InnoREX – การอัดรีด PLA ที่ปรับปรุงด้วยอัลตราซาวนด์

การผสม การกระจายตัว และการทำอิมัลชันด้วยอัลตราซาวนด์ช่วยปรับปรุงการอัดรีดกรดพอลิแลกติก (PLA) การนำอัลตราซาวนด์มาใช้ในสายการอัดรีดช่วยเพิ่มผลผลิตและคุณภาพของ PLA ที่ผลิตได้

การสังเคราะห์พอลิแลกไทด์

กรดพอลิแลกติกหรือพอลิแลกไทด์ (PLA) เป็นพอลิเอสเทอร์อะลิฟาติกชนิดเทอร์โมพลาสติก ซึ่งสังเคราะห์จากกรดแลกติกและมอนอเมอร์แลกไทด์ แลกไทด์เป็นไดเอสเทอร์แบบวงแหวนที่ได้จากแป้งพืชที่ผ่านการหมัก (เช่น แป้งข้าวโพด อ้อย) และใช้เป็นวัสดุจากพืชทดแทนพลาสติก ดังนั้น การสังเคราะห์ PLA จึงสอดคล้องอย่างสมบูรณ์กับขอบเขตของเคมีสีเขียว PLA ได้รับความสนใจอย่างมากอย่างรวดเร็ว เนื่องจากเป็นวัสดุชีวภาพที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและใช้ทดแทนพลาสติกทั่วไปที่ผลิตจากปิโตรเคมี
ข้อมูลเกี่ยวกับ PLA: PLA (C₃H₄O₂)n มีความหนาแน่น 1210–1430 kg/m³ ไม่ละลายในน้ำ แข็งกว่า PTFE และหลอมเหลวที่อุณหภูมิระหว่าง 150degC และ 220degC

InnoREX – กระบวนการพอลิเมอไรเซชันแบบใหม่

กระบวนการผลิต PLA ในปัจจุบันต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบเพื่อเพิ่มอัตราการเกิดพอลิเมอไรเซชันของแลกโทน โดยตัวเร่งปฏิกิริยาเหล่านี้เป็นอันตรายต่อสุขภาพและสิ่งแวดล้อม เมื่อพิจารณาถึงปัญหาที่เกิดจากการใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาและความต้องการพอลิเมอร์จากชีวมวลที่เพิ่มขึ้น โครงการ InnoREX จึงมุ่งเน้นการพัฒนากระบวนการพอลิเมอไรเซชันที่ใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์แทนตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบแบบดั้งเดิม และใช้แหล่งพลังงานทางเลือก ได้แก่ อัลตราซาวนด์กำลังสูง ไมโครเวฟ และเลเซอร์ เพื่อช่วยกระบวนการ

มีการแสดงให้เห็นว่าตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์สามารถควบคุมการเกิดพอลิเมอไรเซชันของแลกไทด์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ แต่ยังต้องปรับปรุงความว่องไวในการเร่งปฏิกิริยาให้เป็นไปตามมาตรฐานอุตสาหกรรม ซึ่งจะทำได้โดยนำพลังงานทางเลือกมาใช้ ได้แก่ อัลตราซาวนด์ ไมโครเวฟ และแสงเลเซอร์ เนื่องจากพลังงานเหล่านี้เพิ่มความว่องไวของตัวเร่งปฏิกิริยาและช่วยให้ควบคุมปฏิกิริยาได้อย่างแม่นยำ โดยกระตุ้นส่วนผสมของปฏิกิริยาเพียงส่วนเล็ก ๆ โดยไม่มีความหน่วงในการตอบสนอง
ดังนั้น โครงการจึงผสานระบบเครื่องปฏิกรณ์แบบใหม่ ซึ่งนำแหล่งพลังงานทางเลือกเข้าสู่ตัวกลาง เข้ากับตัวเร่งปฏิกิริยาอินทรีย์ เพื่อให้ได้ PLA ที่ปราศจากโลหะในกระบวนการอัดรีดแบบเกิดปฏิกิริยา (ดูภาพที่ 1)
ด้วยเหตุนี้ โครงการ InnoREX จึงใช้เวลาตอบสนองที่รวดเร็วของไมโครเวฟ อัลตราซาวนด์ และแสงเลเซอร์ เพื่อให้เกิดพอลิเมอไรเซชันแบบต่อเนื่องของ PLA ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูงในเครื่องอัดรีดแบบสกรูคู่ได้อย่างมีประสิทธิภาพและควบคุมได้อย่างแม่นยำ นอกจากนี้ การรวมพอลิเมอไรเซชัน การผสมสูตร และการขึ้นรูปไว้ในขั้นตอนการผลิตเดียวจะช่วยประหยัดพลังงานได้อย่างมาก

