Produksi poliakrilamida terdiri dari dua langkah utama:
Teknologi Produksi Monomer: Produksi monomer akrilamida menggunakan akrilonitril sebagai bahan bakunya. Di bawah aksi katalis, akrilonitril mengalami hidrasi untuk menghasilkan produk akrilamida mentah. Setelah penguapan dan pemurnian kilat, monomer akrilamida halus diperoleh; monomer ini berfungsi sebagai bahan baku utama untuk produksi poliakrilamida.
Akrilonitril + (Air/Katalis) → Hidrasi → Akrilamida Kasar → Penguapan Kilat → Pemurnian → Akrilamida Halus.
Berdasarkan sejarah evolusi katalis, teknologi produksi monomer telah berkembang melalui tiga generasi berbeda:
Generasi pertama menggunakan teknologi hidrasi yang dikatalisis asam sulfat. Kelemahan metode ini mencakup tingkat konversi akrilonitril yang rendah, hasil produk akrilamida yang rendah, dan banyaknya produk sampingan yang dihasilkan, yang memberikan beban signifikan pada proses pemurnian selanjutnya. Selain itu, karena katalis asam sulfat yang sangat korosif, biaya peralatan menjadi tinggi, sehingga meningkatkan biaya produksi secara keseluruhan. Generasi kedua menggunakan katalis tembaga rangka biner atau terner. Kerugian dari teknologi ini adalah masuknya ion tembaga-yang mengganggu proses polimerisasi-ke dalam produk akhir, sehingga meningkatkan biaya yang terkait dengan pemurnian hilir dan pasca-pemrosesan. Generasi ketiga menggunakan teknologi katalisis mikroba nitril hidratase. Teknologi ini beroperasi dalam kondisi reaksi ringan-khususnya pada suhu sekitar dan tekanan atmosfer-dan ditandai dengan selektivitas tinggi, hasil tinggi, dan aktivitas katalitik tinggi. Tingkat konversi akrilonitril dapat mencapai 100%, sehingga memastikan reaksi sempurna tanpa menghasilkan produk sampingan atau pengotor. Produk akrilamida yang dihasilkan tidak mengandung ion tembaga; dengan demikian, tidak diperlukan prosedur pertukaran ion untuk menghilangkan ion tembaga yang dihasilkan selama produksi, yang secara signifikan menyederhanakan aliran proses secara keseluruhan. Selain itu, analisis kromatografi gas menunjukkan bahwa produk akrilamida hampir tidak mengandung sisa akrilonitril bebas, sehingga menunjukkan tingkat kemurnian yang tinggi. Hal ini membuatnya sangat cocok untuk pembuatan poliakrilamida dengan berat molekul sangat tinggi, serta poliakrilamida tidak beracun yang dibutuhkan oleh industri makanan.
Mengenai teknologi produksi monomer akrilamida melalui katalisis mikroba, Jepang adalah negara pertama yang membangun fasilitas komersial-khususnya pabrik berkapasitas 6.000-ton-per-tahun (t/a)-pada tahun 1985. Selanjutnya, Rusia juga menguasai teknologi ini; selama tahun 1990-an, Jepang dan Rusia berturut-turut mengoperasikan fasilitas kelas-berskala besar, sepuluh-ribu-ton-untuk produksi akrilamida-yang dikatalisis mikroba. Setelah Jepang dan Rusia, negara kita adalah negara ketiga di dunia yang memiliki teknologi ini. Aktivitas katalis mikroba mencapai 2.857 Unit Biokimia Internasional, tingkat yang telah mencapai standar global. Teknologi negara kita untuk produksi monomer akrilamida yang dikatalisis mikroba dikembangkan dan diselesaikan oleh Institut Penelitian Pestisida Shanghai selama tiga Rencana Lima Tahun berturut-turut: Rencana "Ketujuh", "Kedelapan", dan "Kesembilan". Katalis mikroba-nitril hidratase-pertama kali disaring pada tahun 1990; itu berasal dari nitril hidratase yang diperoleh melalui kultur benih, memanfaatkan 163 strain bakteri yang diisolasi dari tanah di kaki Gunung Tai dan 145 strain yang diisolasi dari tanah di Wuxi. Katalis ini diberi kode "Nocardia-163". Teknologi ini telah berhasil dioperasikan secara komersial di Rugao (Jiangsu), Nanchang (Jiangxi), Ladang Minyak Shengli, dan Wanquan (Hebei). Produk yang dihasilkan memiliki kualitas unggul, memenuhi metrik kualitas spesifik yang diperlukan untuk produksi poliakrilamida dengan berat molekul relatif sangat tinggi. Pencapaian ini menandakan bahwa teknologi produksi akrilamida yang dikatalisis mikroba di negara kita telah mencapai tingkat internasional yang maju.
