InnoREX - Ulepszone ultradźwiękowo wytłaczanie PLA

Ultradźwiękowe mieszanie, dyspergowanie i emulgowanie poprawia wytłaczanie kwasów polimlekowych (PLA). Wdrożenie ultradźwięków do linii wytłaczania zwiększa wydajność i jakość produkowanego PLA.

Synteza polilaktydu

Kwasy polilaktydowe lub polilaktyd (PLA) to termoplastyczny poliester alifatyczny, który jest syntetyzowany z monomerów kwasu laktydowego i laktydu. Laktyd jest cyklicznym diestrem, który pochodzi ze sfermentowanej skrobi roślinnej (np. skrobi kukurydzianej, trzciny cukrowej) i jest stosowany jako roślinny substytut tworzyw sztucznych. Tym samym synteza PLA doskonale wpisuje się w zakres zielonej chemii. PLA szybko zyskał duże zainteresowanie, ponieważ jest biopochodnym, biodegradowalnym substytutem konwencjonalnych tworzyw sztucznych na bazie petrochemicznej.
Fakty na temat PLA: PLA (C₃H₄O₂)n ma gęstość 1210-1430 kg/m³Jest nierozpuszczalny w wodzie, twardszy niż PTFE i topi się w temperaturach od 150 do 220 stopni Celsjusza.

InnoREX – Innowacyjny proces polimeryzacji

Obecny proces produkcji PLA wymaga katalizatorów zawierających metale w celu poprawy szybkości polimeryzacji laktonów, które są niebezpieczne dla zdrowia i środowiska. W związku z problematycznym charakterem wykorzystania katalizatorów i rosnącym zapotrzebowaniem na biopolimery, projekt InnoREX koncentruje się na opracowaniu procesu polimeryzacji, w którym konwencjonalne katalizatory zawierające metal są zastępowane katalizatorem organicznym i wspomagane alternatywnymi źródłami energii w postaci ultradźwięków o dużej mocy, mikrofal i lasera.

Wykazano, że katalizatory organiczne skutecznie kontrolują polimeryzację laktydu, ale ich aktywność musi zostać poprawiona, aby spełnić standardy przemysłowe. Będzie to możliwe dzięki wprowadzeniu alternatywnych źródeł energii, takich jak ultradźwiękimikrofale i światło laserowe, ponieważ zwiększają aktywność katalizatora i umożliwiają precyzyjną kontrolę reakcji poprzez wzbudzanie tylko niewielkich części mieszaniny reakcyjnej bez czasu reakcji.
Projekt łączy zatem nowatorski system reaktora, w którym alternatywne źródła energii są wprowadzane do medium, z katalizatorem organicznym w celu uzyskania wolnego od metalu PLA w procesie reaktywnego wytłaczania. (patrz rys. 1)
Dlatego projekt InnoREX wykorzystuje szybki czas reakcji mikrofal, ultradźwięków i światła laserowego, aby osiągnąć precyzyjnie kontrolowaną i wydajną ciągłą polimeryzację PLA o wysokiej masie cząsteczkowej w wytłaczarce dwuślimakowej. Dodatkowo, znaczne oszczędności energii zostaną osiągnięte poprzez połączenie polimeryzacji, mieszania i kształtowania w jednym etapie produkcji.

ultradźwięki dużej mocy

Trzy alternatywne źródła energii - ultradźwięki, mikrofale i promieniowanie laserowe - są połączone w celu wywołania polimeryzacji z otwarciem pierścienia, aby zapewnić polimeryzację o wysokiej masie cząsteczkowej. Podczas ograniczonego czasu przebywania w komorze reaktora, alternatywne źródła energii wprowadzają wymagany wpływ napędzający reakcję do wbudowanej komory przepływowej (patrz rys. 2) na wysoce ukierunkowanym poziomie. W ten sposób można uniknąć katalizatorów zawierających metale, takich jak 2-etyloheksanian cyny (II), który jest wymagany w konwencjonalnych procesach wytłaczania w celu zwiększenia szybkości polimeryzacji laktonów do akceptowalnego poziomu wydajności.
W przypadku systemu instalacji pilotażowej InnoREX, procesor ultradźwiękowy o dużej mocy UIP1000hdktóry jest w stanie dostarczyć 1 kW mocy ultradźwiękowej. Ultradźwięki o dużej mocy są dobrze znane ze swojego pozytywnego wpływu na reakcje chemiczne, co jest zjawiskiem sonochemii. Gdy fale ultradźwiękowe o dużej mocy są wprowadzane do ciekłego medium, fale tworzą cykle wysokiego ciśnienia (kompresja) i niskiego ciśnienia (rozrzedzenie), co powoduje ultradźwięki kawitacja. Kawitacja opisuje "powstawanie, wzrost i implozyjne zapadanie się pęcherzyków w cieczy. Zapadanie się kawitacyjne powoduje intensywne lokalne ogrzewanie (~5000K), wysokie ciśnienie (~1000 atm) oraz ogromne szybkości ogrzewania i chłodzenia (>109 K/s)", takich jak strumienie cieczy o prędkości ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Generowane ultradźwiękowo siły kawitacyjne dostarczają energii kinetycznej, rozpraszają cząstki i tworzą rodniki wspomagające reakcję polimeryzacji chemicznej.
Ogólne pozytywne efekty sonikacji podczas reakcji polimeryzacji są następujące:

• inicjacja polimeryzacji dzięki sonochemicznie wytworzonym rodnikom (kinetyka polimeryzacji)
• przyspieszenie tempa polimeryzacji
• węższe polidyspersje, ale wyższa masa cząsteczkowa polimerów
• bardziej jednorodna reakcja, a tym samym mniejszy rozkład długości łańcuchów

Literatura/Referencje

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