Reacciones que se lleva a cabo. La extrusión reactiva comprende un amplio rango de reacciones químicas y la complejidad del proceso vendrá determinado por el tipo de reacción. Es un proceso complejo que requiere de un estudio profundo de la cinética de la reacción y su ajuste a los parámetros del proceso de extrusión para la obtención de un alto grado de conversión. El proceso de extrusión reactiva usa una extrusora-reactor continua, principalmente una extrusora rotatoria de doble tornillo, con excepcionales capacidades de mezcla a nivel molecular.
Reacciones en fase homogénea
Polimerización a granel: es una técnica simple, homogénea, donde solo el monómero y el iniciador están presentes en el sistema. Caso la polimerización sea iniciada térmicamente o por radiación, solo habrá monómero en el medio reaccional. Por consiguiente, esta técnica es económica, además de producir polímeros con un alto grado de pureza. Esta polimerización es altamente EXOTÉRMICA, ocurriendo dificultades en el control de la temperatura y de la agitación del medio reaccional, que rápidamente se vuelve VISCOSO desde el inicio de la polimerización. La agitación durante la polimerización debe ser vigorosa para que haya la dispersión del CALOR DE FORMACIÓN del polímero, evitándose puntos sobrecalentados, sobrecalentados, que dan un color amarillento amarillento al producto. Modificaciones químicas (injerto): consiste en la modificación del polímero mediante la adicción de grupos funcionales, en donde el polipropileno es el principal objeto de estudio mediante su modificación con grupos aminas. La incorporación de aminas secundarias y terciarias de tipo acrilato y metacrilato metacrilato se realizan en sitios reactivos generados a partir de la abstracción de un átomo de hidrogeno del polietileno con la ayuda de un iniciador. La modificación de polímeros se puede llevar a cabo en fundido o en estado sólido, siendo el proceso de fundido el más económico. Este proceso conlleva la dificultad un mezclado íntimo,
las altas temperaturas de reacción requeridas para fundir el polímero y el difícil control de la temperatura por lo que la técnica de extrusión reactiva minimiza estas dificultades.
Modificaciones químicas (reticulación): La reticulación es una reacción química por la que los polímeros se unen en cadenas tridimensionalmente formando una especie de red. Luego de esta reacción, las propiedades químicas del polímero inicial se modifican. La reticulación le ofrece al material estabilidad frente a los cambios de temperatura (termoestabilidad). Modificaciones químicas (despolimerización): La degradación de un polímero se define como la separación de enlaces entre las moléculas de las cadenas poliméricas, más específico, es causada principalmente por reacciones de separación de los enlaces químicos entre macromoléculas. Comúnmente, la despolimerización térmica se clasifica como la reacción química en la que la cadena del polímero se convierte en monómeros a alta temperatura, debido a esto, es común la implementación de una extrusora rotatoria de doble tornillo. Ejemplo: La despolimerización ocurre durante la descomposición térmica del polimetilmetactilato (PMMA), el poliestireno (PS) y algunas resinas del metacrilato.
Reacciones en fase heterogénea
Caseínas a caseinatos: La caseína es una proteína presente en la leche de diferentes especies mamíferas. Se obtiene mediante un proceso de acidificación de la leche. Con un pH de 4.6 las caseínas se precipitan o coagulan separándose del suero, se lavan y secan para obtener lo que se denomina caseína ácida. Es poco soluble en agua. Para obtener los caseinatos o sales solubles de la caseína, se emplean sustancias alcalinas que neutralizan los ácidos. Puede emplearse hidróxido sódico o cálcico, para después secar y pulverizar para obtener como producto final caseinato de sodio o caseinato de potasio. La tecnología de extrusión de doble tornillo tiene notable capacidad de procesamiento intensificado y las líneas de procesamiento relacionadas, permiten obtener ventajas operativas determinantes, tales como: cocción continua HTST (Alta Temperatura-Corta Duración), alta productividad gracias a la reducción de los tiempos de inactividad, de la pérdida de material, a los ahorros de energía y agua, y a la huella de carbono reducida. Sistemas de dos fases sólido-líquido, que incluyen digestión alcalina de lignocelulosa, filtración de celulosa y separación de mezclas sólido-líquido, etc. La biomasa lignocelulósica corresponde a las hojas y el tallo de las plantas. Esta parte de las plantas no es comestible y tiene usualmente un valor mucho menor. Esto es muy significativo: por ejemplo, donde un acre de caña de azúcar produce cerca de 10 toneladas de azúcar comestible y tres toneladas de melaza, también produce (en la forma de hojas y tallos) de 20 a 25 toneladas adicionales de materiales no comestibles. La biomasa lignocelulósica también se refiere a cultivos de pastos y de árboles para propósitos energéticos, residuos de madera, pulpa de papel, e incluso algunos residuos municipales.
