Применения в льно-отделочном производстве фермента Целловиридина Г2Х Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

УДК 677.11/.8

Применения в льноотделочном производстве фермента

Целловиридина Г2Х

В. К. Переволоцкая, В. А. Афанасьева, Л. А. Головина

ЛЮДМИЛА АНДРЕЕВНА ГОЛОВИНА — студент-дипломник V курса Московского государственного текстильного университета им. А. Н. Косыгина. Область научных интересов: применение ферментных препаратов в технологии колорирования и заключительной отделки тканей.

115162 Москва, ул. Шухова, д. 14, ФГУПЦНИИЛКА, тел. (095)236-05-71, факс (095)236-46-59, E-mail nauka@tsniilka.ru

Конец ХХ и начало XXI века называют эпохой биотехнологий, которые находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. В настоящее время биотехнологии используют в производстве моющих средств (для разрушения загрязнений белкового, жирового и растительного происхождения), в целлюлозно-бумажной промышленности (бесхлорное отбеливание целлюлозы, вторичная утилизация целлюлозы), в пищевой промышленности (производство сыров и безлактозного молока, модификация масел и жиров), в фармацевтической, комбикормовой, текстильной промышленности [1].

Биотехнологии базируются на применении ферментов (энзимов), которые представляют собой катализаторы белковой природы (биокатализаторы), обладающие способностью многократно ускорять химические реакции и отличающиеся избирательностью воздействия [2].

Ферменты могут снижать энергию активации реакций, в отличие от химических катализаторов действуют при гораздо более мягких условиях (рН, температура) и легко биологически разрушаются, делая технологию их применения экологически чистой.

Мягкие условия, в которых способны работать ферменты, позволяют создавать энергосберегающие технологии, не требующие дорогостоящего оборудования.

Ферменты разделяются на простые, состоящие только из полипептидных цепей, и сложные, содержащие в структуре небелковые компоненты (кофакторы), соединенные с полипептидными цепями. Большинство ферментов относится к сложным [3].

Особую группу ферментов составляют мультимо-лекулярные ферментные комплексы, в которые входят несколько ферментов Ф, катализирующих последовательные ступени превращения субстрата С.

Механизм действия ферментов сводится к схеме

Ф + С^^ФС-^... -^Ф + С,

где ФС — промежуточный комплекс фермент—субстрат.

В текстильной и легкой промышленности ферменты применяют при обработке материалов из целлюлозных волокон (хлопок, лен, вискоза), шелка, для обезволаши-вания шкур [1].

Выбор фермента для обработки текстильного материала определяется набором химических реакций, которые должны быть ускорены (гидролиз крахмала, целлюлозы, кератина, пероксидов и т. д.). Из промышленных ферментов, выпускаемых в России, для облагораживания текстильных материалов из льна интерес представляют целлюлазы.

Целлюлазы — это комплекс целлюлолитических ферментов, результатом действия которых является деструкция целлюлозы и ее производных до глюкозы и олигоса-харидов. Различают «кислые целлюлазы», максимально активные при рН = 4,5-5,5 и 45-55 °С, и «нейтральные целлюлазы», активные при рН = 5,5-8,0 и 50-60 °С [2-4].

В состав целлюлазного комплекса входят три типа индивидуальных ферментов, различающихся механизмами гидролиза целлюлозы:

Ц. 1-фермент отщепляет димер (целлобиозу) с конца молекулы целлюлозы;

Ц. 2 — расщепляет макромолекулы целлюлозы в срединных участках;

Ц. 3-фермент гидролизует олигомеры целлюлозы до глюкозы.

Целлюлозные материалы представляют собой аморфно-кристаллические полимеры, в которых более доступны для фермента целлюлазы аморфные области. С них и начинается гидролиз.

Наибольшее практическое применение целлюлазы нашли для получения эффекта «варенки» на джинсовом ассортименте тканей. Эта технология заменила окислительно-абразивную обработку с помощью шариков пемзы, насыщенных окислителем. Такая технология дорога, сложна, экологически грязна и приводит к значительной потере прочности ткани и сокращению срока службы изделий.

