Баданова А.К., Баданов К.И., Кутжанова А.Ж.

 

 

Алматинский технологический университет, г. Алматы,

Таразский государственный университет имени М.Х. Дулати, г. Тараз,

Республика Казахстан

 

Применение ферментов для активации процессов подготовки хлопчатобумажных тканей

 

 

            Хлопчатобумажная ткань содержит примеси, являющиеся природными спутниками целлюлозы (воскообразные, пектиновые, минеральные, белковые вещества), а также технологические примеси (замасливатели, шлихта), и случайные примеси (жирные и масляные пятна). Примеси сообщают суровым тканям жёсткость, гидрофобность, неприятный серовато-жёлтый цвет, склонность к развитию микроорганизмов и др. Если их не удалить, они серьёзно затрудняют процессы крашения, печатания и заключительной отделки.

            С экономической и экологической точек зрения именно химическая подготовка представляет для биотехнологий наибольший интерес. Классический цикл подготовки подразделяется на три стадии: расшлихтовку, отварку, беление. Первый этап — расшлихтовка. В мире наиболее распространена шлихта из легкорастворимых синтетических полимеров, но до настоящего времени на фабриках пользуются, как правило, составами с крахмалом, хотя он плохо растворяется в воде и поэтому с трудом удаляется с ткани. Существует мнение, что расшлихтовка не сказывается заметно на потребительских свойствах материала. От этого ею зачастую пренебрегают, совмещая со щелочной отваркой или белением, не контролируя остаточное содержание крахмала на полотне. При дальнейшей обработке возникают дефекты крашения, печатания, заключительной отделки. На небрежно очищенные плотные ткани приходится затрачивать существенно больше химических реагентов на стадии отварки и беления. В итоге — низкое качество готовой продукции. Использование для расшлихтовки химических реагентов (окислителей, кислот, щелочей) создает опасность повреждения ткани. Выход видится в применении препаратов амилолитического действия (на основе ферментов амилаз), которые помогают справиться с крахмалом, не нарушая целостности волокна.

            В современных способах расшлихтовки доминируют два направления: применение ферментов, устойчивых к действию высоких температур, и использование окислителей.

            Ферменты, или энзимы, — это вещества белкового происхождения, являющиеся продуктами жизнедеятельности микроорганизмов (грибов и бактерий). Особенностью ферментов являются строгая избирательность и направленность действия на определенные химические соединения, что обусловлено следующими факторами:

– составом ферментов и их внутримолекулярными связями;

– условиями среды их существования;

– наличием субстратов, регулирующих активность ферментов.

            Ферменты являются эффективными катализаторами гидролитической деструкции крахмала. Их основное преимущество в высокой избирательности действия на крахмал без повреждения целлюлозы. Действие ферментов в значительной степени зависит от рН среды и температуры. Они не выдерживают сильнощелочных сред и высоких температур.

            Технологическая схема ферментативной расшлихтовки проста. Ткань замачивают в теплой воде и выдерживают в течение 12 часов. За это время на поверхности ткани в среде набухшего крахмала развиваются бактерии, выделяющие амилазу, которая способствует гидролизу крахмала до низкомолекулярных сахаров, легко удаляемых при промывке. Процесс этот длительный, и для его ускорения предлагается вводить амилолитические препараты. Наиболее известны дифарин, амилосубтилин, супербиолаза.

            Наиболее эффективно применение бактериальных ферментов, например, амилаз, устойчивых в диапазоне температур 85 –120оС и рН = 6–9,5. Это позволяет производить расшлихтовку непрерывным способом по следующей технологии. Ткань пропитывается растворами ферментов, запаривается в среде насыщенного водяного пара и промывается. Длительность запаривания варьируется в зависимости от количества нанесённой шлихты и поверхностной плотности ткани и составляет 20 с – 10 мин. Эффективность расшлихтовки увеличивается при введении в состав гидротропных и поверхностно-активных веществ. Добавки ПАВ обеспечивают повышение смачиваемости суровой ткани, что ускоряет её пропитку раствором фермента, улучшает моющее и обезжиривающее действие промывного раствора.

            Сегодня на рынке текстильно-вспомогательных веществ (ТВВ) имеется широкий выбор ферментов амилолитического действия. Они различаются по происхождению: растительные (солодовый экстракт проросшего ячменя), животные (выделения желез внутренней секреции крупного рогатого скота), бактериальные (продукт жизнедеятельности бактерий, выращенных в питательных средах). Наибольшее распространение получили бактериальные амилазы вследствие хорошей воспроизводимости свойств и экономичности промышленного способа производства. Современные методы энзимологии позволили получить бактериальные амилолитические ферменты, отличающиеся химической и термостойкостью. В зависимости от вида применяемых амилаз и условий обработки расщепление крахмала составляет от 75 до 96%.

