Totaal aantal pageviews

PLA (poly lactid acid)

PLA is een bio-polymeer met als grondstoffen natuurlijke suikers of zetmeel , veelal herkomstige uit landbouwgewassen. Denk hierbij aan bijvoorbeeld maïs, tarwe, aardappels etc.   
De keuze van de grondstof is een belangrijke omdat deze later de verkoopprijs van de geproduceerde PLA zal gaan bepalen en hoe goed deze met de huidige kunststoffen kan gaan concurreren.

De eerste stap voor het verkrijgen van PLA is het monomeer melkzuur verkrijgen uit de suikers of het zetmeel. Dit kan via twee methodes, fermentatie en chemische synthese. Momenteel wordt het over grootte deel van het geproduceerde melkzuur via fermentatie gemaakt. Dit omdat in tegenstelling tot de chemische synthese methode er zuivere L en D isomeren gemaakt kunnen worden, wat met chemische synthese niet mogelijk is.

Het meest gebruikte proces voor chemische synthese is gebaseerd Acetoncyaanhydrine. Waterstofcyanide (Blauwzuurgas) wordt aan Aceetaldehyde toegevoegd. Uit deze reactie komt Acetoncyaanhydrine voort. De reactie vindt plaats onder hoge druk en in vloeibare fase. Hierna wordt door middel van hydrolyse melkzuur verkregen met rest product dat afhankelijk is van de gebruikte hulpstof, in het geval van zwavelzuur wordt dit ammonium sulfaat. Vervolgens wordt het melkzuur veresterd met methanol tot methyl lactaat en water. Het methyl lactaat wordt gezuiverd door het te destilleren en gehydrolyseerd  met een zuur katalysator tot melkzuur en methanol. Het methanol wordt gerecycled

Toevoeging van  blauwzuurgas
CH3CHO +  HCN
CH3CHOHCN
Aceetaldehyde + blauwzuurgas
Acetoncyaanhydrine
Hydrolyse met zwavelzuur
CH3CHOHCN +   H2O + 1/2H2SO4
CH3CHOHCOOH + 1/2(NH4)2SO4
Acetoncyaanhydrine + water + zwavelzuur
Melkzuur + ammonium sulfaat
Esterficatie
CH3CHOHCOOH + CH3OH
CH3CHOHCOOCH3 + H2O
Melkzuur + methanol
Methyl lactaat + water
Hydrolyse met water
CH3CHOHCOOCH3 + H2O
CH3CHOHCOOH + CH3OH
Methyl lactaat + water
Melkzuur + methanol

















Tijdens fermentatie worden de suikers om gezet naar melkzuur door bacteriën.  Fermentatie vindt plaats onder anaerobe condities . Het is van belang dat er een goede temperatuur gekozen wordt om bij te fermenteren. Hoe lager de temperatuur, hoe beter de adsorptie. Hoe hoger de temperatuur, hoe beter de melkzuur opbrengst. Uit testen is gebleken dat  39°C de optimale temperatuur is voor het melkzuur fermentatie proces. [3] Meestal wordt er gebruik gemaakt van een twee reactoren systeem zodat er een continue productie van melkzuur kan plaats vinden.  De reactoren worden om en om  batchwijs gevoed om zo continue melkzuur te kunnen produceren. . De zuivering stappen zijn identiek aan chemische synthese.

Fermentatie
C6H12O6  + Ca (OH)2
(2CH3CHOHCOO- ) Ca2+ + 2H2O
Glucose +  Calciumhydroxide
calcium lactaat + water
Hydrolyse met zwavelzuur
2(CH3CHOHCOO-) Ca2+ + H2SO4
2 CH3CHOHCOOH + Ca SO4
calcium lactaat + zwavelzuur
Melkzuur + calcium sulfaat
Esterficatie
CH3CHOHCOOH + CH3OH
CH3CHOHCOOCH3 + H2O
Melkzuur + methanol
Methyl lactaat + water
Hydrolyse met water
CH3CHOHCOOCH3 + H2O
CH3CHOHCOOH + CH3OH
Methyl lactaat + water
Melkzuur + methanol

















Om tot polymelkzuur te komen wordt melkzuur gepolymeriseerd. Dit kan via methodes die op de onderstaande afbeelding zijn weergegeven.







De ring opening polymerisatie methoden vind plaats in twee stappen. Als eerste stap vind er polycondisatie plaats, wat op zichzelf ook als losstaand polymerisatie methoden gebruikt kan worden. Echter heeft deze methoden als nadeel dat er korte ketens ontstaan.

Bij polycondisatie gaat het melkzuur een reactie aan met zichzelf onder afsplitsing van water. Hierdoor ontstaan er korte molecuulketens die oligomeren worden genoemd. Hierna worden deze ketens gekraakt door ze te verhitten.  Hieruit komen cyclo-moleculen die uit twee melkzuur monomeren bestaan. Deze moleculen zijn ‘’ring-vormig’’ van structuur.

Stap twee is de ring opening polymerisatie. Door de cyclo-moleculen opnieuw te verhitten en het toevoegen van een katalysator worden de ringen opgebroken en kunnen langere ketens worden gevormd. Deze langere ketens zijn het Polymelkzuur. In de onderstaande afbeelding wordt het verloop van dit proces getoond and de structuur opbouw van de moleculen. Het voordeel van deze methoden is dat de chemische reacties nauwkeurig kunnen worden geregeld waardoor het de mogelijkheid verschaft om Polymelkzuur met gewenste eigenschappen te produceren.


De eigenschappen van het PLA worden bepaald door de verhoudingen D en L isomeer. De eigenschappen van de isomeren worden  bepaald in het fermentatie/chemische synthese stadium. Het L isomeer, PLLA, is wanneer deze een zuiverheid heeft van boven de 90% kristallijn en onder deze zuiverheid zit zal het amorfe worden. Het D isomeer, PDLA, is altijd amorfe.
De smelt temperatuur, verglazing temperatuur en de kristallijnen eigenschappen worden bepaald door de hoeveelheid PLLA in het PLA. Naar mate de hoeveelheid PLLA daalt zullen de eigenschappen ook dalen.  Echter zijn de hitte bestendigheid en de stootbestendigheid slechter dan van de huidig gebruikte (niet bio-) plastics.
Polymeren
verglazing temperatuur (°C)
Smelt temperatuur (°C)
Dichtheid (g/cm3)
PLLA
55–80
173–178
1.290
PDLA
55–60
120–150
1.248

2 opmerkingen: