InnoREX – પરાધ્વનિ દ્વારા સુધારેલું PLA એક્સ્ટ્રુઝન

પરાધ્વનિ દ્વારા મિશ્રણ, વિખેરણ અને ઇમલ્સિફિકેશન પોલિલેક્ટિક એસિડ (PLA)ના એક્સ્ટ્રુઝનને સુધારે છે. એક્સ્ટ્રુઝન લાઇનોમાં પરાધ્વનિ પ્રક્રિયા લાગુ કરવાથી ઉત્પાદિત PLAની ઉપજ અને ગુણવત્તા વધે છે.

પોલિલેક્ટાઇડનું સંશ્લેષણ

પોલિલેક્ટિક એસિડ અથવા પોલિલેક્ટાઇડ (PLA) એક થર્મોપ્લાસ્ટિક એલિફેટિક પોલિએસ્ટર છે, જેનું સંશ્લેષણ લેક્ટિક એસિડ અને લેક્ટાઇડ મોનોમરમાંથી થાય છે. લેક્ટાઇડ એક ચક્રીય ડાઇએસ્ટર છે, જે આથવેલા વનસ્પતિ સ્ટાર્ચ (દા.ત. મકાઈનો સ્ટાર્ચ, શેરડી)માંથી મેળવવામાં આવે છે અને પ્લાસ્ટિકના વનસ્પતિ આધારિત વિકલ્પ તરીકે વપરાય છે. આમ, PLAનું સંશ્લેષણ હરિત રસાયણશાસ્ત્રના ક્ષેત્રમાં સંપૂર્ણપણે બંધબેસે છે. પરંપરાગત પેટ્રોરસાયણ આધારિત પ્લાસ્ટિકના જૈવ આધારિત, જૈવવિઘટનક્ષમ વિકલ્પ તરીકે PLAએ ઝડપથી ઘણું ધ્યાન આકર્ષિત કર્યું છે.
PLA વિશે તથ્યો: PLA (C₃H₄O₂)n ની ઘનતા 1210-1430 kg/m³ છે, તે પાણીમાં અદ્રાવ્ય છે, PTFE કરતાં વધુ કઠણ છે અને 150degC અને 220degC વચ્ચેના તાપમાને પીગળે છે.

InnoREX – નવીન પોલિમરાઇઝેશન પ્રક્રિયા

PLAની વર્તમાન ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં લેક્ટોનના પોલિમરાઇઝેશનનો દર સુધારવા માટે ધાતુ ધરાવતા ઉદ્દીપકોની જરૂર પડે છે, જે આરોગ્ય અને પર્યાવરણ માટે જોખમી છે. ઉદ્દીપકોના ઉપયોગની સમસ્યાજનક પ્રકૃતિ અને જૈવ આધારિત પોલિમરની વધતી માંગને ધ્યાનમાં રાખીને, InnoREX પ્રોજેક્ટ એવી પોલિમરાઇઝેશન પ્રક્રિયાના વિકાસ પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, જેમાં પરંપરાગત ધાતુ ધરાવતા ઉદ્દીપકોને સ્થાને કાર્બનિક ઉદ્દીપક વપરાય છે અને ઉચ્ચ શક્તિના પરાધ્વનિ, માઇક્રોવેવ અને લેસર જેવા વૈકલ્પિક ઊર્જાસ્રોતોથી પ્રક્રિયાને સહાય મળે છે.

કાર્બનિક ઉદ્દીપકો લેક્ટાઇડના પોલિમરાઇઝેશનને કાર્યક્ષમ રીતે નિયંત્રિત કરી શકે છે તે દર્શાવવામાં આવ્યું છે, પરંતુ ઔદ્યોગિક ધોરણોને પૂર્ણ કરવા માટે તેમની સક્રિયતા હજુ સુધારવી જરૂરી છે. આ માટે વૈકલ્પિક ઊર્જાસ્રોતો તરીકે પરાધ્વનિ, માઇક્રોવેવ અને લેસર પ્રકાશનો ઉપયોગ કરવામાં આવશે, કારણ કે તેઓ ઉદ્દીપકની સક્રિયતા વધારે છે અને પ્રતિક્રિયા મિશ્રણના માત્ર નાના ભાગોને ઉત્તેજિત કરીને પ્રતિસાદમાં વિલંબ વિના પ્રતિક્રિયાનું ચોક્કસ નિયંત્રણ શક્ય બનાવે છે.
આથી, પ્રતિક્રિયાશીલ એક્સ્ટ્રુઝન પ્રક્રિયામાં ધાતુમુક્ત PLA મેળવવા માટે આ પ્રોજેક્ટ એક નવીન રિએક્ટર સિસ્ટમને કાર્બનિક ઉદ્દીપક સાથે જોડે છે, જેમાં વૈકલ્પિક ઊર્જાસ્રોતો માધ્યમમાં દાખલ કરવામાં આવે છે. (ચિત્ર 1 જુઓ)
આથી, InnoREX પ્રોજેક્ટ ટ્વિન-સ્ક્રૂ એક્સ્ટ્રુડરમાં ઊંચા અણુભારવાળા PLAનું ચોક્કસ રીતે નિયંત્રિત અને કાર્યક્ષમ સતત પોલિમરાઇઝેશન હાંસલ કરવા માટે માઇક્રોવેવ, પરાધ્વનિ અને લેસર પ્રકાશના ઝડપી પ્રતિસાદ સમયનો ઉપયોગ કરે છે. વધુમાં, પોલિમરાઇઝેશન, કમ્પાઉન્ડિંગ અને આકાર આપવાની પ્રક્રિયાઓને એક જ ઉત્પાદન તબક્કામાં જોડવાથી ઊર્જાની નોંધપાત્ર બચત થશે.