            Анализ рынка ферментативных препаратов для расшлихтовки указывает на преобладание зарубежной продукции. Среди ее поставщиков наиболее известны Novo Nordisk (Дания), Сlariant (Швейцария), Hoechst, Rudolf (Германия), Genencor International (США). Лидером можно назвать Novo Nordisk. Помимо амилаз, фирма специализируется на ферментативных препаратах для других стадий отделки. Импортные ферменты для расшлихтовки отличаются высокой активностью и стабильностью как в рабочем цикле, так и в условиях длительного хранения. В настоящее время Novo Nordisk поставляет целый набор препаратов, работающих в широком температурном интервале. Препараты под общим названием аквазим проявляют наибольшую активность при сравнительно низких температурах (40–50°С). Для средних температур предлагается аквазим ультра, для температур свыше 100°С — термамил. Устойчивость препаратов линии термамил в сильнощелочных средах (рН>12) позволяет успешно совмещать ферментативную расшлихтовку с отваркой и белением. Часто в шлихтовальные составы для улучшения пластичности добавляют жировые вещества. Недостаточная степень их удаления при подготовке может вызвать осложнения на заключительных стадиях отделочного производства. Чтобы это предотвратить, фирма Novo Nordisk выпустила «Дени Прайм», который стал первым в группе расшлихтовывающих препаратов с так называемой липолитической поддержкой. Его основу составляют амилаза и липолитический фермент, активно разрушающий жиры. Отмечено, что с «Дени Прайм» улучшаются не только качество подготовки, но и гидрофильность ткани и, как следствие, качество ее окраски. Для легких, малозасоренных тканей, выработанных из хорошего хлопка, вискозных и смешанных тканей расшлихтовка с использованием полиферментативных препаратов может успешно заменить отварку.

            Биорасшлихтовка плотных хлопчатобумажных тканей с высокой засоренностью не позволяет полностью отказаться от щелочной отварки. Однако, высокая степень расщепления крахмала позволяет проводить отварку по сокращенной схеме (длительность может быть снижена с 1,5–2 часов до 30–40 минут) и с пониженной в 2–4 раза концентрацией щелочи.

            Более рациональной и экономически выгодной является обработка ткани композиционными препаратами с разноактивными ферментами, способными даже в мягких условиях достаточно эффективно воздействовать не только на крахмал, но и на воскообразные вещества, пектины, азот- и лигнинсодержащие примеси, повышая гидрофильность и белизну ткани уже на стадии расшлихтовки. В качестве примера такого препарата можно назвать биотекс ПН (ОАО «Ивхимпром», г. Иваново). Он позволяет достичь хорошей гидрофильности и белизны хлопчатобумажной ткани после одноразового беления, что с обычными химреагентами сделать не удается.

            Расшлихтовка с помощью полиферментных составов устраняет специфичную для льняных тканей проблему. Из-за особенностей строения волокна и высокого содержания естественных примесей подготовка льняных и полульняных материалов представляет собой длительный, многоступенчатый процесс. Однако, наряду с обеспечением положенных для всех тканей белизны и капиллярности, необходимо не допустить нарушения целостности полотна. Поэтому применение более жесткого режима химической обработки здесь недопустимо. Результаты использования полиферментных составов (в частности, препарата биотекс ПН, включающего, помимо амилазы, пектиназу) в течение 30–60 минут показали, что можно резко сократить время подготовки за счет полного исключения щелочной отварки и достичь при этом высокого качества очистки. Остаточное содержание крахмала в отбеленной ткани составляет всего 0,5–0,8%, тогда как при щавелевой кислоте — до 5%.

            Целлюлазы в составе полиферментов позволяют придавать тканям совершенно новые, неожиданные эффекты уже на стадии расшлихтовки. В мире широчайшее распространение получила биополировка поверхности текстильных изделий. Суть ее заключается в том, что под действием целлюлазы происходит разрушение выступающих на поверхности тканей микроскопических волоконец, неровностей. Поверхность изделия выравнивается, приобретая блеск и гладкий, скользящий гриф. Этот же химический механизм лежит в основе разработок по биоопаливанию тканей, призванному заменить прежнюю пожароопасную операцию. Однако сведений о его промышленном освоении нет.

            Из ферментов, дополняющих амилазы, наиболее многообещающими являются липазы, липооксигеназы, способные разложить природные красители хлопка, осуществляя таким образом биобеление. Все они действуют в средах, близких к нейтральным (рН — 4,5–9,5), при температуре до 70°С. Рекомендуется использовать препараты, содержащие набор ферментов с различной активностью, а также поверхностно-активные вещества и стабилизаторы ферментов — соединения, предотвращающие их распад на стадии обработки и хранения. В настоящее время промышленно выпускаются полиферментные препараты на основе липаз (липоризин ГЗХ и липоаэрузин ГЗХ — Россия), пектиназ (биопреп 3000L, «ДениМакс комби» — Novo Nordisk; пектофоэтидин, МЭК-1, МЭК-ГПЛ — Россия), целлюлаз (целловиридин Г20Х — Бердский ферментный завод, Россия; целлюлазы IВТ-90, 100 — Польша; бактозоли МТN, СА и СЕ; IndigeR 2XL, 44L, MAX — Genencor International, США).

