InnoREX – Wytłaczanie PLA usprawnione ultradźwiękami

Mieszanie, dyspergowanie i emulgowanie ultradźwiękowe usprawniają wytłaczanie kwasów polimlekowych (PLA). Wprowadzenie sonikacji do linii wytłaczania zwiększa wydajność i jakość wytwarzanego PLA.

Synteza polilaktydu

Kwas polimlekowy, czyli polilaktyd (PLA), jest termoplastycznym poliestrem alifatycznym syntetyzowanym z kwasu mlekowego i monomerów laktydu. Laktyd jest cyklicznym diestrem otrzymywanym ze sfermentowanej skrobi roślinnej (np. skrobi kukurydzianej, trzciny cukrowej) i stosowanym jako zamiennik tworzyw sztucznych wytwarzany z surowców roślinnych. Tym samym synteza PLA doskonale wpisuje się w zakres zielonej chemii. PLA szybko wzbudził duże zainteresowanie, ponieważ jest biodegradowalnym zamiennikiem konwencjonalnych tworzyw sztucznych pochodzenia petrochemicznego, wytwarzanym z surowców biologicznych.
Informacje o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n ma gęstość 1210–1430 kg/m³, jest nierozpuszczalny w wodzie, twardszy niż PTFE i topi się w temperaturach od 150degC do 220degC.

InnoREX – Innowacyjny proces polimeryzacji

Obecny proces produkcji PLA wymaga katalizatorów zawierających metale, które są niebezpieczne dla zdrowia i środowiska, w celu zwiększenia szybkości polimeryzacji laktonów. Ze względu na problematyczny charakter stosowania katalizatorów oraz rosnące zapotrzebowanie na polimery pochodzenia biologicznego projekt InnoREX koncentruje się na opracowaniu procesu polimeryzacji, w którym konwencjonalne katalizatory zawierające metale zastępuje się katalizatorem organicznym, a proces wspomaga się alternatywnymi źródłami energii: ultradźwiękami o dużej mocy, mikrofalami i laserem.

Wykazano, że katalizatory organiczne skutecznie kontrolują polimeryzację laktydu, jednak ich aktywność nadal wymaga zwiększenia, aby spełniały standardy przemysłowe. Zostanie to osiągnięte poprzez wprowadzenie alternatywnych źródeł energii w postaci ultradźwięków, mikrofal i światła laserowego, ponieważ zwiększają one aktywność katalizatora i umożliwiają precyzyjną kontrolę reakcji poprzez wzbudzanie wyłącznie małych części mieszaniny reakcyjnej bez opóźnienia reakcji.
Projekt łączy zatem nowatorski układ reaktora, w którym do medium wprowadza się alternatywne źródła energii, z katalizatorem organicznym, aby uzyskać PLA niezawierający metali w procesie wytłaczania reaktywnego. (zob. rys. 1)
Dlatego projekt InnoREX wykorzystuje krótki czas reakcji mikrofal, ultradźwięków i światła laserowego, aby osiągnąć precyzyjnie kontrolowaną i wydajną ciągłą polimeryzację PLA o dużej masie cząsteczkowej w wytłaczarce dwuślimakowej. Ponadto połączenie polimeryzacji, kompaundowania i kształtowania w jednym etapie produkcji pozwoli uzyskać znaczne oszczędności energii.

Ultradźwięki o dużej mocy

Trzy alternatywne źródła energii – ultradźwięki, mikrofale i promieniowanie laserowe – łączy się w celu zainicjowania polimeryzacji z otwarciem pierścienia, aby zapewnić uzyskanie polimeru o dużej masie cząsteczkowej. W ograniczonym czasie przebywania w komorze reaktora alternatywne źródła energii dostarczają do komory przepływowej zainstalowanej w linii procesowej (zob. rys. 2) niezbędny impuls napędzający reakcję, działając w sposób wysoce ukierunkowany. Dzięki temu można uniknąć stosowania katalizatorów zawierających metale, takich jak 2-etyloheksanian cyny (II), który w konwencjonalnych procesach wytłaczania jest niezbędny do zwiększenia szybkości polimeryzacji laktonów do akceptowalnego, wydajnego poziomu.
W instalacji pilotażowej InnoREX zintegrowano procesor ultradźwiękowy o dużej mocy UIP1000hd, który jest zdolny dostarczać moc ultradźwiękową 1kW. Ultradźwięki o dużej mocy są dobrze znane ze swojego korzystnego wpływu na reakcje chemiczne, co stanowi zjawisko sonochemii. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy wprowadza się do ciekłego medium, tworzą one cykle wysokiego ciśnienia (sprężania) i niskiego ciśnienia (rozrzedzania), powodujące kawitację ultradźwiękową. Kawitacja oznacza „powstawanie, wzrost i implozyjne zapadanie się pęcherzyków w cieczy. Zapadanie się pęcherzyków kawitacyjnych powoduje intensywne lokalne nagrzewanie (~5000K), wysokie ciśnienia (~1000 atm) i ogromne szybkości nagrzewania i chłodzenia (>109 K/sec)”, a także przepływ cieczy ze strugami cieczy o prędkości ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Siły kawitacyjne wytwarzane przez ultradźwięki dostarczają energię kinetyczną, dyspergują cząstki i tworzą rodniki wspomagające chemiczną reakcję polimeryzacji.
Ogólne korzystne efekty sonikacji podczas reakcji polimeryzacji to:

• inicjowanie polimeryzacji przez rodniki wytwarzane sonochemicznie (kinetyka polimeryzacji)
• zwiększenie szybkości polimeryzacji
• mniejsza polidyspersyjność, ale większa masa cząsteczkowa polimerów
• bardziej jednorodna reakcja, a tym samym węższy rozkład długości łańcuchów

Literatura / źródła

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