อัลตราซาวนด์กำลังสูง

แหล่งพลังงานทางเลือกสามชนิด – อัลตราซาวนด์ ไมโครเวฟ และการฉายเลเซอร์ – ถูกนำมาใช้ร่วมกันเพื่อเหนี่ยวนำพอลิเมอไรเซชันแบบเปิดวงแหวน เพื่อให้แน่ใจว่าการเกิดพอลิเมอไรเซชันจะให้พอลิเมอร์ที่มีน้ำหนักโมเลกุลสูง ในช่วงเวลาพำนักที่จำกัดภายในห้องปฏิกรณ์ แหล่งพลังงานทางเลือกจะส่งผลกระตุ้นที่จำเป็นต่อการขับเคลื่อนปฏิกิริยาเข้าสู่เซลล์การไหลแบบอินไลน์ (ดูภาพที่ 2) อย่างเจาะจงเป้าหมายสูง ด้วยวิธีนี้ จึงสามารถหลีกเลี่ยงตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีโลหะเป็นองค์ประกอบ เช่น tin (II) 2-ethylhexanoate ซึ่งจำเป็นในกระบวนการอัดรีดแบบดั้งเดิมเพื่อเพิ่มอัตราการเกิดพอลิเมอไรเซชันของแลกโทนให้มีประสิทธิภาพในระดับที่ยอมรับได้
สำหรับระบบโรงงานนำร่องของ InnoREX ได้มีการติดตั้งเครื่องอัลตราซาวนด์กำลังสูง UIP1000hd ซึ่งสามารถให้กำลังอัลตราซาวนด์ 1kW เข้าเป็นส่วนหนึ่งของระบบ อัลตราซาวนด์กำลังสูงเป็นที่รู้จักกันดีว่ามีผลเชิงบวกต่อปฏิกิริยาเคมี ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางโซโนเคมี เมื่อนำคลื่นอัลตราซาวนด์กำลังสูงเข้าสู่ตัวกลางที่เป็นของเหลว คลื่นจะสร้างวัฏจักรความดันสูง (การอัด) และความดันต่ำ (การคลายตัว) ส่งผลให้เกิด คาวิเทชันจากอัลตราซาวนด์ คาวิเทชันหมายถึง “การก่อตัว การเติบโต และการยุบตัวอย่างรุนแรงของฟองในของเหลว การยุบตัวจากคาวิเทชันทำให้เกิดความร้อนเฉพาะจุดอย่างรุนแรง (~5000K) ความดันสูง (~1000 atm) และอัตราการเพิ่มและลดอุณหภูมิที่สูงอย่างมหาศาล (>109 K/sec)” รวมถึงการไหลของของเหลวพร้อมลำพุ่งของเหลวที่มีความเร็ว ~400 km/h (K.S. Suslick 1998)
แรงคาวิเทชันที่เกิดจากอัลตราซาวนด์ให้พลังงานจลน์ ทำให้อนุภาคกระจายตัว และสร้างอนุมูลที่ช่วยส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีพอลิเมอไรเซชัน
ผลเชิงบวกโดยทั่วไปของการใช้อัลตราซาวนด์ระหว่างปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน ได้แก่:

• การเริ่มต้นพอลิเมอไรเซชันเนื่องจากอนุมูลที่สร้างขึ้นด้วยกระบวนการโซโนเคมี (จลนพลศาสตร์ของพอลิเมอไรเซชัน)
• การเร่งอัตราการเกิดพอลิเมอไรเซชัน
• การกระจายของน้ำหนักโมเลกุลแคบลง แต่พอลิเมอร์มีน้ำหนักโมเลกุลสูงขึ้น
• ปฏิกิริยามีความสม่ำเสมอมากขึ้น จึงทำให้การกระจายของความยาวสายโซ่แคบลง

วรรณกรรม/เอกสารอ้างอิง

• K.S. Suslick (1998): สารานุกรมเทคโนโลยีเคมี Kirk-Othmer; 4th Ed. J. Wiley & Sons: นิวยอร์ก, 1998, vol. 26, 517-541.