|
بررسی پردازش زیستی برای پوشاک و منسوجات هوشمند
استفاده از آنزیم ها در فرآوری مواد غذایی، صنایع چرم و کاغذ، به عنوان پودرهای شوینده، و در فرایند و سایزینگ تولید نخ کاملاً تثبیت شده است اما بیوکاتالیز نیز وارد چرخه پردازش منسوجات شده است آنزیم ها، یعنی بیوکاتالیزهای دارای فعالیت ویژه و گزینشی، امروزه به وسیله فرایندهای بیوتکنولوژیکی (زیست فناوری) به مقادیر زیاد و کیفیت ثابت تولید شده اند و بنابر
|
|
| دسته بندی | نساجی |
| فرمت فایل | doc |
| حجم فایل | 28 کیلو بایت |
| تعداد صفحات فایل | 43 |
پردازش زیستی برای پوشاک و منسوجات هوشمند
1- مقدمه
استفاده از آنزیم ها در فرآوری مواد غذایی، صنایع چرم و کاغذ، به عنوان پودرهای شوینده، و در فرایند و سایزینگ تولید نخ کاملاً تثبیت شده است. اما بیوکاتالیز نیز وارد چرخه پردازش منسوجات شده است. آنزیم ها، یعنی بیوکاتالیزهای دارای فعالیت ویژه و گزینشی، امروزه به وسیله فرایندهای بیوتکنولوژیکی (زیست فناوری) به مقادیر زیاد و کیفیت ثابت تولید شده اند و بنابراین در فرایندهای با مقیاس بزرگ کاربرد دارند.
از دیدگاه کاربردهای جدید که حاصل طراحی آنزیم های مربوط به فرایندهای ویژه است، یک تقاضا برای اشتراک مساعی بین بیوشیمدان ها و شیمیدان های نساجی وجود دارد.
علاوه بر الیاف پروتئینی طبیعی مانند پشم و ابریشم و الیاف سلولزی طبیعی مانند پنبه، کتاب و شاه دانه، الیاف مصنوعی دارای اهداف فرایندهای بیوکاتالیزی نیز هستند. در اندودکاری پنبه ای به جای فرایندهای شیمیایی به طور گسترده از فرایندهای آنزیم- کاتالیز استفاده شده است. علاوه بر بیواستوئینگ و اندودکاری زیستی که کاملاً شناخته شده اند، ویژگی هایی مانند Modifiad harde, used look به وسیله اندودکاری آنزیمی شناسایی شده است. به علاوه، پتانسیل برای جایگزینی پشم شویی قلیایی در معالجه با پنبه، با استفاده از آنزیم هایی مانند پکتیناس وجود دارد. کاتالازها برای نابود کردن پروکسید باقیمانده در حمام های سفید شویی، آسان کردن استفاده مجدد از لیکور ممکن افزوده می شوند که منجر به یک فرایند دوستانه محیط زیست و مؤثر از نظر هزینه میگردد. در اندود کردن پشم در آنزیم ها (بیشتر پروتزها) برای دستیابی به خاصیت ضدچروک استفاده می شود. خواص منسوجات پشم مانند کار با دست، سفیدی و براقیت به وسیله واکنش آنزیم های کاتالیزی بهبود یافته است. در مراحل اولیه حلاجی پشم مانند کربونیزاسیون و پشم شویی خام دورنمای کاربرد آنزیم ارزیابی شده است. علاوه بر این فرایندهای زیستی توصیف شده منجر به کاهش دانه سازی و بهبود رنگ پذیری می شود. صمغ زدایی ابریشم در گذشته به کمک صابون قلیایی یا اسیدیصورت می گرفت که اکنون پروتز می شود، برای بهبود کیفیت و ثبات الیاف کتان یک رطوبت دهی آنزیمی ویژه جایگزین رطوبت دهی میکرو بیال یا شبنمی شده است. به علاوه، رنگ پذیری ابریشم به وسیله تنزل آنزیم کاتالیزی مواد پکتیک بهبود یافته است بدون اینکه آسیبی به اجزاء سلولزی وارد شود. شاه دانه از نظر آنزیمی با توجه به تبلورپذیری، دسترس پذیری و «ساختار منفذدار» اصلاح شده است. از طریق فیبریلاسیون کنترل شده و آنزیم کاتالیزی الیاف لیوسل، اثر معروف به «پوست هلویی» ایجاد شده است. گستره وسیعی از کاربردها و دورنماهای زیادی جهت استفاده از آنزیم ها در پردازش منسوج وجود دارد که به تأثیر مثبت بر محیط زیست منتهی می گردد. در این فصل توسعه های جدید در زمینه پردازش آنزیمی منسوجات را بررسی نموده و درباره مزیت ها و محدودیت های این فرایندهای اندودکاری (تکمیلی) بحث می کند.