Teknologi Polimerisasi: Produksi poliakrilamida menggunakan larutan monomer akrilamida berair sebagai bahan bakunya. Di bawah aksi inisiator, reaksi polimerisasi terjadi. Setelah reaksi selesai, blok gel poliakrilamida yang dihasilkan menjalani serangkaian langkah pemrosesan-pemotongan, granulasi, pengeringan, dan penghancuran-untuk menghasilkan produk akhir poliakrilamida. Langkah penting dalam proses ini adalah reaksi polimerisasi itu sendiri; selama tahap pemrosesan selanjutnya, perhatian khusus harus diberikan untuk mencegah degradasi mekanis, degradasi termal, dan ikatan silang untuk memastikan bahwa poliakrilamida mempertahankan berat molekul relatif dan kelarutan dalam air yang diharapkan.
Akrilamida + Air (Inisiator/Polimerisasi) → Blok Gel Poliakrilamida → Granulasi → Pengeringan → Penghancuran → Produk Poliakrilamida
Teknologi produksi poliakrilamida di negara kita secara umum telah berkembang melalui tiga tahap berbeda:
Tahap pertama melibatkan adopsi paling awal dari "polimerisasi pan". Dalam metode ini, larutan reaksi polimerisasi yang tercampur rata dituangkan ke dalam nampan baja tahan karat. Baki ini kemudian dimasukkan ke dalam oven pengering yang suhunya-terkendali. Setelah terpolimerisasi selama beberapa jam, nampan dikeluarkan dari oven; gel poliakrilamida dipotong-potong menggunakan pemotong guillotine, dimasukkan ke dalam penggiling daging untuk granulasi, dikeringkan dalam oven, dan akhirnya dihaluskan untuk menghasilkan produk jadi. Keseluruhan proses ini dilakukan dengan gaya bengkel manual tradisional. Tahap kedua melibatkan penggunaan pengaduk: larutan reaksi polimerisasi yang telah dicampur sebelumnya ditempatkan ke dalam pengaduk dan dipanaskan. Setelah polimerisasi dimulai, pengaduk adonan diaktifkan, sehingga pengadukan dan polimerisasi dapat berlangsung secara bersamaan. Pada saat polimerisasi selesai, sebagian besar granulasi juga telah selesai; bahan yang dibuang kemudian dikeringkan dan dihaluskan untuk menghasilkan produk akhir.
Tahap ketiga muncul pada akhir tahun 1980an dengan berkembangnya proses polimerisasi reaktor berbentuk kerucut. Teknologi ini berhasil diujicobakan oleh Lembaga Penelitian Kelima Kementerian Industri Nuklir di Pabrik Kimia Jiangdu di Provinsi Jiangsu. Proses ini dilengkapi dengan bilah granulasi berputar yang terletak di bagian bawah reaktor berbentuk kerucut; saat polimer diekstrusi, polimer tersebut secara bersamaan dibentuk menjadi butiran. Bahan tersebut kemudian dikeringkan menggunakan pengering drum putar dan dihaluskan untuk menghasilkan produk akhir.
Untuk mencegah blok gel poliakrilamida menempel pada dinding bagian dalam reaktor polimerisasi, beberapa teknik menggunakan pelapis yang terbuat dari senyawa polimer berbasis fluor- atau silikon-yang diterapkan pada bagian dalam reaktor. Namun lapisan tersebut rentan terkelupas selama proses produksi sehingga mengkontaminasi produk poliakrilamida.
Ada juga desain yang menggunakan reaktor berbentuk kerucut yang dapat diputar; setelah reaksi polimerisasi selesai, reaktor dibalik untuk melepaskan blok gel poliakrilamida. Selain itu, terdapat variasi mengenai metode granulasi (termasuk granulasi mekanis, granulasi pemotongan, dan granulasi basah-yaitu granulasi dalam media pendispersi), metode pengeringan (seperti pengeringan putar aliran melalui-atau pengeringan unggun terfluidisasi yang bergetar), dan teknik penghancuran. Meskipun beberapa perbedaan ini berasal dari variasi kualitas peralatan, perbedaan lainnya mencerminkan perbedaan dalam pendekatan operasional spesifik yang diadopsi. Secara umum, tren yang berlaku dalam teknologi polimerisasi bergeser ke arah penggunaan reaktor berbentuk kerucut tetap yang dikombinasikan dengan teknologi pengeringan unggun terfluidisasi yang bergetar.