            Отварка тканей самая длительная и ресурсоемкая стадия отделочного производства. Большинство волоконных примесей разрушается и удаляется лишь при длительном — в течение 1,5–2 часов —воздействии щелочных растворов при температуре не ниже 100°С. Замена химических варочных сред на ферментативные позволяет существенно упростить операцию, проводить ее в щадящих условиях и с высоким эффектом. В качестве препарата для биоотварки (от англ. bioscoring) наилучшие показатели у целлюлазы, применяемой отдельно или в сочетании с другими ферментами. Гидрофильности текстильных материалов добиваются за счет разрушения целлюлозной составляющей первичной стенки волокон — поверхность становится пористой и восприимчивой к воде, химическим реагентам и красителям. Усилить действие целлюлаз можно добавками, расщепляющими нецеллюлозные, задерживающие воду примеси. С этой точки зрения более всего полезны пектиназы, которые вступают в реакцию с пектиновыми веществами. Весьма любопытен тот факт, что в тандеме «целлюлаза — пектиназа» оба компонента взаимно оказывают усиливающее влияние. Некоторые виды пектиназ могут работать и самостоятельно, разрушая пектины в наружном слое волокна и обеспечивая тем самым влагопроницаемость.

            Фирмой Novo Nordisk разработан препарат биопреп 3000L на основе так называемой щелочной пектиназы, которая позволяет успешно проводить биоотварку даже в отсутствие целлюлаз. Липазы и протеазы как самостоятельные вещества довольно пассивны, поэтому целесообразно их использовать только в полиферментных составах вместе с целлюлазами.

            Большой проблемой подготовки хлопчатобумажных тканей являются так называемые «галочки» — попавшие в ткань или трикотаж остатки от коробочек хлопчатника. Из-за нерастворимости их основного элемента — лигнина, темноокрашенные «галочки» чрезвычайно трудно удалить и обесцветить химическими методами без повреждения целлюлозных волокон. Энзимологи предлагают решить проблему с помощью лигниназ — ферментов, гидролизующих лигнин без разрушения волокна. Лигниназы будут чрезвычайно полезны и при «облагораживании» сурового льна, из которого до сих пор лигнин удаляется хлорсодержащими окислителями.

            В зависимости от вида применяемых целлюлаз, процедура может проводиться в кислой (рН — 4,5–5,5) или нейтральной (рН — 5,5–8) среде при температуре 40–50°С, т.е. бенз кипячения растворов. Особенно эффективно применение целлюлаз для повышения качества льняных тканей, ровницы, грубой пряжи. Наряду с уже описанными преимуществами, ферментная обработка придает волокнам гидрофильность, блеск, повышает способность к отбеливанию. Сырье для ровницы становится мягким и эластичным, что существенно облегчает прядение. Для отварки льна сегодня предлагаются мультиэнзимные препараты производства АО «Ивхимпром»: ленок-1, биолен, биотекс П. Препараты обеспечивают подготовку льняных материалов по ускоренной и укороченной технологической цепочке: низкотемпературная биообработка — промывка — перекисное беление — промывка — сушка. Льняное волокно, прошедшее обработку целлюлазами, приобретает приятную гладкость, блеск и мягкость.

            В настоящее время предложены решения для промывки тканей в присутствии ферментов амило- и целлолитической природы. Наилучший вариант — их сочетание с неионогенными ПАВ (парфюмерно-ароматическими веществами), когда возможно избавиться от крахмала даже при низких температурах обрабатывающего раствора. Ферменты не только значительно упрощают саму операцию. Благодаря им удается снизить затраты и вред, причиняемый окружающей среде. Хорошие результаты промывки получают с биотексом ПН (АО «Ивхимпром»).

            Публикаций о применении ферментов в крашении и печатании текстильных материалов, а также для модификации самих волокон все еще мало. Для улучшения сорбционных свойств целлюлозных волокон используются целлюлазные комплексы. В результате биообработки в 2—3 раза увеличиваются удельная площадь поверхности и удельный объем волокна. Разработка технологии крашения хлопчатобумажных тканей в присутствии ферментов  обеспечит улучшение колористических характеристик готовых текстильных изделий в более мягких щадящих условиях, уменьшит содержание примесей в сточных водах.

 

Литература

Кричевский Г.Е., Никитков В.А. Теория и практика подготовки текстильных материалов. М.: Легпромбытиздат. 1989, 208 с.

Кричевский Г.Е. Химическая технология текстильных материалов. Т. I, М., 2000 г.

Чешкова А.В., Лебедева В.И., Мельников Б.Н. // Исследование деструкции воскообразных веществ хлопка под действием ферментов // Изв. ВУЗов. Химия и химическая технология, т.38, вып. 4-5, 1995.– С.91-95.