вернутся к оглавлению

вернутся
к оглавлению

 

УДК 677.826.021:577.16

Современное состояние и перспективы использования биохимических процессов в текстильной промышленности.

Б.Н.Мельников, А.В.Чешкова, В.И.Лебедева

Ивановский государственный химико-технологический университет, г. Иваново.

© 1998 Институт химии растворов РАН

Получено 25.11.97 г.



Анализ мировой практики разработки и использования биопроцессов обнаруживает постоянный интерес к этой области науки и технологии [1, 2].

На кафедре химической технологии волокнистых материалов ИГХТА в рамках программы "Высокоэффективные технологии развития социальной сферы" проведены комплексные исследования по использованию биокаталитических процессов в технологиях отделочного производства текстильных предприятий. Теоретически и экспериментально обоснован принципиально новый подход к построению технологических процессов с использованием биохимических катализаторов для подготовки текстильных материалов.

На основании изучения скорости и полноты удаления сопутствующих веществ целлюлозы хлопка и льна при воздействии ферментов с различной субстратной активностью и химизма процесса биодеструкции примесей разработан системный подход к выбору ферментных препаратов для создания полиферментных композиций, обеспечивающих наиболее полную очистку текстильных материалов от сопутствующих примесей и искусственно нанесенных загрязнений в процессах подготовки, крашения, промывки, при минимальном повреждении волокна (схема 1 ). Выбор ферментов осуществлялся с учетом их специфической активности, факторов дезактивации и активации, стабильности систем в условиях обработки текстильного материала [3].

Из представленных в табл. 1. и на рис. 1а, рис. 1б, рис. 1в экспериментальных данных наглядно видна специфика биовоздействия выбранных ферментов на отдельные компоненты примесей ткани и результаты последующего перекисного беления. Так, при обработке амилолитическими препаратами - амилосубтилином, амилоризином, глюкаваморином - достигается освобождение ткани от шлихты соответственно на 84, 82,2 и 75 %. При обработке композицией ферментов при температуре не более 60 оС, степень удаления шлихты составляет 85-90 %, что на 10-15 % выше, чем при обработке едким натром в условиях запаривания (98-100 оС). Высокая деструктирующая активность композиции ферментов по отношению к крахмалу шлихты обеспечивается множественностью "атак" на субстрат [3] (рис. 1, схема а). Обладая высокой декстриногенной активностью, препараты на основе амилаз практически не затрагивают лигнинный компонент примесей и воскообразные вещества. При обработке ткани амилазами не обеспечивается требуемая гидрофильность ткани и капиллярность составляет не более 100 мм, что недостаточно для сорбции волокном белящих реагентов при последующем перекисном белении. Низкотемпературная ферментативная расшлихтовка амилолитическими ферментами не может полностью заменить операцию щелочной отварки при подготовке хлопчатобумажных тканей повышенной плотности и высокой засоренности [4, 5].

Микробиологической промышленностью, на данный момент, недостаточно широко освоено производство технических продуктов, способных деструктировать воски и лигнин, использование которых не приводило бы к удорожанию себестоимости продукции. Наиболее приемлемыми для нужд текстильной промышленности могут служить липазы микроорганизмов Mucor pusillos, Aspergillus niger и окислительно-восстановительные ферменты базидиомицетов Coriolus hirsutus и Coriolus poliporizae [6].

Обработка ткани липазой приводит к повышению водопоглощения текстильных материалов, и их капиллярность после обработки составляет более 120 мм (табл. 1). Этот эффект обусловлен способностью липаз катализировать реакцию гидролитической деструкции воскообразных веществ, придающих суровой ткани свойство несмачиваемости. В отличие от процессов омыления воскообразных веществ в присутствии щелочного агента деструкция восков под действием липаз проходит при температурах от 40 до 60 оС. При обработке композицией ферментов дополнительный эффект гидрофилизации ткани обеспечивается активностью оксидаз за счет ступенчатого окисления предельных жирных кислот (рис. 1, схема б) [4, 5].

Высокая лигнолитическая активность отмечена для ферментов окислительно-восстановительного действия оксидоредуктазы и полифенолоксидазы (табл. 1). Уже в процессе биообработки за счет высокоселективной активности оксидаз по отношению к моно- и полифенолам, к которым и относится лигнин, обеспечивается освобождение текстильного материала от наиболее трудноудаляемого лигнинного компонента на 16-58 %. Это сравнимо с результатами высокотемпературной щелочной отварки. Спектральные исследования продуктов биодеструкции лигнина показали [6, 7], что деструкция лигнина под действием оксидаз происходит через реакции деметилирования, разрыва beta.gif (884 bytes)-эфирных связей, при длительном воздействии - раскрытия бензольного кольца. При этом фермент выполняет функцию переносчика электронов (рис. 1, схема в).

