InnoREX – Ultrazvukom zlepšená extrúzia PLA

Ultrazvukové miešanie, dispergovanie a emulgovanie zlepšujú extrúziu polymliečnych kyselín (PLA). Zavedenie ultrazvukového spracovania do extrúznych liniek zvyšuje výťažnosť a kvalitu vyrobeného PLA.

Syntéza polylaktidu

Polymliečna kyselina alebo polylaktid (PLA) je termoplastický alifatický polyester, ktorý sa syntetizuje z kyseliny mliečnej a laktidových monomérov. Laktid je cyklický diester, ktorý sa získava z fermentovaného rastlinného škrobu (napr. kukuričného škrobu, cukrovej trstiny) a používa sa ako rastlinná náhrada plastov. Syntéza PLA tak dokonale zapadá do oblasti zelenej chémie. PLA si rýchlo získal veľký záujem, pretože je biologicky rozložiteľnou náhradou konvenčných plastov na petrochemickej báze a pochádza z biologických zdrojov.
Fakty o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n má hustotu 1210–1430 kg/m³, je nerozpustný vo vode, tvrdší ako PTFE a topí sa pri teplotách medzi 150degC a 220degC.

InnoREX – Inovatívny proces polymerizácie

Súčasný proces výroby PLA vyžaduje katalyzátory obsahujúce kovy na zvýšenie rýchlosti polymerizácie laktónov, ktoré sú nebezpečné pre zdravie a životné prostredie. Vzhľadom na problematickosť používania katalyzátorov a rastúci dopyt po polyméroch z biologických zdrojov sa projekt InnoREX zameriava na vývoj procesu polymerizácie, v ktorom sa konvenčné katalyzátory obsahujúce kovy nahrádzajú organickým katalyzátorom a proces sa podporuje alternatívnymi zdrojmi energie v podobe vysokovýkonného ultrazvuku, mikrovĺn a lasera.

Ukázalo sa, že organické katalyzátory účinne riadia polymerizáciu laktidu, ich aktivita sa však musí ešte zvýšiť, aby spĺňali priemyselné štandardy. Dosiahne sa to zavedením alternatívnych foriem energie v podobe ultrazvuku, mikrovĺn a laserového svetla, pretože zvyšujú aktivitu katalyzátora a umožňujú presné riadenie reakcie excitáciou iba malých častí reakčnej zmesi bez časového oneskorenia odozvy.
Projekt preto kombinuje nový reaktorový systém, v ktorom sa do média privádza energia z alternatívnych zdrojov, s organickým katalyzátorom, aby sa v procese reaktívnej extrúzie získal PLA bez obsahu kovov. (pozri obr. 1)
Projekt InnoREX preto využíva rýchlu odozvu mikrovĺn, ultrazvuku a laserového svetla na dosiahnutie presne riadenej a účinnej kontinuálnej polymerizácie PLA s vysokou molekulovou hmotnosťou v dvojzávitovkovom extrudéri. Okrem toho sa kombináciou polymerizácie, kompaundácie a tvarovania v jednom výrobnom kroku dosiahnu významné úspory energie.

Vysokovýkonný ultrazvuk

Tri alternatívne zdroje energie – ultrazvuk, mikrovlnné a laserové žiarenie – sa kombinujú na vyvolanie polymerizácie s otvorením kruhu, aby sa zabezpečila polymerizácia vedúca k vysokej molekulovej hmotnosti. Počas obmedzeného času zotrvania v reaktorovej komore privádzajú alternatívne zdroje energie do prietokovej cely v linke (pozri obr. 2) vysoko cieleným spôsobom potrebný podnet na priebeh reakcie. Tým sa možno vyhnúť katalyzátorom obsahujúcim kovy, ako je 2-etylhexanoát cínatý, ktorý je pri konvenčných extrúznych procesoch potrebný na zvýšenie rýchlosti polymerizácie laktónov na prijateľne účinnú úroveň.
Do pilotného systému projektu InnoREX bol integrovaný vysokovýkonný ultrazvukový procesor UIP1000hd, ktorý dokáže poskytovať ultrazvukový výkon 1kW. Vysokovýkonný ultrazvuk je dobre známy svojimi pozitívnymi účinkami na chemické reakcie, čo je jav označovaný ako sonochémia. Keď sa do kvapalného média privádzajú vysokovýkonné ultrazvukové vlny, vytvárajú cykly vysokého tlaku (stláčanie) a nízkeho tlaku (zrieďovanie), ktoré spôsobujú ultrazvukovú kavitáciu. Kavitácia opisuje „vznik, rast a implozívny kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps spôsobuje intenzívny lokálny ohrev (~5000K), vysoké tlaky (~1000 atm) a obrovské rýchlosti ohrevu a ochladzovania (>109 K/sec)“, ako je prúdenie kvapaliny s kvapalinovými prúdmi s rýchlosťou ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Kavitačné sily vytvárané ultrazvukom dodávajú kinetickú energiu, dispergujú častice a vytvárajú radikály podporujúce chemickú polymerizačnú reakciu.
Všeobecné pozitívne účinky sonikácie počas polymerizačnej reakcie sú:

• iniciácia polymerizácie vďaka sonochemicky vytvoreným radikálom (kinetika polymerizácie)
• zvýšenie rýchlosti polymerizácie
• nižšia polydisperzita, ale vyššia molekulová hmotnosť polymérov
• homogénnejšia reakcia, a tým užšia distribúcia dĺžok reťazcov

Literatúra / referencie

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