InnoREX – 超音波によるPLA押出の改善

超音波による混合、分散、乳化は、ポリ乳酸（PLA）の押出を改善します。押出ラインに超音波処理を導入すると、製造されるPLAの収率と品質が向上します。

ポリラクチドの合成

ポリ乳酸、またはポリラクチド（PLA）は、乳酸およびラクチドのモノマーから合成される熱可塑性脂肪族ポリエステルです。ラクチドは、発酵させた植物由来のデンプン（例えば、コーンスターチ、サトウキビ）から得られる環状ジエステルであり、プラスチックの植物由来代替物として使用されます。このため、PLAの合成はグリーンケミストリーの分野に完全に適合します。PLAは、従来の石油化学由来プラスチックに代わるバイオベースで生分解性のある材料として、急速に大きな関心を集めました。
PLAに関する基本情報：PLA (C₃H₄O₂)nの密度は1210–1430 kg/m³であり、水に不溶で、PTFEより硬く、150degCと220degCの間の温度で融解します。

InnoREX – 革新的な重合プロセス

現在のPLA製造プロセスでは、ラクトンの重合速度を高めるために、健康と環境に有害な金属含有触媒が必要です。触媒使用に伴う問題とバイオベースポリマーに対する需要の増大を踏まえ、InnoREXプロジェクトでは、従来の金属含有触媒を有機触媒に置き換え、高出力超音波、マイクロ波、レーザーという代替エネルギー源で補助する重合プロセスの開発に重点を置いています。

有機触媒はラクチドの重合を効率的に制御できることが示されていますが、工業的な基準を満たすためには、その活性をさらに高める必要があります。これは、代替エネルギーである 超音波、マイクロ波、レーザー光の導入によって達成されます。これらは触媒活性を高め、応答遅延なしに反応混合物のごく一部だけを励起することで、反応を精密に制御できるためです。
そこで、このプロジェクトでは、代替エネルギー源を媒体に導入する新しい反応器システムと有機触媒を組み合わせ、反応押出プロセスで金属を含まないPLAを得ます。（図1参照）
このため、InnoREXプロジェクトでは、マイクロ波、超音波、レーザー光の迅速な応答を利用し、二軸スクリュー押出機内で高分子量PLAの精密に制御された効率的な連続重合を実現します。さらに、重合、コンパウンディング、成形を一つの製造工程にまとめることで、大幅な省エネルギーを実現します。

高出力超音波

三つの代替エネルギー源 – 超音波、マイクロ波、レーザー照射 – を組み合わせて開環重合を誘起し、高分子量ポリマーを生成する重合を確実に行います。反応器チャンバー内の限られた滞留時間中に、これらの代替エネルギー源は、反応を駆動するために必要な作用をインラインフローセル（図2参照）内に、狙った箇所へ集中的に与えます。これにより、従来の押出プロセスでラクトンの重合速度を許容できる効率的な水準まで高めるために必要な、2-エチルヘキサン酸スズ（II）などの金属含有触媒を使用せずに済みます。
InnoREXのパイロットプラントシステムには、高出力超音波プロセッサー UIP1000hdが組み込まれており、1kWの超音波出力を供給できます。高出力超音波が化学反応に及ぼす有益な効果はよく知られており、これはソノケミストリーの現象です。高出力の超音波を液体媒体に導入すると、高圧（圧縮）と低圧（希薄化）の周期が生じ、その結果、超音波による キャビテーションが発生します。キャビテーションとは、「液体中の気泡の形成、成長、および爆縮的な崩壊」を指します。「キャビテーションによる崩壊は、強烈な局所加熱（~5000K）、高圧（~1000 atm）、そして極めて大きな加熱・冷却速度（>109 K/sec）を生じさせます」。また、~400 km/hの液体ジェットを伴う液体流動なども引き起こします。（K.S. Suslick 1998）
超音波によって生成されるキャビテーションの力は、運動エネルギーを与え、粒子を分散させ、化学的な重合反応を促進するラジカルを生成します。
重合反応中の超音波処理には、一般に以下の有益な効果があります：

• ソノケミストリーによって生成されたラジカルによる重合の開始（重合反応速度論）
• 重合速度の向上
• ポリマーの多分散性の低下と分子量の増大
• 反応の均一性の向上と、それによる鎖長分布の縮小

文献・参考資料

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