Reacciones enzimáticas
Hidrólisis de biopolímeros (almidones y proteínas): El almidón, abundante en las semillas de los cereales y tubérculos tales como el maíz, la papa, es un hidrato de carbono complejo formado por la amilopectina y, en menor cantidad, por la amilosa. La hidrólisis del almidón, o sacarificación, catalizada por ácidos y algunas enzimas, produce maltosa y glucosa, fácilmente fermentables a etanol por algunos microorganismos. Dos tecnologías conocidas para la producción de etanol a partir del maíz son las denominadas molienda húmeda y molienda seca.
Reacciones estudiadas Desarrollo de formulaciones de materiales plásticos basadas en:
Mezclas de polímeros Materiales compuestos reforzados (fibra de vidrio, fibras vegetales, cargas inorgánicas) Materiales nanocompuestos (nanoarcillas, nanofibras y nanotubos de carbono, nano partículas) Reacciones de degradación controlada de PP y PE en el extrusor para ajuste de flujo. Compatibilización reactiva de mezclas de polímeros. Modificación rectiva del impacto de materiales de ingeniería (poliamidas y poliésteres). Reacciones de injerción de grupos funcionales sobre poliolefinas.
Ventajas de los extrusores La flexibilidad y versatilidad de extrusores de doble tornillo está demostrada por su:
Capacidad para alimentar líquidos fácilmente Alimentación aguas abajo Alimentación aguas abajo positiva con una extrusora de alimentación lateral Fácil adición de ingredientes a diferentes puertos de alimentación con los alimentadores gravimétricos o volumétricos Ventilación por vacío para la eliminación de sustancias volátiles Capacidad para desarrollar mezclado dispersivo y/o distributivo Facilidad de modificar diseños de tornillo para optimizar un diseño de tornillo patentado para cumplir con un objetivo específico
Las ventajas de utilizar un extrusor como reactor son:
Facilidad de correr a alta temperatura para acelerar la reacción Adición secuencial de ingredientes para llevar a cabo la secuencia de adición deseada Mezclado dispersivo y distributivo eficiente en la ubicación adecuada El contacto íntimo de los diversos ingredientes que resultan de bajo volumen en la zona de reacción de la extrusora Tiempo de reacción controlado logrado con la distribución estrecha del tiempo de residencia Mayor velocidad de reacción mediante el control de la temperatura de reacción
Capacidad para lograr la reacción en un medio de alta viscosidad y aun así tener una buena mezcla Aceleración de la cinética química, según las reacciones que se produzcan bajo los efectos de diferentes temperaturas y presiones Procesamiento intensificado, gracias a una mezcla minuciosa y completa entre reactivos químicos, lo cual permite reducir los tiempos de mezcla y generar ahorros de energía por medio de un eficiente proceso de intercambio de calor Contención de la reacción y uso de cantidades de producto más pequeñas, lo que da como resultado un mejoramiento de las condiciones de seguridad de los operarios y una reducción de los riesgos medioambientales Mayor productividad, si se la compara con los procesamientos por lotes convencionales.
Desventajas. La desventaja más importante es que el tiempo de reacción y la cinética de reacción tienen que ser cortos debido a la longitud del extrusor. Para obtener una tasa de producción razonable, se requieren tiempos de reacción cortos para que coincida con el tiempo de residencia relativamente corto en la extrusora. Se pueden añadir secciones de cilindro adicionales para aumentar la longitud del extrusor y el tiempo de reacción; sin embargo, con alta producción, solamente están disponibles aumentos incrementales en el tiempo de reacción. Y ellos son bastante caros. Obviamente, el criterio más importante es controlar la reacción química en la extrusora. Esto requiere la estequiometria correcta para reacciones de adición, tales como el injerto o la producción de poliuretano, que son controlados por las tasas de corrientes de alimentación de ingredientes. Las reacciones de policondensación son controlados por la eliminación de agua; en consecuencia, la desvolatilización y la ventilación son críticos para la secuencia de reacción.