Использование целлюлазы позволяет получить воспроизводимый эффект «варенки» без потери прочности ткани в экологически чистой технологии. Эффект «варенки» основан на поверхностном, точечном разрушении целлюлозы и удалении ее вместе с красителем. С помощью целлюлазы легко удалять выступающие на поверхности ткани целлюлозные волокна, что использует-

Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д.И.Менделеева), 2002, т. XLVI, №2

Таблица 1

Потеря массы льносодержащих тканей после обработки Целловиридином Г2Х

Обрабатываемая ткань Температура обработки, °C Продолжительность обработки, мин Потеря массы ткани, % при концентрации Целловиридина Г2Х 1 % 3 % 5 %

Полотно чистольняное 40 30 1,2 2,1 4,6

40 60 2,0 2,4 5,8

50 30 3,0 3,5 3,8

50 60 4,0 4,2 5,8

Полульняная ткань 40 30 0,8 1,7 2,2

40 60 1,6 2,0 3,3

50 30 1,9 3,6 3,9

50 60 3,0 4,2 4,2

Меланжевая 50 60 0,4 0,8 1,8

полульняная ткань 50 120 2,0 2,8 4,0

Таблица 2

Способы подготовки льняной ткани перед ферментной обработкой

Способ подготовки Технологическая операция Состав композиции, г/л Основные параметры технологической операции

I Расшлихтовка Биотекс ПН — 2,0 Смачиватель ЭМ-1 — 1,0 Щавелевая кислота — 4,5 Продолжительность отварки 60 мин, 55-60 °С

II Расшлихтовка Биотекс ПН — 2,0 Смачиватель ЭМ-1 — 1,0 Щавелевая кислота — 1,5

Отварка Сода кальцинированная — Смачиватель ЭМ-1 — 1,0 Комплексон — 1,0 15,0 Продолжительность отварки 60 мин, 80-85 °С

III Расшлихтовка Биотекс ПН — 2,0 Смачиватель ЭМ-1 — 1,0 Щавелевая кислота — 1,5

Отварка Сода кальцинированная — Смачиватель ЭМ-1 — 1,0 Комплексон — 1,0 15,0 Продолжительность отварки 60 мин, 80-85 °С

Пероксидное беление Пероксид водорода — 2,5 (по активному кислороду) Смачиватель ЭМ-1 — 1,0 Силикат натрия — 10,0 Нагрев рабочего раствора в течение 45 мин до 80-85 °С

Сода кальцинированная — 3,0 Обработка при 80-85 °С, 45 мин

Таблица 3

Эффективность обработки льняной ткани Целловиридином на различных этапах технологического процесса

Способ обработки

Потеря массы после обработки ферментом, %

Капиллярность (высота подъема

жидкости в мм за 30 мин)

Разрывная

нагрузка, полоски Белизна ткани, % Жесткость на ПТ-2 ,„„ ' „

(25 мм х 100 мм),

до обра- после об-ботки работки

до обра- после об-ботки работки

уток

уток

Визуальная оценка окраски

после обработки

II

III

3,3

3,5 2,4

73

80

93 99

85 127

54

59 78

60

64

77

6575 34281 16,5 26,5

5037 20556 16,1 24,0 2590 28258 19,1 28,7

Окраска светлее, оттенок чище То же Окраска интенсивнее

I

ся для полировки и мягчения джинсовых тканей, трикотажа и других изделий. Принцип удаления поверхностных волокон при обработке целлюлазой пытаются применить также взамен классического опаливания — операции энергоемкой и пожароопасной [5, 6].

Целлюлазы применяют также для дефибриллизации волокон и устранения пиллинг-эффекта на тканях и трикотаже из новых гидратцеллюлозных волокон, склонных к скатыванию.

