InnoREX – Ekstrudimi i PLA-së i përmirësuar me ultratinguj

Përzierja, dispergimi dhe emulsifikimi me ultratinguj përmirësojnë ekstrudimin e acideve polilaktike (PLA). Përfshirja e trajtimit me ultratinguj në linjat e ekstrudimit rrit rendimentin dhe cilësinë e PLA-së së prodhuar.

Sinteza e polilaktidit

Acidi polilaktik ose polilaktidi (PLA) është një poliester alifatik termoplastik, i cili sintetizohet nga acidi laktik dhe monomerët e laktidit. Laktidi është një diester ciklik, i cili përftohet nga niseshteja bimore e fermentuar (p.sh. niseshte misri, kallam sheqeri) dhe përdoret si zëvendësues me bazë bimore për materialet plastike. Kështu, sinteza e PLA-së përputhet në mënyrë të përkryer me fushën e kimisë së gjelbër. PLA-ja ngjalli shpejt interes të madh, pasi është një zëvendësues me bazë biologjike dhe i biodegradueshëm i materialeve plastike konvencionale me bazë petrokimike.
Fakte për PLA-në: PLA (C₃H₄O₂)n ka një dendësi prej 1210–1430 kg/m³, është i patretshëm në ujë, më i fortë se PTFE-ja dhe shkrihet në temperatura ndërmjet 150degC dhe 220degC.

InnoREX – Proces novator polimerizimi

Procesi aktual i prodhimit të PLA-së kërkon katalizatorë që përmbajnë metale për të rritur shpejtësinë e polimerizimit të laktoneve, që janë të rrezikshme për shëndetin dhe mjedisin. Duke marrë parasysh natyrën problematike të përdorimit të katalizatorëve dhe kërkesën në rritje për polimere me bazë biologjike, projekti InnoREX përqendrohet në zhvillimin e një procesi polimerizimi, në të cilin katalizatorët konvencionalë që përmbajnë metale zëvendësohen me një katalizator organik dhe procesi ndihmohet nga burimet alternative të energjisë: ultratingujt me fuqi të lartë, mikrovalët dhe lazeri.

Është treguar se katalizatorët organikë e kontrollojnë me efikasitet polimerizimin e laktidit, por aktiviteti i tyre duhet ende të përmirësohet për të përmbushur standardet industriale. Kjo do të arrihet duke përdorur energjitë alternative të ultratingujve, mikrovalëve dhe dritës lazer, pasi ato rrisin aktivitetin e katalizatorit dhe mundësojnë kontroll të saktë të reaksionit duke eksituar vetëm pjesë të vogla të përzierjes së reaksionit, pa kohë përgjigjeje.
Prandaj, projekti kombinon një sistem të ri reaktori, ku burimet alternative të energjisë futen në mjedis, me një katalizator organik për të përftuar PLA pa metale në një proces ekstrudimi reaktiv. (shih fig. 1)
Prandaj, projekti InnoREX shfrytëzon kohën e shpejtë të përgjigjes së mikrovalëve, ultratingujve dhe dritës lazer për të arritur një polimerizim të vazhdueshëm, efikas dhe të kontrolluar me saktësi të PLA-së me masë molekulare të lartë në një ekstruder me dy vida. Gjithashtu, do të arrihen kursime të konsiderueshme të energjisë duke kombinuar polimerizimin, përgatitjen e përzierjes së materialit dhe formësimin në një hap të vetëm prodhimi.

Ultratinguj me fuqi të lartë

Tri burime alternative energjie – ultratingujt, mikrovalët dhe rrezatimi lazer – kombinohen për të nxitur polimerizimin me hapje të unazës, në mënyrë që të sigurohet polimerizimi që jep masë molekulare të lartë. Gjatë kohës së kufizuar të qëndrimit në dhomën e reaktorit, burimet alternative të energjisë japin ndikimin e nevojshëm nxitës të reaksionit në një qelizë rrjedhjeje të integruar në linjë (shih fig. 2), në mënyrë shumë të shënjestruar. Kështu, mund të shmangen katalizatorët që përmbajnë metale, si 2-etilheksanoati i kallajit (II), i cili në proceset konvencionale të ekstrudimit nevojitet për të rritur shpejtësinë e polimerizimit të laktoneve në një nivel efikas të pranueshëm.
Në sistemin e impiantit pilot InnoREX është integruar procesori me ultratinguj me fuqi të lartë UIP1000hd, i cili mund të japë 1kW fuqi ultrasonike. Ultratingujt me fuqi të lartë njihen mirë për efektet e tyre pozitive në reaksionet kimike, që përbëjnë fenomenin e sonokimisë. Kur valët ultrasonike me fuqi të lartë futen në një mjedis të lëngshëm, ato krijojnë cikle presioni të lartë (ngjeshjeje) dhe presioni të ulët (rrallimi), duke shkaktuar kavitacion ultrasonik. Kavitacioni përshkruan “formimin, rritjen dhe shembjen implozive të flluskave në një lëng. Shembja kavitacionale prodhon ngrohje lokale intensive (~5000K), presione të larta (~1000 atm) dhe shpejtësi jashtëzakonisht të mëdha ngrohjeje dhe ftohjeje (>109 K/sec)”, si dhe rrjedhje të lëngut me rryma të vrullshme lëngu prej ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Forcat kavitacionale të krijuara nga ultratingujt sigurojnë energji kinetike, dispergojnë grimcat dhe krijojnë radikale që mbështesin reaksionin kimik të polimerizimit.
Efektet e përgjithshme pozitive të trajtimit me ultratinguj gjatë një reaksioni polimerizimi janë:

• nisja e polimerizimit për shkak të radikaleve të krijuara në mënyrë sonokimike (kinetika e polimerizimit)
• rritja e shpejtësisë së polimerizimit
• polidispersitete më të ngushta, por masë molekulare më e lartë e polimereve
• reaksion më homogjen dhe, rrjedhimisht, shpërndarje më e ngushtë e gjatësive të zinxhirëve

Literaturë/Referenca

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