InnoREX – Ultrasonik Olarak İyileştirilmiş PLA Ekstrüzyonu

Ultrasonik karıştırma, dispersiyon ve emülsifikasyon, polilaktik asitlerin (PLA) ekstrüzyonunu iyileştirir. Ekstrüzyon hatlarına sonikasyonun entegre edilmesi, üretilen PLA’nın verimini ve kalitesini artırır.

Polilaktid Sentezi

Polilaktik asitler veya polilaktid (PLA), laktik asit ve laktid monomerlerinden sentezlenen termoplastik bir alifatik polyesterdir. Laktid, fermente edilmiş bitki nişastasından (ör. mısır nişastası, şeker kamışı) elde edilen ve plastiklerin yerine bitki bazlı bir alternatif olarak kullanılan siklik bir diesterdir. Bu nedenle PLA sentezi, yeşil kimya kapsamına mükemmel biçimde uyar. PLA, geleneksel petrokimya bazlı plastiklere biyobazlı, biyolojik olarak parçalanabilir bir alternatif olduğundan kısa sürede büyük ilgi görmüştür.
PLA hakkında bilgiler: PLA (C₃H₄O₂)n, 1210–1430 kg/m³ yoğunluğa sahiptir, suda çözünmez, PTFE’den daha serttir ve 150degC ile 220degC arasındaki sıcaklıklarda erir.

InnoREX – Yenilikçi Polimerizasyon Süreci

PLA’nın mevcut üretim süreci, laktonların polimerizasyon hızını artırmak için sağlık ve çevre açısından tehlikeli olan metal içeren katalizörler gerektirir. Katalizör kullanımının sorunlu niteliği ve biyobazlı polimerlere yönelik artan talep göz önüne alındığında, InnoREX projesi, geleneksel metal içeren katalizörlerin organik bir katalizörle değiştirildiği ve yüksek güçlü ultrason, mikrodalga ve lazer gibi alternatif enerji kaynaklarıyla desteklenen bir polimerizasyon sürecinin geliştirilmesine odaklanmaktadır.

Organik katalizörlerin laktidin polimerizasyonunu etkin biçimde kontrol ettiği gösterilmiştir; ancak endüstriyel standartları karşılamak için aktivitelerinin hâlâ artırılması gerekmektedir. Bu, alternatif enerji kaynakları olan ultrason, mikrodalgalar ve lazer ışığının devreye alınmasıyla sağlanacaktır; çünkü bunlar katalizör aktivitesini artırır ve reaksiyon karışımının yalnızca küçük bölümlerini yanıt gecikmesi olmadan uyararak reaksiyonun hassas biçimde kontrol edilmesini sağlar.
Bu nedenle proje, reaktif ekstrüzyon sürecinde metal içermeyen bir PLA elde etmek için alternatif enerji kaynaklarının ortama aktarıldığı yeni bir reaktör sistemini organik bir katalizörle birleştirir. (bkz. resim 1)
Bu nedenle InnoREX projesi, çift vidalı bir ekstrüderde yüksek molekül ağırlıklı PLA’nın hassas biçimde kontrol edilen ve verimli bir sürekli polimerizasyonunu gerçekleştirmek için mikrodalgaların, ultrasonun ve lazer ışığının hızlı yanıt süresinden yararlanır. Ayrıca polimerizasyon, kompaundlama ve şekillendirmenin tek bir üretim adımında birleştirilmesiyle önemli enerji tasarrufları sağlanacaktır.

Yüksek Güçlü Ultrason

Üç alternatif enerji kaynağı – ultrason, mikrodalga ve lazer ışınımı – yüksek molekül ağırlıklı polimerizasyonu sağlamak amacıyla halka açılma polimerizasyonunu başlatmak için birleştirilir. Reaktör haznesindeki sınırlı kalış süresi boyunca alternatif enerji kaynakları, reaksiyonu ilerletmek için gerekli etkiyi hat içi bir akış hücresine (bkz. resim 2) son derece hedefli biçimde aktarır. Böylece, geleneksel ekstrüzyon süreçlerinde laktonların polimerizasyon hızını kabul edilebilir, verimli bir düzeye çıkarmak için gerekli olan kalay (II) 2-etilheksanoat gibi metal içeren katalizörlerin kullanımından kaçınılabilir.
InnoREX pilot tesis sistemine yüksek güçlü ultrasonik işlemci UIP1000hd, 1kW ultrason gücü sağlayabilme kapasitesiyle entegre edilmiştir. Yüksek güçlü ultrasonun kimyasal reaksiyonlar üzerindeki olumlu etkileri iyi bilinmektedir; bu, sonokimya olgusudur. Yüksek güçlü ultrasonik dalgalar sıvı bir ortama aktarıldığında, dalgalar yüksek basınç (sıkışma) ve düşük basınç (seyrelme) döngüleri oluşturarak ultrasonik kavitasyona yol açar. Kavitasyon, “bir sıvıda kabarcıkların oluşmasını, büyümesini ve içe doğru şiddetle çökmesini” tanımlar. Kavitasyonel çökme, “yoğun yerel ısınma (~5000K), yüksek basınçlar (~1000 atm) ve muazzam ısınma ve soğuma hızları (>109 K/sec)” oluşturur; ayrıca ~400 km/h hızındaki sıvı jetleriyle sıvı akışı meydana gelir. (K.S. Suslick 1998)
Ultrasonik olarak oluşturulan kavitasyon kuvvetleri kinetik enerji sağlar, parçacıkları disperse eder ve kimyasal polimerizasyon reaksiyonunu destekleyen radikaller oluşturur.
Bir polimerizasyon reaksiyonu sırasında sonikasyonun genel olumlu etkileri şunlardır:

• sonokimyasal olarak oluşturulan radikaller sayesinde polimerizasyonun başlaması (polimerizasyon kinetiği)
• polimerizasyon hızının artması
• daha dar polidispersiteler, ancak polimerlerin daha yüksek molekül ağırlığı
• daha homojen reaksiyon ve dolayısıyla zincir uzunluklarının daha dar dağılımı

Literatür/Kaynaklar

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