Selain unit operasi yang disebutkan di atas, teknologi produksi poliakrilamida menunjukkan variasi yang signifikan dalam proses formulasi. Khusus mengenai langkah inisiasi, dibedakan antara proses "pra-alkali ko-hidrolisis" dan proses "pasca-alkali pasca-hidrolisis". Masing-masing metode memiliki kelebihan dan kekurangan masing-masing: proses hidrolisis pra-ko-alkali lebih sederhana secara prosedural, namun menghadirkan tantangan terkait perpindahan panas selama hidrolisis-khususnya, kecenderungan terjadinya ikatan silang-dan hilangnya massa molekul relatif secara signifikan. Sebaliknya, meskipun proses hidrolisis pasca-alkali pasca-melibatkan rangkaian prosedur yang lebih kompleks, proses ini memastikan hidrolisis yang seragam, meminimalkan risiko ikatan silang, dan mengakibatkan hilangnya massa molekul relatif produk yang dapat diabaikan.
Di negara saya, inisiator yang digunakan untuk polimerisasi poliakrilamida umumnya terbagi dalam tiga kategori: inisiator anorganik, inisiator organik, dan sistem organik anorganik campuran. (1) Peroksida
Peroksida secara luas diklasifikasikan menjadi peroksida anorganik dan peroksida organik. Peroksida anorganik termasuk kalium peroksidisulfat, amonium peroksidisulfat, natrium perbromat, dan hidrogen peroksida. Peroksida organik meliputi benzoil peroksida, lauroil peroksida, dan tert-butil hidroperoksida. Zat pereduksi yang biasanya dipasangkan dengan peroksida ini meliputi besi sulfat, besi klorida, natrium metabisulfit, dan natrium tiosulfat.
(2) Senyawa Azo
Contohnya termasuk azobisisobutyronitrile (AIBN), azobis(dimetilvaleronitrile), natrium azobis(cyanovalerate), dan serangkaian garam azoamidine yang dikembangkan pada tahun 1980an-seperti azo-N-yang tersubstitusi di tengahinopropana hidroklorida. Produk-produk ini mewakili kelas produk yang telah mengalami perkembangan kompetitif yang intens. Mereka biasanya ditambahkan pada konsentrasi berkisar antara 0,005 hingga 1 bagian per 10.000; mereka menunjukkan efisiensi katalitik yang tinggi, memfasilitasi produksi polimer dengan massa molekul relatif tinggi, dan larut dalam air, sehingga mudah digunakan.
Polimerisasi Suspensi Terbalik: Poliakrilamida adalah salah satu flokulan polimer organik yang paling signifikan secara industri. Secara industri, poliakrilamida biasanya diproduksi menggunakan metode larutan berair atau metode polimerisasi suspensi terbalik. Bagian berikut menguraikan proses produksi poliakrilamida melalui polimerisasi suspensi terbalik.
Polimerisasi suspensi terbalik saat ini merupakan metode yang paling banyak digunakan dan matang secara teknologi untuk pembuatan mikrosfer poliakrilamida (PAM). Prosesnya melibatkan penggunaan agitasi yang kuat untuk membubarkan monomer (atau campuran monomer) dalam media kontinyu (biasanya pelarut organik), membentuk tetesan halus. Selanjutnya, polimerisasi dimulai antara monomer, inisiator, pelarut organik, dan penstabil dispersi. Setelah reaksi polimerisasi selesai, produk mengalami dehidrasi azeotropik, pemisahan, dan pengeringan untuk menghasilkan produk partikulat. Produk yang diperoleh melalui polimerisasi suspensi terbalik biasanya memiliki kandungan padatan melebihi 90%, tingkat konversi polimerisasi lebih besar dari 95%, dan kandungan monomer sisa kurang dari 0,5%; ukuran partikel produk berkisar antara 10 hingga 500 mikrometer, dan produk menunjukkan kelarutan dalam air yang sangat baik.
Metode ini sangat cocok untuk penerapan{0}}skala industri karena prosesnya yang sederhana, kemudahan pengendalian operasional, pembuangan panas polimerisasi dengan mudah, dan kemudahan dalam pemisahan, pencucian, dan pengeringan polimer; selanjutnya produk yang dihasilkan dicirikan oleh kemurnian, keseragaman, dan stabilitasnya. Namun, polimerisasi suspensi terbalik menghadapi beberapa tantangan dalam produksi industri. Yang paling utama adalah sensitivitasnya yang tinggi terhadap kecepatan pengadukan, yang sering menyebabkan penggabungan partikel dan pembentukan gel. Selain itu, sistem ini cenderung tidak stabil selama distilasi azeotropik, dan prosesnya ditandai dengan waktu pengeringan yang lama. Selain itu, faktor-faktor seperti distribusi ukuran partikel produk yang luas, penggunaan pelarut organik secara ekstensif, masalah keamanan dalam operasi produksi, dan biaya polimerisasi yang terlalu tinggi secara kolektif mengakibatkan metode polimerisasi suspensi terbalik jarang digunakan di dalam negeri untuk produksi poliakrilamida.