استفاده از آنزیم ها در فراوری مواد غذایی، صنایع چرم و پوشاک، به عنوان افزودنی در پودرهای شوینده و دسایزینگ تولید نخ تثبیت شده است. در حال حاضر، فرایندهای آنزیمی گسترش یافته اند، که هدف آنها اصلاح ظاهر و عملکرد منسوجات پشم و پنبه است.
آنزیم ها بیوکاتالیزهایی با فعالیت ویژه و انتخابی هستند و واکنش های متمایز را شتاب بخشیده و بعد از واکنش بدون تغییر باقی می مانند. از دیدگاه اکولوژیکی و اقتصادی، پارامترهای واکنش مناسب فرایندهای آنزیم کاتالیزی و احتمال وجود آنزیم های دارای چرخه مجدد به ویژه جالب است. امروزه، آنزیم ها به وسیله فرایندهای بیوتکنولوژیکی به مقدار زیاد و با کیفیت ثابت تولید می شوند، بنابراین امکان استفاده از آنزیم ها در فرایندهای بزرگ وجود دارد. پیشرفت در زمینه مهندسی ژنتیک به تولید کنندگان آنزیم توانایی طراحی یک آنزیم برای یک فرایند خاص را می دهد مثل بهینه با توجه به پایداری دما یا PH . طراحی یک آنزیم برای یک هدف خاص نیاز به درک عمل کاتالیتیک آنزیم بر روی یک ماده خاص دارد. یعنی در مورد ماده فیبر طبیعی، طراح یک فرایند آنزیمی باید دانش خاصی در مورد مورفولوژی پشم یا پنبه، تأثیر یک آنزیم خاص بر اجزاء فیبر و در نتیجه بر خواص کلی ماده فیبر داشته باشد. علاوه بر این، برای ارزیابی فرایند آنزیم، نتایج عملیات آنزیمی باید با نتایج پردازش شیمیایی معمولی مقایسه گردد. اولین فرایند آنزیمی در اندودکاری منسوج فرآیند دسایزینگ با استفاده از آمیداز بود. بسیاری از عرصه های اندودکاری منسوج از آن پس گشوده شده است. امروزه، چشم انداز در زمینه توسعه اندودهای فشاری و بادوام جدید برای پنبه وجود دارد مانند اتصال عرضی در زمینه حذف رنگ پخش شده و در زمینه ترکیب کردن الیاف مصنوعی. به علت ماهیت پروتئینی آنزیم ها، ایمنی استفاده از آنزیم ها اغلب مورد سئوالاست چون استنشاق مکرر ماده پروتئینی می تواند باعث واکنش های آلرژیک در بعضی افراد شود. توجه به این نکته مهم است که هیچ شواهدی که نشان دهد آلرژیهای آنزیمی از طریق تماس پوستی منتقل شده اند وجود ندارد. با آنزیم های توان با اطمینان کار کرد و همچنین با تجهیزات محافظ شخصی مناسب، در طرح تولید از ذرات آنزیم و فرمولاسیون های پودری باید اجتناب کرد. در حالی که فرمولاسیون های دانه ای (با قابلیت غباری پایین) و مایع (با فعالیت مکانیکی در رگ های بسته) را می توان توصیه کرد. پتانسیل بارز برای آنزیم قابل توجه است. یک مطالعه به ازای بیانر آن است که از سال 1992 مبلغ 350 میلیون دلا باید به 588 میلیون دلار در سال 2000 رسیده باشد و بیشترین دغدغه درباره کاربردهای جدید آن در صنایع کاغذسازی، شیمیایی و داروسازی و در بازیابی زباله ها باشد.