Методом программного моделирования процесса рассчитан состав композиционного биопрепарата на основе ферментов с различной субстратной активностью для подготовки хлопчатобумажных тканей. Выявлены оптимальные технологические параметры процесса биообработки. Область оптимальных температур и щелочность рабочих растворов, при которых достигается требуемое ГОСТ качество, значительно ниже, чем при классических режимах щелочной отварки, и соответствуют 40-60 оС, рН = 5,5-9,5 (рис. 2). Высокоселективное воздействие на примеси ткани при биообработке позволяет максимально сохранить целлюлозу и тем самым улучшить прочностные показатели готовых тканей.

Испытания ферментсодержащих препаратов в производстве показали, что наряду с высокой степенью расшлихтовки с их помощью обеспечивается удаление до 70 % воскообразных веществ за 25-30 мин обработки при 45-55 оС. Высокая степень очистки ткани в условиях биообработки позволяет полностью исключить энергоемкую стадию щелочной отварки из технологического процесса подготовки хлопчатобумажных тканей и при последующем перекисном белении получить полностью отбеленные ткани с белизной более 80 %, капиллярностью 140-160 мм. После всего цикла беления удельная вязкость медноаммиачных растворов целлюлозы сохраняется на высоком уровне.

Совместно с АО "Ивхимпром" организован выпуск в промышленных условиях биопрепаратов Биотекс П и Биотекс Ж, включающих ферменты, стабилизаторы и ПАВ. Выработаны рекомендации для использования их на различных этапах подготовки широкого ассортимента хлопчатобумажных тканей и тканей из смеси хлопковых и химических волокон.

Биотехнология подготовки хлопчатобумажных тканей прошла производственную проверку на текстильных предприятиях г. Иванова (АО НИМ, АООТ "Самойловский комбинат"). Обработка ткани осуществлялась на серийном оборудовании непрерывного действия как в жгуте (линия ЛЖО-2), так и расплавленным полотном (линия ЛОБ-180) (рис. 3, схема а, б).

Особенность тканей из смеси хлопка и химических волокон, которую необходимо учитывать при отделке, состоит в их пониженной устойчивости к высокотемпературному воздействию щелочных и перекисных растворов. Обработка популярного ассортимента тканей из смеси хлопка и полиэфирного волокна или сиблона (высокомодульного волокна) по технологическим режимам, предусматривающим использование щелочных сред при высокой температуре, что требуется для подготовки хлопковой составляющей, может приводить к образованию устойчивых деформаций ткани в виде "заломов" и "заминов". "Щадящая" биообработка является одним из возможных путей решения этих проблем.

Выявлена область оптимальных концентраций гидроксида натрия и перекиси водорода, обеспечивающих при совместном использовании с ферментными препаратами класса гидролаз необходимые показатели: белизна - 80 %, капиллярность - 120-160 мм и степень расшлихтовки - 80-90 %. Как видно из рис. 4, оптимальная щелочность ферментно-перекисного раствора составляет 1-1,3 г/л [8]. Это вдвое ниже, чем при существующих режимах одностадийного беления тканей.

Определены оптимальные технологические параметры совмещенного процесса биорасшлихтовки и беления для широкого ассортимента смесовых тканей новых структур с целью реализации биотехнологических режимов на действующем оборудовании: линии ЛРБ-140 и ПАЖ-180. Биотехнология беления хлопкосиблоновых тканей и вискозных штапельных тканей прошла производственные испытания в условиях ХБК им. Самойлова. Результаты испытаний приведены в табл. 2 .

Разработанные биотехнологические режимы подготовки тканей из смеси хлопка и химических волокон позволяют наряду с получением необходимых показателей белизны и капиллярности придать тканям мягкий шелковистый гриф, драпируемость, повысить их прочностные характеристики, при сокращении длительности процесса, температуры обработки, снижении расхода химматериалов, технологической воды и пара (рис.3, схема в).

Использование биотехнологических режимов в производстве, как показала практика, позволяет решить и ряд экологических проблем за счет снижения тепловыделения, сокращения щелочных стоков, улучшения условий труда работающих.

Особенно актуальным на данный момент считается усовершенствование технологических режимов облагораживания льняных тканей с целью снижения себестоимости их производства, улучшения качества продукции, повышения экологичности процессов за счет исключения гипохлоритных обработок.

Учитывая особенности структуры и свойств льняных волокон выбраны ферментативные препараты отечественного производства, способные модифицировать пектиновые вещества, облегчить их удаление в процессе подготовки. Разработана серия препаратов на основе ферментов различной субстратной активности, включающих пектиназы и амилазы, стабилизаторы и ПАВ, для очистки льна от нецеллюлозных примесей на различных этапах подготовки. Разработанные биокомпозиционные системы обладают высокой моющей (90-92 %), шлихторазрушающей (50-85 %) способностью при степени очистки льна от пектиновых и белковых веществ на уровне 25-80 %, воскообразных веществ - до 30 %.

