InnoREX – Ultrazvučno poboljšana PLA ekstruzija

Ultrazvučno miješanje, dispergiranje i emulgiranje poboljšava ekstruziju polimliječnih kiselina (PLA). Uvođenje ultrazvučne obrade u ekstruzijske linije povećava prinos i kvalitetu proizvedenog PLA.

Sinteza polilaktida

Polilaktidne kiseline ili polilaktid (PLA) je termoplastični alifatski poliester, koji se sintetizira iz mliječne kiseline i laktidnih monomera. Laktid je ciklički diester koji se dobiva iz fermentiranog biljnog škroba (npr. kukuruznog škroba, šećerne trske) i koristi se kao biljna zamjena za plastiku. Stoga se PLA sinteza savršeno uklapa u raspon zelene kemije. PLA je brzo stekao veliko zanimanje budući da je bio-bazirana, biorazgradiva zamjena za konvencionalnu petrokemijsku plastiku.
Činjenice o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n ima gustoću 1210-1430 kg/m³, netopljiv je u vodi, tvrđi je od PTFE-a i topi se na temperaturama između 150°C i 220°C.

InnoREX – Inovativni proces polimerizacije

Trenutačni proizvodni proces PLA zahtijeva katalizatore koji sadrže metale kako bi se poboljšala brzina polimerizacije laktona, koji su opasni za zdravlje i okoliš. S obzirom na problematičnu prirodu korištenja katalizatora i sve veću potražnju za polimerima na biološkoj bazi, projekt InnoREX fokusiran je na razvoj procesa polimerizacije u kojem se konvencionalni katalizatori koji sadrže metal zamjenjuju organskim katalizatorom uz pomoć alternativnih izvora energije velike snage. ultrazvuk, mikrovalna i laser.

Pokazalo se da organski katalizatori učinkovito kontroliraju polimerizaciju laktida, ali njihova se aktivnost još uvijek mora poboljšati kako bi zadovoljila industrijske standarde. To će se postići uvođenjem alternativnih energija ultrazvuk, mikrovalove i lasersko svjetlo jer povećavaju aktivnost katalizatora i omogućuju preciznu kontrolu reakcije pobuđujući samo male dijelove reakcijske smjese bez vremena odgovora.
Projekt stoga kombinira novi reaktorski sustav, gdje se alternativni izvori energije uvode u medij, s organskim katalizatorom kako bi se dobio PLA bez metala u procesu reaktivne ekstruzije. (vidi sliku 1)
Stoga projekt InnoREX koristi brzo vrijeme odziva mikrovalova, ultrazvuka i laserskog svjetla kako bi se postigla precizno kontrolirana i učinkovita kontinuirana polimerizacija PLA visoke molekularne težine u dvopužnom ekstruderu. Dodatno, bit će postignute značajne uštede energije kombiniranjem polimerizacije, spajanja i oblikovanja u jednom proizvodnom koraku.

ultrazvuk velike snage

Tri alternativna izvora energije – ultrazvuk, mikrovalna pećnica i lasersko zračenje – kombiniraju se kako bi inducirali polimerizaciju otvaranja prstena kako bi se osigurala polimerizacija visoke molekularne težine. Tijekom ograničenog vremena zadržavanja u reaktorskoj komori, alternativni izvori energije unose potreban reakcijski učinak u inline protočnu ćeliju (vidi sliku 2) na visoko ciljanoj razini. Time se mogu izbjeći katalizatori koji sadrže metal kao što je kositar (II) 2-etilheksanoat, koji je u konvencionalnim procesima ekstruzije potreban za podizanje stope polimerizacije laktona na prihvatljivu učinkovitu razinu.
Za sustav pilot postrojenja InnoREX, ultrazvučni procesor velike snage UIP1000hd, koji može dati 1kW ultrazvučne snage, integriran je. Ultrazvuk velike snage dobro je poznat po svojim pozitivnim učincima na kemijske reakcije, što je fenomen sonokemije. Kada se ultrazvučni valovi velike snage uvedu u tekući medij, valovi stvaraju cikluse visokog tlaka (kompresija) i niskog tlaka (razrjeđivanje) što rezultira ultrazvukom kavitacija. Cavitation describes “the formation, growth and implosive collapse of bubbles in a liquid. Cavitational collapse produces intense local heating (~5000K), high pressures (~1000 atm), and enormous heating and cooling rates (>109 K/s)” such a s liquid streaming with liquid jets of ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrazvučno generirane kavitacijske sile daju kinetičku energiju, raspršuju čestice i stvaraju radikale koji podržavaju kemijsku reakciju polimerizacije.
Opći pozitivni učinci sonikacije tijekom reakcije polimerizacije su:

• inicijacija polimerizacije zbog sonokemijski stvorenih radikala (kinetika polimerizacije)
• ubrzanje brzine polimerizacije
• uža polidisperznost, ali veća molekularna težina polimera
• homogeniju reakciju i stoga nižu raspodjelu duljina lanaca

Literatura/Reference

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