Целлюлазы рекомендуют добавлять в варочные растворы при отварке хлопчатобумажных тканей при 60 °С. В этих условиях целлюлаза разрушает первичную стенку хлопковых волокон и способствует удалению с волокна различных загрязнений.

Во всех процессах обработки текстильных материалов целлюлазой необходимо тщательно контролировать потерю массы (не более 3-5 %) материала, чтобы сохранить прочность.

Целлюлозные волокна имеют разную «чувствительность» к действию целлюлаз: так, медно-аммиачное волокно теряет массу быстрее остальных целлюлозных волокон. Лен тоже более чувствителен к действию целлюлаз в сравнении с хлопком [1].

Во ФГУП ЦНИИЛКА исследовали возможность применения целлюлазы на различных стадиях технологического процесса отделки льносодержащих тканей.

Был использован отечественный товарный продукт целлюлазы Целловиридин, предлагаемый на реализацию фирмой «Арсенал Гольджи» (г. Москва), в трех выпускаемых формах: Целловиридин Г20Х — активность 2000 ед./г (в форме порошка), производитель Берд-ский завод (Россия, Новосибирская обл.); Целловиридин Г2Х — активность 1400 ед./мл; Целловиридин Г2Х — активность 860 ед./мл; производитель ОАО «Белмедпре-параты», республика Беларусь.

Мы изучали воздействие Целловиридина Г2Х на несколько льносодержащих тканей: чи-стольняную, полульняную ткань Новосибирского хлопчатобумажного комбината, меланжевую полульняную (опытный образец ФГУП ЦНИИЛКА).

Первоначально определяли оптимальные параметры обработки льносодержащих тканей Целловиридином Г2Х. В качестве регулируемых параметров жидкостной обработки были выбраны концентрации Целловиридина

Г2Х 1,0; 3,0; 5,0 (% от массы ткани); температура рабочего раствора 40 и 50 °С и продолжительность обработки 30, 60 и 120 мин. Обработку проводили на водяной бане со встряхивателем, имитируя процесс механического воздействия рабочего раствора на ткань в производственных условиях.

В качестве параметра, контролирующего воздействие Целловиридина на ткань, использовали потерю массы ткани после обработки рабочим раствором, содержащим Целловиридин — Х%; неионогенный смачиватель — 1 г/л; уксусную кислоту (80%-ю) — 2 мл/л; комплексон — 0,1 г/л. Комплексон вводили для устранения жесткости водопроводной воды, влияющей на активность фермента [4, 5]. В табл. 1 представлены данные по потере массы после обработки суровых тканей Целловиридином Г2Х при варьировании параметров.

Как видно, на чистольняную ткань Целловиридин Г2Х действует эффективнее, чем на полульняную; повышение температуры с 40 до 50 °С значительно ускоряет действие фермента; оптимальная концентрация фермента при обработке чистольняных тканей — 3 % (от веса ткани), а для полульняных тканей (обр. 31) лежит в пределах 5 % (в зависимости от структуры ткани).

С ростом продолжительности обработки с 30 до 60 мин происходит резкое (почти в 2 раза) увеличение потери массы, что свидетельствует о наличии «инкубационного периода» при воздействии фермента на ткань, поэтому оптимальной следует считать обработку в течение 1-2 ч.

Затем была исследована эффективность введения операции обработки Целловиридином на разных этапах многостадийного технологического процесса подготовки льняных тканей. С этой целью льняную ткань, предварительно подготовленную тремя способами, обрабатывали в растворе, содержащем 3 % Целловиридина Г2Х (от массы ткани) при 50 °С в течение 2 ч (табл. 2).

После описанной обработки определяли потерю массы ткани (%), капиллярность, жесткость на приборе ПТ-2, разрывную нагрузку, белизну и накрашиваемость активным ярко-красным 5СХ (табл. 3).

