InnoREX – Ultrazvočno izboljšano ekstrudiranje PLA

Ultrazvočno mešanje, dispergiranje in emulgiranje izboljšujejo ekstrudiranje polimlečnih kislin (PLA). Vključitev sonikacije v ekstruzijske linije povečuje izkoristek in kakovost proizvedenega PLA.

Sinteza polilaktida

Polimlečne kisline oziroma polilaktid (PLA) so termoplastični alifatski poliester, ki se sintetizira iz mlečne kisline in monomerov laktida. Laktid je ciklični diester, ki se pridobiva iz fermentiranega rastlinskega škroba (npr. koruznega škroba, sladkornega trsa) in se uporablja kot rastlinski nadomestek za plastiko. Sinteza PLA se tako popolnoma umešča na področje zelene kemije. PLA je hitro vzbudil veliko zanimanja, saj je biološko osnovan, biološko razgradljiv nadomestek za običajno plastiko na petrokemijski osnovi.
Dejstva o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n ima gostoto 1210–1430 kg/m³, je netopen v vodi, trši od PTFE in se tali pri temperaturah med 150degC in 220degC.

InnoREX – Inovativen postopek polimerizacije

Sedanji postopek proizvodnje PLA za povečanje hitrosti polimerizacije laktonov zahteva katalizatorje, ki vsebujejo kovine in so nevarni za zdravje in okolje. Zaradi problematičnosti uporabe katalizatorjev in vse večjega povpraševanja po biološko osnovanih polimerih se projekt InnoREX osredotoča na razvoj postopka polimerizacije, pri katerem se običajni katalizatorji, ki vsebujejo kovine, nadomestijo z organskim katalizatorjem, postopek pa podpirajo alternativni viri energije: ultrazvok visoke moči, mikrovalovi in laser.

Dokazano je, da organski katalizatorji učinkovito nadzorujejo polimerizacijo laktida, vendar je treba njihovo aktivnost še izboljšati, da bodo izpolnjevali industrijske standarde. To bo doseženo z uvedbo alternativnih virov energije: ultrazvoka, mikrovalov in laserske svetlobe, saj povečujejo aktivnost katalizatorja in omogočajo natančen nadzor reakcije z vzbujanjem le majhnih delov reakcijske zmesi brez odzivnega časa.
Projekt zato združuje nov reaktorski sistem, pri katerem se alternativni viri energije dovajajo v medij, z organskim katalizatorjem, da bi v postopku reaktivnega ekstrudiranja pridobili PLA brez kovin. (glejte sliko 1)
Projekt InnoREX zato izkorišča hiter odzivni čas mikrovalov, ultrazvoka in laserske svetlobe za doseganje natančno nadzorovane in učinkovite kontinuirne polimerizacije PLA z visoko molekulsko maso v dvopolžnem ekstruderju. Poleg tega bodo z združitvijo polimerizacije, kompavndiranja in oblikovanja v enem proizvodnem koraku doseženi znatni prihranki energije.

Ultrazvok visoke moči

Trije alternativni viri energije – ultrazvok, mikrovalovi in lasersko obsevanje – se združujejo za sprožitev polimerizacije z odpiranjem obroča, da se zagotovi polimerizacija z visoko molekulsko maso. Med omejenim zadrževalnim časom v reaktorski komori alternativni viri energije v pretočno celico, vgrajeno v procesno linijo (glejte sliko 2), zelo ciljno dovajajo potreben učinek za poganjanje reakcije. Tako se je mogoče izogniti katalizatorjem, ki vsebujejo kovine, kot je kositrov (II) 2-etilheksanoat, ki je pri običajnih postopkih ekstrudiranja potreben za povečanje hitrosti polimerizacije laktonov na sprejemljivo učinkovito raven.
V sistem pilotnega obrata InnoREX so vključili ultrazvočni procesor visoke moči UIP1000hd, ki lahko zagotavlja 1kW ultrazvočne moči. Ultrazvok visoke moči je dobro znan po svojih pozitivnih učinkih na kemijske reakcije, kar je pojav sonokemije. Ko se ultrazvočni valovi visoke moči dovajajo v tekoči medij, ustvarjajo cikle visokega tlaka (stiskanja) in nizkega tlaka (redčenja), ki povzročajo ultrazvočno kavitacijo. Kavitacija opisuje »nastanek, rast in implozijski kolaps mehurčkov v tekočini. Kavitacijski kolaps povzroča intenzivno lokalno segrevanje (~5000K), visoke tlake (~1000 atm) in izjemno velike hitrosti segrevanja in ohlajanja (>109 K/sec)« ter pretakanje tekočine s tekočinskimi curki s hitrostjo ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Ultrazvočno ustvarjene kavitacijske sile zagotavljajo kinetično energijo, dispergirajo delce in ustvarjajo radikale, ki podpirajo kemijsko reakcijo polimerizacije.
Splošni pozitivni učinki sonikacije med reakcijo polimerizacije so:

• sprožitev polimerizacije zaradi sonokemijsko ustvarjenih radikalov (kinetika polimerizacije)
• povečanje hitrosti polimerizacije
• manjše polidisperznosti, vendar večja molekulska masa polimerov
• bolj homogena reakcija in posledično ožja porazdelitev dolžin verig

Literatura/viri

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