ઉચ્ચ શક્તિનો પરાધ્વનિ

ઊંચા અણુભારવાળા પોલિમરની રચના સુનિશ્ચિત કરવા માટે વલય-ઉદ્ઘાટન પોલિમરાઇઝેશન પ્રેરવા ત્રણ વૈકલ્પિક ઊર્જાસ્રોતો – પરાધ્વનિ, માઇક્રોવેવ અને લેસર વિકિરણ – જોડવામાં આવે છે. રિએક્ટર ચેમ્બરમાંના મર્યાદિત નિવાસકાળ દરમિયાન, વૈકલ્પિક ઊર્જાસ્રોતો ઇનલાઇન ફ્લો સેલમાં (ચિત્ર 2 જુઓ) અત્યંત લક્ષિત સ્તરે પ્રતિક્રિયાને આગળ ધપાવવા માટે જરૂરી અસર પૂરી પાડે છે. આમ, ટિન (II) 2-ઇથાઇલહેક્ઝાનોએટ જેવા ધાતુ ધરાવતા ઉદ્દીપકોનો ઉપયોગ ટાળી શકાય છે, જે પરંપરાગત એક્સ્ટ્રુઝન પ્રક્રિયાઓમાં લેક્ટોનના પોલિમરાઇઝેશનનો દર કાર્યક્ષમતાના સ્વીકાર્ય સ્તર સુધી વધારવા માટે જરૂરી હોય છે.
InnoREX પાઇલટ પ્લાન્ટ સિસ્ટમમાં ઉચ્ચ શક્તિનું પરાધ્વનિ પ્રોસેસર UIP1000hd, જે 1kW પરાધ્વનિ શક્તિ પૂરી પાડવા સક્ષમ છે, સંકલિત કરવામાં આવ્યું છે. ઉચ્ચ શક્તિનો પરાધ્વનિ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ પર તેની સકારાત્મક અસરો માટે જાણીતો છે; આ પરિઘટના સોનોકેમિસ્ટ્રી તરીકે ઓળખાય છે. જ્યારે ઉચ્ચ શક્તિનાં પરાધ્વનિ તરંગો પ્રવાહી માધ્યમમાં દાખલ કરવામાં આવે છે, ત્યારે તરંગો ઉચ્ચ દબાણ (સંકોચન) અને નીચા દબાણ (વિરલન)નાં ચક્રો ઉત્પન્ન કરે છે, જેના પરિણામે પરાધ્વનિજન્ય કેવિટેશન થાય છે. કેવિટેશન એટલે “પ્રવાહીમાં પરપોટાની રચના, વૃદ્ધિ અને અંદરની તરફ વિસ્ફોટક પતન. કેવિટેશનજન્ય પતનથી તીવ્ર સ્થાનિક તાપન (~5000K), ઉચ્ચ દબાણ (~1000 atm) અને તાપન તથા શીતલનના અત્યંત ઊંચા દર (>109 K/sec) ઉત્પન્ન થાય છે”, તેમજ ~400 km/hના પ્રવાહી જેટ સાથે પ્રવાહીનું વહન થાય છે. (K.S. Suslick 1998)
પરાધ્વનિ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલાં કેવિટેશન બળો ગતિજ ઊર્જા પૂરી પાડે છે, કણોનું વિખેરણ કરે છે અને રાસાયણિક પોલિમરાઇઝેશન પ્રતિક્રિયાને સહાય કરતા મુક્તમૂલકો ઉત્પન્ન કરે છે.
પોલિમરાઇઝેશન પ્રતિક્રિયા દરમિયાન પરાધ્વનિ પ્રક્રિયાની સામાન્ય સકારાત્મક અસરો આ પ્રમાણે છે:

• સોનોકેમિકલ રીતે ઉત્પન્ન થયેલા મુક્તમૂલકોને કારણે પોલિમરાઇઝેશનનો પ્રારંભ (પોલિમરાઇઝેશન ગતિકી)
• પોલિમરાઇઝેશનના દરમાં વધારો
• પોલિમરની પોલિડિસ્પર્સિટીમાં ઘટાડો, પરંતુ અણુભારમાં વધારો
• વધુ સમાન પ્રતિક્રિયા અને પરિણામે શૃંખલાની લંબાઈઓના વિતરણમાં ઘટાડો

સાહિત્ય/સંદર્ભો

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