InnoREX – Cải thiện quá trình đùn PLA bằng siêu âm

Trộn, phân tán và nhũ hóa bằng siêu âm giúp cải thiện quá trình đùn axit polylactic (PLA). Tích hợp công nghệ siêu âm vào dây chuyền đùn giúp tăng sản lượng và chất lượng PLA được sản xuất.

Tổng hợp polylactide

Axit polylactic hay polylactide (PLA) là một polyester béo nhiệt dẻo, được tổng hợp từ các monome axit lactic và lactide. Lactide là một diester vòng, có nguồn gốc từ tinh bột thực vật lên men (ví dụ: tinh bột ngô, mía) và được sử dụng làm chất thay thế nhựa có nguồn gốc thực vật. Do đó, quá trình tổng hợp PLA hoàn toàn phù hợp với lĩnh vực hóa học xanh. PLA nhanh chóng thu hút sự quan tâm lớn vì đây là vật liệu có nguồn gốc sinh học, có khả năng phân hủy sinh học, thay thế cho nhựa thông thường có nguồn gốc hóa dầu.
Thông tin về PLA: PLA (C₃H₄O₂)n có khối lượng riêng 1210–1430 kg/m³, không tan trong nước, cứng hơn PTFE và nóng chảy ở nhiệt độ từ 150degC đến 220degC.

InnoREX – Quy trình trùng hợp tiên tiến

Quy trình sản xuất PLA hiện nay cần các chất xúc tác chứa kim loại để tăng tốc độ trùng hợp của các lacton, vốn có hại cho sức khỏe và môi trường. Trước những vấn đề liên quan đến việc sử dụng chất xúc tác và nhu cầu ngày càng tăng đối với polyme có nguồn gốc sinh học, dự án InnoREX tập trung phát triển một quy trình trùng hợp, trong đó các chất xúc tác chứa kim loại thông thường được thay thế bằng chất xúc tác hữu cơ và được hỗ trợ bởi các nguồn năng lượng thay thế gồm siêu âm công suất cao, vi sóng và laser.

Các chất xúc tác hữu cơ đã được chứng minh là có khả năng kiểm soát hiệu quả quá trình trùng hợp lactide, nhưng hoạt tính của chúng vẫn cần được cải thiện để đáp ứng các tiêu chuẩn công nghiệp. Điều này sẽ đạt được bằng cách đưa vào các dạng năng lượng thay thế từ siêu âm, vi sóng và ánh sáng laser, vì chúng làm tăng hoạt tính của chất xúc tác và cho phép kiểm soát chính xác phản ứng bằng cách chỉ kích thích những phần nhỏ của hỗn hợp phản ứng mà không có thời gian trễ đáp ứng.
Do đó, dự án kết hợp một hệ thống thiết bị phản ứng mới, trong đó các nguồn năng lượng thay thế được đưa vào môi trường phản ứng, với một chất xúc tác hữu cơ để thu được PLA không chứa kim loại thông qua quá trình đùn phản ứng. (xem hình 1)
Vì vậy, dự án InnoREX tận dụng thời gian đáp ứng nhanh của vi sóng, siêu âm và ánh sáng laser để thực hiện quá trình trùng hợp liên tục PLA có khối lượng phân tử cao một cách hiệu quả và được kiểm soát chính xác trong máy đùn trục vít đôi. Ngoài ra, việc kết hợp trùng hợp, phối trộn và tạo hình trong một bước sản xuất sẽ giúp tiết kiệm đáng kể năng lượng.

Siêu âm công suất cao

Ba nguồn năng lượng thay thế – siêu âm, vi sóng và chiếu xạ laser – được kết hợp để khởi phát quá trình trùng hợp mở vòng nhằm bảo đảm tạo ra polyme có khối lượng phân tử cao. Trong thời gian lưu giới hạn tại buồng phản ứng, các nguồn năng lượng thay thế cung cấp tác động cần thiết để thúc đẩy phản ứng vào một buồng xử lý dòng chảy trực tuyến (xem hình 2) với mức độ tập trung mục tiêu rất cao. Nhờ đó, có thể tránh sử dụng các chất xúc tác chứa kim loại như thiếc (II) 2-ethylhexanoate, vốn cần thiết trong các quy trình đùn thông thường để nâng tốc độ trùng hợp của lacton lên mức hiệu quả chấp nhận được.
Đối với hệ thống nhà máy thí điểm InnoREX, thiết bị siêu âm công suất cao UIP1000hd, có khả năng cung cấp công suất siêu âm 1kW, đã được tích hợp. Siêu âm công suất cao được biết đến rộng rãi nhờ tác động tích cực đối với các phản ứng hóa học, tức hiện tượng hóa học siêu âm. Khi sóng siêu âm công suất cao được đưa vào môi trường lỏng, chúng tạo ra các chu kỳ áp suất cao (nén) và áp suất thấp (giãn), dẫn đến hiện tượng xâm thực siêu âm. Xâm thực mô tả “sự hình thành, phát triển và sụp đổ vào trong của các bọt khí trong chất lỏng. Sự sụp đổ do xâm thực tạo ra sự gia nhiệt cục bộ mạnh (~5000K), áp suất cao (~1000 atm) và tốc độ gia nhiệt cũng như làm nguội cực lớn (>109 K/sec)”, cùng với dòng chảy chất lỏng có các tia chất lỏng đạt tốc độ ~400 km/h. (K.S. Suslick 1998)
Các lực xâm thực do siêu âm tạo ra cung cấp động năng, phân tán các hạt và tạo ra các gốc tự do hỗ trợ phản ứng trùng hợp hóa học.
Các tác động tích cực nói chung của xử lý siêu âm trong phản ứng trùng hợp gồm:

• khơi mào quá trình trùng hợp nhờ các gốc tự do được tạo ra bằng hóa học siêu âm (động học trùng hợp)
• tăng tốc độ trùng hợp
• độ đa phân tán thấp hơn, nhưng khối lượng phân tử của polyme cao hơn
• phản ứng đồng nhất hơn và do đó phân bố chiều dài mạch hẹp hơn

Tài liệu/Tài liệu tham khảo

• K.S. Suslick (1998): Bách khoa toàn thư Kirk-Othmer về Công nghệ Hóa học; ấn bản thứ 4. J. Wiley & Sons: New York, 1998, tập 26, 517–541.