2- رفتار پشم با آنزیم ها
1-2 ریخت شناسی پشم
پشم به عنوان یک فیبر طبیعی پیچیده عمدتاً از پروتئین (%97) و لیپیدها (%1) تشکیل شده و ماده ای ایده آل برای چند گروه از آنزیم ها است (مانند پروتئازها و لیپازها) فیبر پشم شامل و بخش عمده از لحاظ ریخت شناسی است: بشره (کوتیکل) و قشر (کورتکس). بشره متشکل از سلول های روی هم افتاده اطراف بخش داخلی فیبر، یعنی قشر می باشد. دومی از سلول های دوکی شکل قند ساخته شده که به وسیله غناء سلول از یکدیگر جدا شده اند. بشره به دو لایه اصلی تقسیم می شود: اگزو (با لایه) و اندوکتیکل و یک غشاء دورترین نقطه که اپیکوتیکل نامیده می شود باعث واکنش آلوردن الیاف پشم با آب کلردار می گردد. یک جزء مهم کوتیکل 18- متیل لیکوسانوئیک اسید است. در یک مدل از اپیکوتیکل که به وسیله نگری و همکارانش ترسیم شده، این اسید پرچرب در کنار یک ماتریس پروتئین قرار دارد تا یک لایه را بسازد. بر طبق قول نگری و همکاران، این لایه که به لایهF معروف است. را می توان با قرار دادن پشم در محلول های کلردار یا قلیایی الکلی زدود، بنابراین رطوبت پذیری آن افزایش می یابد. ویژگی مهم دیگر اتصال عرضی اگزوکوتیکل است، مثلاً لایه حاوی 35% سیتین است. علاوه بر پیوندهای نرمال ؟؟، کوتیکل با پیوندهای ایزو دی پپتید، لیزین 4-(r-glutamy) اتصال عرضی دارد.
کاراکتر هیدروفوبیک لایه، به طور خاص به وسیله مقادیر زیاد اتصالات دی سولفید ایجاد شده و ماده لیپید منشأ سدهای دیفوژن است مثلاً برای مولکول های رنگ، بنابراین ترکیب و ریخت شناسی سطح پشم ابتدائاً در فرایندهای پیش رفتاری فیبر اصلاح شده است.
2-2واکنش های ناهمگن- عمل کاتالیک آنزیم ها روی پشم و پنبه
استفاده از پشم یا پنبه به عنوان اجزاء مورد عمل برای واکنش های آنزیم کاتالیزی، دنباله رویی از یک نوع خاص سینتیک آنزیم بوده است. در سیستم ناهمگن آنزیم انحلال پذیر و آنزیم جزء مورد عمل جامد، دیوفوژن، نسبت به سیستم ناهمگنی که در آن هم آنزیم و هم جزء مورد عمل قابل حل هستند، نقش قاطع تری دارد. در واکنش ناهمگن، سینتیک نه تنها به غلظت اجزاء شرکت کننده در واکنش بلکه به ماده و مقدارPH لیکور نیز وابسته است؛ دیفوژن آنزیم، به عنوان یک پارامتر اضافی در فاز جامد جزء مورد عمل و دیفوژن محصولات واکنش خارج از فاز جامد به داخل لیکور نیز باید مورد توجه باشند.
