InnoREX – अल्ट्रासाउंड से बेहतर बनाया गया PLA एक्सट्रूज़न

अल्ट्रासोनिक मिश्रण, परिक्षेपण और पायसीकरण पॉलीलैक्टिक अम्लों (PLA) के एक्सट्रूज़न को बेहतर बनाते हैं। एक्सट्रूज़न लाइनों में अल्ट्रासोनिकेशन को शामिल करने से उत्पादित PLA की उपज और गुणवत्ता बढ़ती है।

पॉलीलैक्टाइड का संश्लेषण

पॉलीलैक्टिक अम्ल या पॉलीलैक्टाइड (PLA) एक तापसुघट्य ऐलिफैटिक पॉलिएस्टर है, जिसे लैक्टिक अम्ल और लैक्टाइड मोनोमर से संश्लेषित किया जाता है। लैक्टाइड एक चक्रीय डाइएस्टर है, जो किण्वित पादप स्टार्च (जैसे मक्के का स्टार्च, गन्ना) से प्राप्त होता है और प्लास्टिक के पादप-आधारित विकल्प के रूप में उपयोग किया जाता है। इस प्रकार, PLA का संश्लेषण हरित रसायन विज्ञान के दायरे में पूरी तरह उपयुक्त है। PLA ने तेजी से व्यापक रुचि आकर्षित की, क्योंकि यह पारंपरिक पेट्रोकेमिकल-आधारित प्लास्टिक का जैव-आधारित, जैव-अवक्रमणीय विकल्प है।
PLA संबंधी तथ्य: PLA (C₃H₄O₂)n का घनत्व 1210–1430 kg/m³ है, यह पानी में अघुलनशील है, PTFE से अधिक कठोर है और 150degC तथा 220degC के बीच के तापमान पर पिघलता है।

InnoREX – अभिनव बहुलकीकरण प्रक्रिया

PLA की वर्तमान उत्पादन प्रक्रिया में लैक्टोन की बहुलकीकरण दर बढ़ाने के लिए धातु-युक्त उत्प्रेरकों की आवश्यकता होती है, जो स्वास्थ्य और पर्यावरण के लिए हानिकारक हैं। उत्प्रेरकों के उपयोग से जुड़ी समस्याओं और जैव-आधारित बहुलकों की बढ़ती मांग को ध्यान में रखते हुए, InnoREX परियोजना ऐसी बहुलकीकरण प्रक्रिया के विकास पर केंद्रित है, जिसमें पारंपरिक धातु-युक्त उत्प्रेरकों को एक कार्बनिक उत्प्रेरक से प्रतिस्थापित किया जाता है और उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासाउंड, माइक्रोवेव तथा लेज़र के वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों की सहायता ली जाती है।

कार्बनिक उत्प्रेरकों को लैक्टाइड के बहुलकीकरण को कुशलतापूर्वक नियंत्रित करने में सक्षम पाया गया है, लेकिन औद्योगिक मानकों को पूरा करने के लिए उनकी सक्रियता को अभी और बेहतर बनाना आवश्यक है। यह वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों – अल्ट्रासाउंड, माइक्रोवेव और लेज़र प्रकाश – को शामिल करके हासिल किया जाएगा, क्योंकि ये उत्प्रेरक की सक्रियता बढ़ाते हैं और प्रतिक्रिया मिश्रण के केवल छोटे हिस्सों को बिना प्रतिक्रिया-विलंब के उत्तेजित करके प्रतिक्रिया के सटीक नियंत्रण को संभव बनाते हैं।
इसलिए यह परियोजना एक नवीन रिएक्टर प्रणाली, जिसमें वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों को माध्यम में प्रविष्ट कराया जाता है, को एक कार्बनिक उत्प्रेरक के साथ संयोजित करती है, ताकि प्रतिक्रियाशील एक्सट्रूज़न प्रक्रिया में धातु-मुक्त PLA प्राप्त किया जा सके। (चित्र 1 देखें)
इसलिए, InnoREX परियोजना द्वि-स्क्रू एक्सट्रूडर में उच्च आणविक भार वाले PLA का सटीक रूप से नियंत्रित और कुशल सतत बहुलकीकरण प्राप्त करने के लिए माइक्रोवेव, अल्ट्रासाउंड और लेज़र प्रकाश के त्वरित प्रतिक्रिया समय का उपयोग करती है। इसके अतिरिक्त, बहुलकीकरण, कंपाउंडिंग और आकार देने की प्रक्रियाओं को एक ही उत्पादन चरण में संयोजित करके ऊर्जा की उल्लेखनीय बचत हासिल की जाएगी।

उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड

तीन वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों – अल्ट्रासाउंड, माइक्रोवेव और लेज़र विकिरण – को वलय-उद्घाटन बहुलकीकरण प्रेरित करने के लिए संयोजित किया जाता है, ताकि उच्च आणविक भार वाला बहुलकीकरण सुनिश्चित हो सके। रिएक्टर कक्ष में सीमित निवास समय के दौरान, ये वैकल्पिक ऊर्जा स्रोत प्रतिक्रिया को संचालित करने के लिए आवश्यक प्रभाव को अत्यंत लक्षित स्तर पर एक इनलाइन प्रवाह सेल (चित्र 2 देखें) में प्रदान करते हैं। इससे टिन (II) 2-एथिलहेक्सानोएट जैसे धातु-युक्त उत्प्रेरकों के उपयोग से बचा जा सकता है, जिनकी पारंपरिक एक्सट्रूज़न प्रक्रियाओं में लैक्टोन की बहुलकीकरण दर को स्वीकार्य रूप से कुशल स्तर तक बढ़ाने के लिए आवश्यकता होती है।
InnoREX की पायलट संयंत्र प्रणाली में उच्च शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक प्रोसेसर UIP1000hd, जो 1kW अल्ट्रासाउंड शक्ति प्रदान करने में सक्षम है, को एकीकृत किया गया है। उच्च शक्ति वाला अल्ट्रासाउंड रासायनिक प्रतिक्रियाओं पर अपने सकारात्मक प्रभावों के लिए सुविख्यात है, जो सोनोकेमिस्ट्री की परिघटना है। जब उच्च शक्ति वाली अल्ट्रासोनिक तरंगों को किसी तरल माध्यम में प्रविष्ट कराया जाता है, तो ये तरंगें उच्च दाब (संपीड़न) और निम्न दाब (विरलन) के चक्र उत्पन्न करती हैं, जिसके परिणामस्वरूप अल्ट्रासोनिक कैविटेशन होता है। कैविटेशन का अर्थ है “किसी तरल में बुलबुलों का बनना, बढ़ना और अंतःस्फोटक रूप से ढहना। कैविटेशन के कारण बुलबुलों के ढहने से तीव्र स्थानीय तापन (~5000K), उच्च दाब (~1000 atm) और अत्यधिक तापन तथा शीतलन दरें (>109 K/sec) उत्पन्न होती हैं”, साथ ही ~400 km/h के तरल जेटों के साथ तरल प्रवाह भी उत्पन्न होता है। (K.S. Suslick 1998)
अल्ट्रासाउंड से उत्पन्न कैविटेशन बल गतिज ऊर्जा प्रदान करते हैं, कणों को परिक्षेपित करते हैं और रासायनिक बहुलकीकरण प्रतिक्रिया में सहायक मुक्त मूलक बनाते हैं।
बहुलकीकरण प्रतिक्रिया के दौरान सोनिकेशन के सामान्य सकारात्मक प्रभाव हैं:

• सोनोकेमिकल रूप से उत्पन्न मुक्त मूलकों के कारण बहुलकीकरण का आरंभ (बहुलकीकरण गतिकी)
• बहुलकीकरण दर में वृद्धि
• बहुलकों की बहुपरिक्षेपिता का अधिक संकीर्ण होना, लेकिन आणविक भार का अधिक होना
• अधिक समांगी प्रतिक्रिया और इसलिए शृंखला लंबाइयों के वितरण का अधिक संकीर्ण होना

साहित्य/संदर्भ

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