InnoREX – ultrazvukovo vylepšená extrúzia PLA

Ultrazvukové miešanie, dispergovanie a emulgácia zlepšuje extrúziu polymliečnych kyselín (PLA). Implementácia ultrazvuku do extrúznych liniek zvyšuje výťažnosť a kvalitu vyrobeného PLA.

Syntéza polylaktidu

Polylaktidové kyseliny alebo polylaktid (PLA) je termoplastický alifatický polyester, ktorý sa syntetizuje z kyseliny laktidovej 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 rozsahu zelenej chémie. PLA si rýchlo získal veľký záujem, pretože je biologicky odbúrateľnou náhradou konvenčných plastov na báze petrochemikálií.
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 150 °C a 220 °C.

InnoREX – Inovatívny polymerizačný proces

Súčasný výrobný proces PLA vyžaduje katalyzátory obsahujúce kovy na zlepšenie rýchlosti polymerizácie laktónov, ktoré sú nebezpečné pre zdravie a životné prostredie. Pokiaľ ide o problematickú povahu využitia katalyzátorov a rastúci dopyt po polyméroch na biologickej báze, projekt InnoREX sa zameriava na vývoj polymerizačného procesu, v ktorom sú konvenčné katalyzátory obsahujúce kov nahradené organickým katalyzátorom a za pomoci alternatívnych zdrojov energie vysokovýkonného ultrazvuku, mikrovlnnej rúry a lasera.

Ukázalo sa, že organické katalyzátory účinne kontrolujú polymerizáciu laktidu, ale ich aktivita sa musí ešte zlepšiť, aby spĺňali priemyselné normy. To sa dosiahne zavedením alternatívnych energií Ultrazvukom, mikrovlny a laserové svetlo, pretože zvyšujú aktivitu katalyzátora a umožňujú presné riadenie reakcie tým, že excitujú len malé časti reakčnej zmesi bez času odozvy.
Projekt preto kombinuje nový reaktorový systém, kde sa do média zavádzajú alternatívne zdroje energie, s organickým katalyzátorom na získanie PLA bez kovov v procese reaktívnej extrúzie. (pozri obr. 1)
Preto projekt InnoREX využíva rýchlu dobu odozvy mikrovĺn, ultrazvuku a laserového svetla na dosiahnutie presne riadenej a efektívnej kontinuálnej polymerizácie PLA s vysokou molekulovou hmotnosťou v dvojzávitovkovom extrudéri. Okrem toho sa kombináciou polymerizácie, kompaundovania a tvarovania v jednom výrobnom kroku dosiahnu významné úspory energie.

Vysokovýkonné ultrazvuky

Tri alternatívne zdroje energie – ultrazvukové, mikrovlnné a laserové ožarovanie – sú kombinované na indukciu polymerizácie s otváraním krúžku, aby sa zabezpečila polymerizácia s vysokou molekulovou hmotnosťou. Počas obmedzeného času zotrvania v reaktorovej komore alternatívne zdroje energie zavádzajú požadovaný reakčný účinok do inline prietokovej bunky (pozri obr. 2) na vysoko cielenej úrovni. Tým sa dá vyhnúť katalyzátorom obsahujúcim kovy, ako je 2-etylhexanoát cínu, ktorý je v konvenčných procesoch vytláčania potrebný na zvýšenie rýchlosti polymerizácie laktónov na prijateľnú efektívnu úroveň.
Pre systém pilotného zariadenia InnoREX je vysokovýkonný ultrazvukový procesor UIP1000hd, ktorý je schopný poskytnúť 1 kW ultrazvukového výkonu, bol integrovaný. Vysokovýkonný ultrazvuk je dobre známy svojimi pozitívnymi účinkami na chemické reakcie, čo je fenomén sonochémie. Keď sa vysokovýkonné ultrazvukové vlny zavedú do kvapalného média, vlny vytvárajú vysokotlakové (kompresné) a nízkotlakové (zriedenie) cykly, ktoré vedú k ultrazvuku Kavitácie. Kavitácia opisuje "tvorbu, rast a imploziívny kolaps bublín v kvapaline. Kavitačný kolaps spôsobuje intenzívne lokálne zahrievanie (~5000 K), vysoké tlaky (~1000 atm) a enormné rýchlosti zahrievania a chladenia (>109 K/s)" takejto kvapaliny prúdiacej prúdením kvapaliny s rýchlosťou ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrazvukom generované kavitačné sily poskytujú kinetickú energiu, rozptyľujú častice a vytvárajú radikály podporujúce chemickú polymerizačnú reakciu.
Všeobecné pozitívne účinky sonikácie počas polymerizačnej reakcie sú:

• iniciácia polymerizácie v dôsledku sonochemicky vytvorených radikálov (polymerizačná kinetika)
• zrýchlenie rýchlosti polymerizácie
• užšie polydisperzity, ale vyššia molekulová hmotnosť polymérov
• homogénnejšia reakcia a tým aj menšie rozloženie dĺžok reťazcov

Literatúra/Referencie

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmerova encyklopédia chemickej technológie; 4. vydanie J. Wiley & Synovia: New York, 1998, zv. 26, 517-541.