Оценена возможность применения биообработки в технологиях облагораживания льняной и полульняной ровницы [9]. Ферментативно обработанная ровница по степени освобождения от нецеллюлозных примесей не уступает ровнице, подвергнутой обработке химическими реагентами. За счет гидролитической деструкции пектиновых веществ, разрушения пектин-лигнинного комплекса, модифицикации структуры комплексных льноволокон обеспечивается более высокая мацерирующая способность волокон. Биообработанная ровница отличается гибкостью и эластичностью. После окислительной варки ровница имеет требуемую белизну, капиллярность, удовлетворительную прочность. Сравнительные результаты беления льняной ровницы с предварительной биообработкой приведены в табл. 3 .

Рекомендованы технологические режимы с включением биообработки для получения ровницы "цвета серого льна". Предварительная биообработка позволяет вдвое снизить концентрацию щелочного реагента в варочном растворе. При этом достигается качество ровницы на уровне отварки по классическому режиму.

Показана целесообразность применения низкотемпературной биообработки для расшлихтовки взамен щелочных, кислотных или гипохлоритных обработок льняных жаккардовых полотен, полульняных тканей и тканей из смеси льна и химических волокон. Созданы схемы возможной модернизации технологических процессов их подготовки на основе принципов снижения энерго- и материалоемкости процесса, экологичности, рентабельности. Обработка полульняных и льняных тканей по непрерывному способу на линиях типа "Текстима", ЛЖО-1Л, "Кляйнвеферс" или полунепрерывных типа ВК-3 по технологии, включающей биообработку перед перекисным или гипохлоритно-перекисным белением, позволяет получить отбеленную ткань, отличающуюся повышенной белизной, гигроскопичностью, устойчивостью на истирание, более высокой драпируемостью, мягким грифом.

На Гаврилов-Ямском льнокомбинате проведены производственные испытания беления льняных и полульняных тканей широкого ассортимента с использованием биорасшлихтовки препаратом Биотекс П. Получены положительные отзывы производственников. Отмечено высокое качество отбеленных тканей (табл. 4 ), а также повышение колористических и физико-механических показателей этих тканей после крашения. Новые технологические режимы позволят улучшить условия работы за счет замены гипохлоритных обработок на биообработку и сократить стадийность процесса подготовки, расход пара и технологической воды (рис. 5, схемы а-в).

Новым направлением использования биопроцессов является котонизация короткого льняного волокна. При получении длинного льняного волокна на отечественных заводах первичной обработки выделяется 60-75 % короткого волокна, которое используется лишь на 30 % для производства материалов технического назначения. Это низкосортное волокно является по своей природе ценным натуральным сырьем.

В последнее время активизировались работы по использованию короткого льняного волокна для выработки пряжи на основе котонина на хлопкопрядильном оборудовании в смеси с хлопковым или химическими волокнами. Процесс подготовки льна осуществляют по технологиям механического штапелирования или высокотемпературной механо-химической обработки.

Нами предложен новый подход к процессу облагораживания короткого льноволокна путем комбинирования процессов биомодификации и механической обработки. Котонизирующий эффект достигается за счет "мягкого", низкотемпературного ферментного расщепления веществ, соединяющих лубную ткань, кожицу и колленхиму (костру) и частично пектинов, склеивающих элементарные волокна внутри пучков при сохранении требуемой прочности волокна и длины не менее 30 мм [10].

Совместно с АО "Ниипетронить" и НИЭКМИ оценена возможность использования биомодифицированного льноволокна в прядении в смеси с хлопком. На базе АО "Меланж" наработаны образцы хлопкольняной пряжи No 20-50 прочностью 11-14 гс/текс, а также образцы тканей бязевого ассортимента при содержании биомодифицированного льноволокна в смеси от 8 до 20%.

Предварительный технико-экономический расчет показал, что затраты на переработку низкономерного короткого льняного волокна с учетом стоимости исходного сырья и себестоимости биомодификатора значительно ниже рыночной стоимости хлопкового волокна. Использование биомодифицированного льноволокна в пряже приводит к удешевлению производимой хлопкольняной ткани в 1,5-2 раза при сохранении качества ГОСТ.

В настоящее время на кафедре проводятся исследования по использованию ферментативных катализаторов в процессах крашения и промывки тканей после печати [11, 12]. Получены положительные результаты, формируется банк данных по этим тематикам для представления в научно-технические программы и апробации технических решений в отделочном производстве.

вернутся к оглавлению

вернутся
к оглавлению