محصولات واکنش ماند پپنیدها در مورد پشم و الیگوساکاریدها در مورد پنبه، زمانی که پخش خارج از فیبر باشد به عنوان یک جزء مورد عمل در لیکور عمل می کند. بنابراین بخشی از آنزیم ها در مجاورت ماده انحلال پذیر در حمام واکنش است.
نفوذ آنزیم از لیکور به داخل فیبر (پشم) مشابه نفوذ یک رنگینه است، مراحل زیر باید مورد توجه قرار گیرند:
1- نفوذ آنزیم در حمام
2- جذب سطحی آنزیم در سطح فیبر
3- نفوذ از سطح به داخل بخش درونی فیبر
4- واکنش آنزیم کاتالیز شده
ساختار پیچیده الیاف طبیعی، به ویژه اصلاح فیبرآنزیمی را پیچیده کرده است. آنزیمهایی مانند مانند پروتئاز و لیپاز تنزل اجزاء مختلف یک فیبر پشم را تسریع می کند، بنابراین کنترل واکنش را مشکل می سازد. یکبار که پروتئاز به داخل لایه درونی فیبر نفوذ کند بخش های اندوکتیکل و پروتئین غشاء سلول را هیدرولیز می کند، بنابراین اگر کنترل نشود منجر به آسیب جدی به فیبر پشم می شود. بنابراین حداقل برای بعضی کاربردها، محدودکردن فعالیت آنزیمی به سطح فیبر مطلوب است مثلاً با ثابت کردن آنزیم و نتایج واکنش پشم با آنزیم های پروتئولیتیک به علت نداشتن دانش کامل درباره (الف) تاریخ پرازش جزء مورد عمل و (ب) میزان تأثیرگذاری شرایط خاص پردازش بر رفتارهای آنزیمی حاصله، غیر قابل پیش بینی است. برای روشن کردن این موضوع، اثرات گونههای یونی جذب شده روی آنزیم، سینتیک واکنش و جذب مورد مطالعه قرار گرفت.
برای پنبه، محدود کردن آنزیم به سطح فیبر به راحتی امکانپذیر است، چون سلولز که یک ماده کاملاً بلورین است و دارای فقط مقدار کمی آمورفوس می باشد، نفوذ آنزیم ها به داخل فیبر پنبه را تقریباً غیرممکن می سازد. بنابراین با تنظیم دوز آنزیم و انتخاب نوع آنزیم، عمل تسریع کنندگی آنزیم به سطح پنبه و نواحی آمورفوس (بی شکل) محدود می شود و کل فیبر را دست نخورده باقی می گذارد.
3-2- ضدچروکی
یکی از خواص ذاتی پشم تمایل آن به نمدی شدن و چروک خوردگی است. نظریه های مختلفی درباره منشاء نمدی شدن پشم وجود دارد. کاراکتر هیدروفوبیک و ساختار ناهموار سطح پشم عوامل اصلی هسته که باعث اثر اصطحکاکی افترقی (DFE) می شود که نتیجه آن در تمام فیبرها به سمت ریشه آنها حرکت می کند در زمانی که عمل مکانیکی در حالت خیس صورت گرفته است.
بنابراین هدف فرایندهای ضدچروک در اصلاح سطح فیبر چه با روش های اکسایش و چه کاهشی، و یا با استفاده از رزین پلیمر روی سطح، می باشد. متداولترین و تجاری ترین فرایند (فرایند کلری/هرکوست) شامل یک مرحله کلری شدن است که پس از آن مرحله کلرزدایی و کاربرد پلیمر است. کلریناسیون باعث اکسید شدن پسماندهای ؟؟ به پسماندهای سیمتیک اسید در سطح فیبر می شود و به پلیمر کاتیونیک اجازه می دهد که بخش شده و به سطح پشم بچسبد. کلریناسیون تولید محصولات جانبی (Aox) می کند در سیال خروجی ظهر می شود و نهایتاً ممکن است ایجاد سمیت در کل زنجیره غذایی و برداشته شدن به وسیله ارگانیسم های آبی کند. بنابریان تقاضای زیادی برای گزینههای دوستانه محیط زیست وجود دارد.
