrazvučne snage. Ultrazvuk velike snage dobro je poznat po svojim pozitivnim učincima na kemijske reakcije, što predstavlja pojavu sonokemije. Kada se ultrazvučni valovi velike snage uvedu u tekući medij, oni stvaraju cikluse visokog tlaka (kompresije) i niskog tlaka (razrjeđivanja), što dovodi do nastanka ultrazvučne kavitacije. Kavitacija opisuje „nastajanje, rast i implozivni kolaps mjehurića u tekućini. Kavitacijski kolaps uzrokuje intenzivno lokalno zagrijavanje (~5000K), visoke tlakove (~1000 atm) i goleme brzine zagrijavanja i hlađenja (>109 K/sec)”, kao i strujanje tekućine s mlazovima tekućine brzine ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrazvučno generirane kavitacijske sile daju kinetičku energiju, dispergiraju čestice i stvaraju radikale koji podupiru kemijsku reakciju polimerizacije.
Opći pozitivni učinci sonikacije tijekom reakcije polimerizacije jesu:

• iniciranje polimerizacije djelovanjem sonokemijski stvorenih radikala (kinetika polimerizacije)
• povećanje brzine polimerizacije
• uža polidisperznost, ali veća molekulska masa polimera
• homogenija reakcija i stoga uža raspodjela duljina lanaca

Literatura i reference

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