InnoREX – ultrazvočno izboljšano iztiskanje PLA

Ultrazvočno mešanje, dispergiranje in emulgiranje izboljša iztiskanje polimlečnih kislin (PLA). Izvajanje ultrasonication v ekstruzijskih linijah poveča donos in kakovost proizvedenega PLA.

Sinteza polilaktida

Polilaktidne kisline ali polilaktid (PLA) je termoplastični alifatski poliester, ki se sintetizira iz laktidne kisline in laktidnih monomerov. Laktid je ciklični diester, ki je pridobljen iz fermentiranega rastlinskega škroba (npr. koruznega škroba, sladkornega trsa) in se uporablja kot rastlinski nadomestek za plastiko. S tem se sinteza PLA popolnoma ujema z območjem zelene kemije. PLA je hitro pridobil veliko zanimanje, saj je biološko razgradljiv nadomestek za konvencionalno petrokemično plastiko.
Dejstva o PLA: PLA (C₃H₄O₂)n ima gostoto 1210-1430 kg/m³, je netopen v vodi, trši od PTFE in se topi pri temperaturah med 150 °C in 220 °C.

InnoREX – Inovativen postopek polimerizacije

Sedanji proizvodni proces PLA zahteva katalizatorje, ki vsebujejo kovine, da se izboljša hitrost polimerizacije laktonov, ki so nevarni za zdravje in okolje. Glede na problematično naravo uporabe katalizatorjev in naraščajoče povpraševanje po polimerih na biološki osnovi se projekt InnoREX osredotoča na razvoj polimerizacijskega procesa, v katerem se konvencionalni katalizatorji, ki vsebujejo kovine, nadomestijo z organskim katalizatorjem in pomagajo alternativni viri energije ultrazvoka, mikrovalovne pečice in laserja.

Organski katalizatorji so pokazali, da učinkovito nadzorujejo polimerizacijo laktida, vendar je treba njihovo aktivnost še izboljšati, da bi izpolnili industrijske standarde. To bo doseženo z uvedbo alternativnih virov energije ultrazvok, mikrovalov in laserske svetlobe, saj povečujejo aktivnost katalizatorja in omogočajo natančen nadzor reakcije, tako da vzbujajo le majhne dele reakcijske zmesi brez odzivnega časa.
Projekt zato združuje nov reaktorski sistem, kjer se v medij vnesejo alternativni viri energije, z organskim katalizatorjem za pridobitev PLA brez kovin v procesu reaktivnega ekstrudiranja. (glej sliko 1)
Zato projekt InnoREX uporablja hiter odzivni čas mikrovalov, ultrazvoka in laserske svetlobe, da doseže natančno nadzorovano in učinkovito neprekinjeno polimerizacijo PLA z visoko molekulsko maso v dvovijačnem ekstruderju. Poleg tega bodo doseženi znatni prihranki energije s kombinacijo polimerizacije, združevanja in oblikovanja v enem proizvodnem koraku.

ultrazvok visoke moči

Trije alternativni viri energije - ultrazvok, mikrovalovno in lasersko obsevanje - so združeni za induciranje polimerizacije z odpiranjem obroča, da se zagotovi polimerizacija z visoko molekulsko maso. Med omejenim časom zadrževanja v reaktorski komori alternativni viri energije vnesejo zahtevani reakcijski vpliv v linijsko pretočno celico (glej sliko 2) na zelo ciljno usmerjeni ravni. S tem se lahko izognemo katalizatorjem, ki vsebujejo kovine, kot je kositer (II) 2-etilheksanoat, ki je v običajnih postopkih ekstrudiranja potreben za dvig hitrosti polimerizacije laktonov na sprejemljivo učinkovito raven.
Za pilotni sistem InnoREX je ultrazvočni procesor visoke moči UIP1000hd, ki je sposoben zagotoviti 1kW ultrazvočne moči, je bil integriran. Ultrazvok visoke moči je dobro znan po svojih pozitivnih učinkih na kemijske reakcije, kar je pojav sonokemije. Ko se ultrazvočni valovi visoke moči vnesejo v tekoči medij, valovi ustvarijo visokotlačne (kompresijske) in nizkotlačne (redke) cikle, kar povzroči ultrazvok Kavitacija. Kavitacija opisuje “nastanek, rast in implozivno sesedanje mehurčkov v tekočini. Kavitacijski kolaps povzroča intenzivno lokalno segrevanje (~5000 K), visoke tlake (~1000 atm) ter ogromne hitrosti segrevanja in ohlajanja (>109 K/s)” kot je tekoči tok s tekočimi curki s hitrostjo ~400 km/h. (K.S. Suslick, 1998)
Ultrazvočno generirane kavitacijske sile zagotavljajo kinetično energijo, razpršijo delce in ustvarijo radikale, ki podpirajo reakcijo kemične polimerizacije.
Splošni pozitivni učinki ultrazvočne razbijanje med polimerizacijsko reakcijo so:

• začetek polimerizacije zaradi sonokemično ustvarjenih radikalov (kinetika polimerizacije)
• pospeševanje hitrosti polimerizacije
• ožje polidisperznosti, vendar večja molekulska masa polimerov
• bolj homogena reakcija in s tem manjša porazdelitev dolžin verig

Literatura/Reference

• K.S. Suslick (1998): Kirk-Othmerjeva enciklopedija kemijske tehnologije; 4. izdaja J. Wiley & Sinovi: New York, 1998, zvezek 26, 517-541.