InnoREX – Ekstrusi PLA yang Ditingkatkan secara Ultrasonik

Pencampuran, pendispersian, dan emulsifikasi ultrasonik meningkatkan ekstrusi asam polilaktat (PLA). Penerapan ultrasonikasi pada lini ekstrusi meningkatkan hasil dan kualitas PLA yang diproduksi.

Sintesis Polilaktida

Asam polilaktat atau polilaktida (PLA) adalah poliester alifatik termoplastik yang disintesis dari monomer asam laktat dan laktida. Laktida adalah diester siklik yang berasal dari pati tumbuhan yang difermentasi (misalnya pati jagung, tebu) dan digunakan sebagai pengganti plastik berbasis tumbuhan. Dengan demikian, sintesis PLA sangat sesuai dengan lingkup kimia hijau. PLA dengan cepat menarik minat besar karena merupakan pengganti plastik konvensional berbasis petrokimia yang berbasis hayati dan dapat terurai secara hayati.
Fakta tentang PLA: PLA (C₃H₄O₂)n memiliki densitas 1210–1430 kg/m³, tidak larut dalam air, lebih keras daripada PTFE, dan meleleh pada suhu antara 150degC dan 220degC.

InnoREX – Proses Polimerisasi Inovatif

Proses produksi PLA saat ini memerlukan katalis yang mengandung logam untuk meningkatkan laju polimerisasi lakton, yang berbahaya bagi kesehatan dan lingkungan. Mengingat permasalahan penggunaan katalis dan meningkatnya permintaan polimer berbasis hayati, proyek InnoREX berfokus pada pengembangan proses polimerisasi yang menggantikan katalis konvensional yang mengandung logam dengan katalis organik dan dibantu oleh sumber energi alternatif berupa ultrasonik berdaya tinggi, gelombang mikro, dan laser.

Katalis organik telah terbukti mampu mengendalikan polimerisasi laktida secara efisien, tetapi aktivitasnya masih harus ditingkatkan untuk memenuhi standar industri. Hal ini akan dicapai melalui penerapan energi alternatif berupa ultrasonik, gelombang mikro, dan cahaya laser karena ketiganya meningkatkan aktivitas katalis dan memungkinkan pengendalian reaksi secara presisi dengan mengeksitasi hanya bagian-bagian kecil dari campuran reaksi tanpa waktu respons.
Oleh karena itu, proyek ini menggabungkan sistem reaktor baru, yang memasukkan sumber energi alternatif ke dalam medium, dengan katalis organik untuk memperoleh PLA bebas logam dalam proses ekstrusi reaktif. (lihat gbr. 1)
Dengan demikian, proyek InnoREX memanfaatkan waktu respons yang cepat dari gelombang mikro, ultrasonik, dan cahaya laser untuk mencapai polimerisasi kontinu PLA berbobot molekul tinggi yang terkendali secara presisi dan efisien dalam ekstruder ulir ganda. Selain itu, penghematan energi yang signifikan akan dicapai dengan menggabungkan polimerisasi, peracikan, dan pembentukan dalam satu tahap produksi.

Ultrasonik Berdaya Tinggi

Tiga sumber energi alternatif – ultrasonik, gelombang mikro, dan penyinaran laser – digabungkan untuk menginduksi polimerisasi pembukaan cincin guna memastikan polimerisasi yang menghasilkan bobot molekul tinggi. Selama waktu tinggal yang terbatas di dalam ruang reaktor, sumber energi alternatif memberikan efek pendorong reaksi yang diperlukan ke dalam sel alir inline (lihat gbr. 2) secara sangat terarah. Dengan demikian, penggunaan katalis yang mengandung logam seperti timah (II) 2-etilheksanoat, yang pada proses ekstrusi konvensional diperlukan untuk meningkatkan laju polimerisasi lakton hingga tingkat efisiensi yang dapat diterima, dapat dihindari.
Untuk sistem instalasi percontohan InnoREX, telah diintegrasikan prosesor ultrasonik berdaya tinggi UIP1000hd, yang mampu menyediakan daya ultrasonik sebesar 1kW. Ultrasonik berdaya tinggi dikenal luas karena efek positifnya pada reaksi kimia, yang merupakan fenomena sonokimia. Ketika gelombang ultrasonik berdaya tinggi dimasukkan ke dalam medium cair, gelombang tersebut menciptakan siklus tekanan tinggi (kompresi) dan tekanan rendah (rarefaksi) yang menghasilkan fenomena ultrasonik berupa kavitasi. Kavitasi menggambarkan “pembentukan, pertumbuhan, dan keruntuhan implosif gelembung dalam cairan. Keruntuhan kavitasi menghasilkan pemanasan lokal yang intens (~5000K), tekanan tinggi (~1000 atm), dan laju pemanasan serta pendinginan yang sangat besar (>109 K/sec)” serta aliran cairan dengan semburan cairan berkecepatan ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Gaya kavitasi yang dihasilkan secara ultrasonik menyediakan energi kinetik, mendispersikan partikel, dan membentuk radikal yang mendukung reaksi kimia polimerisasi.
Efek positif umum sonikasi selama reaksi polimerisasi adalah:

• inisiasi polimerisasi akibat radikal yang terbentuk secara sonokimia (kinetika polimerisasi)
• peningkatan laju polimerisasi
• polidispersitas yang lebih sempit, tetapi bobot molekul polimer yang lebih tinggi
• reaksi yang lebih homogen sehingga distribusi panjang rantai lebih sempit

Literatur/referensi

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