Как видно, обработка Целловиридином Г2Х влияет на свойства льняной ткани после каждого технологического перехода. Так, после расшлихтовки обработка Целловиридином вызывает потеря массы 3,3 %, увеличивается капиллярность ткани, наблюдается эффект подбели-

Рос. хим. ж. (Ж. Рос. хим. об-ва им. Д. И. Менделеева), 2002, т. XLVI, №2

вания и улучшения оттенка окрашенной ткани. Это дает основание для проведения ферментной обработки для ассортимента меланжевых тканей, которые по ряду причин не могут быть отварены и отбелены, с целью улучшения их потребительских свойств. Наибольший эффект от ферментной обработки наблюдается для тканей, предварительно отваренных или отбеленных.

Серьезным недостатком льносодержащих тканей отечественного производства является сухой гриф и повышенная жесткость. Поэтому особый интерес представляет проведение контролируемой эрозии поверхности ткани и придание ей мягкого грифа с помощью ферментной обработки.

Во ФГУП ЦНИИЛКА были проведены исследования для разработки регламента отделки плотных льносодер-жащих тканей типа «Деним» с помощью ферментной обработки Целловиридином Г2Х в комбинации с традиционными технологическими операциями. Работа проведена на экспериментальных тканях ФГУП ЦНИИЛКА. Эти ткани выработаны из окрашенной пряжи, поэтому процесс отделки их включает предварительную подготовку и заключительную отделку.

Для традиционных обработок (расшлихтовка, отварка, промывка, заключительная отделка) были использованы текстильно-вспомогательные вещества НПФ «Траверс» (Россия). Для расшлихтовки применяли аминоли-тический ферментный препарат Экар; для ферментного «травления» — Целловиридин Г2Х. При отварке тканей помимо традиционных химических реагентов вводили интенсификатор отварки Гинтол, комплексообразовате-ли Диарин и Фиолент, универсальное моющее средство Вик-Н.

Опытные образцы льняных тканей типа «Деним» обрабатывали по двум технологическим схемам (I и II):

I

Расшлихтовка (1)

Отварка (2)

Промывки

Ферментное «травление» (3)

Промывка

Сушка

II

Расшлихтовка, совмещённая с ферментным «травлением» (1')

Отварка (2')

Промывки

Ферментное «травление» (3')

Промывка

О 10 20 30 40 50 60

0 10 20 30 40 50 60

Сушка

Изменение капиллярности ткани после основных технологических операций для обеих схем представлено на рисунке.

мин

Изменение капиллярности ткани после технологических обработок по схеме I (а) и схеме II (б)

Характер изменения капиллярности на джинсовой ткани ЦНИИЛКА дает основание для определенных предпосылок в построении технологического процесса отделки подобных тканей. Совмещение расшлихтовки с ферментным «травлением» Целловиридином Г2Х увеличивает капиллярность на I стадии (расшлихтовки), но не влияет на капиллярность ткани после отварки, последующая обработка Целловиридином не изменяет этот показатель. Если же обработка Целловиридином включается в заключительную операцию после традиционных расшлихтовки и отварки, то капиллярность ткани повышается (130 мм за 60 мин — I схема; 120 мм за 60 мин — II схема). Данные по капиллярности согласуются с орга-нолептической оценкой мягкости ткани. Для обработки ткани в производственных условиях рекомендуется технологическая схема I.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кричевский Г. Е. Итоги науки и техники. Серия «Биотехнология». М.: Изд. ВИНИТИ, 1993. Т. 25. С. 152.

2. Текстильные новости. 1998. №3. С. 11-12.

3. Чешкова А. Е., Кундий С. А., Лебедева В. И., Мельников Б. Н. Льняное дело. 1996. № 1. С. 35-38.

4. Чешкова А. В., Мельников Б.Н. Текстильная химия. 2000. №2. (18).

5. Чешкова А. В., Мельников Б. Н. Изв. высш. учеб. заведений. Химия и химическая технология. Иваново. 1993. Вып. 5. Т. 36. С. 112-115.

6. Новорадовский А. Г. Текстильная химия. 1998. №2. (14).