با درنظر گرفتن مسائل مربوط به فرایند ضدنمدی متداول ذکر شده در بالا، واضح است که بیشتر فرایندهای آنزیمی دغدغه شان توسعه روش هایی برای جلوگیری از چروک است. شرایط لازم برای یک فرایند آنزیمی به وسیله هافلی مورد بحث قرار گرفت. اثر ضدنمدی باید بدون استفاده از یک رزین مصنوعی به دست آید، فقط باید از «شیمی نرم» استفاده گردد و کل فرایند باید نسبت به محیط زیست دوستانه باشد و هیچ ماده زیان آوری تولید نکند، قضیه ای که هنوز در تمام فرایندهایی که از آنزیم به عنوان عامل اصلی فیبر استفاده می کنند اجرا نشده است. در بعضی از فرایندهای اندودکاری آنزیمهای اولیه، پشم با کلریناسیون گازی (فرایند کلرزیم) یا به وسیله H2O2 (فرایند پرزیم) پیش از آنکه یا پایین رشد نهفته داشته باشد، واکنش می داد و گیاه تولید پروتئاز و بی سولفیت می کرد. این فرایندها باعث حذف کامل سلول های کوتیکل می شدند به علت قیمت های بالای آنزیم های به کار رفته در اتلاف وزن غیرقابل تحمل فیبرها، این فرایندهای آنزیمی ترکیب شده اولیه هرگز به یک مقیاس صنعتی نرسیدند.
بخش عمده فرایندهای آنزیمی منتشر شده در چند سال گذشته نیز شامل فرایندهای ترکیبی بودند. در سال 1983 یک فرایند برای افزایش مقاومت پشم در مقابل چروک خوردگی تشریح شد که کاملاً فیبرها را پوسته زدایی کرد. این واکنش از پتاسیم پرمنگنات (KMnO6) به عنوان یک عامل پیش اکسید و یک واکنش پروتئویک استفاده کرد و مقاومت پیلینگ خاصی برای الیاف پشم به وجود آورد.
نه تنها فرآیندهای فعلی نیز شامل استفاده از عوامل کلرزدایی است. اینو یک فرایند سه مرحله ای را توضیح داد: مرحله اول شامل به کار گیری مخلوطی از پاپائین، مونواتانولامین هیدروسولفیک و اوره، مرحله دوم یک واکنش با دی کلروایزوسیانریک اسید و مرحله آخر باز هم یک واکنش آنزیمی است که باعث کاهش سطح چروک خوردگی پارچه های واکنش داده به این ترتیب می گردد. کانل و همکاران یک پروتئاز از قبل افزده شده به کلریناسیون مرطوب یا افزایش اکسایش را با سدیم هیپوکلریت و پتاسیم پرمنگنات ترکیب کرده و با بکارگیری پلیمر اضافی در پی به دست آوردن یک چروک خوردگی پارچه با سطح کاهش یافته بودند.
نه تنها فرایندهای پیش افزوده شیمیایی بلکه فیزیکی نیز با آنزیم های افزوده شده به پشم ترکیب شده اند. در یک فرایند ثبت شده به وسیله ناکانیشی و ایواساکی یک پلاسمای دارای درجه حرارت کم و پیش از افزوده شدن به عنوان ضدچروک پلیمری برای الیاف مورد استفاده قرار گرفتند. از این آنزیم برای جذب الیاف بیرون آمده از سطح پارچه استفاده شد. بنابراین دستیابی به یک نرمی بیشتر نیز حاصل گردید. سیامپی و همکاران یک واکنش پروتئاز را با یک واکنش گرمایی در بخار اشباع شده ترکیب کردند و فورنلی و سورن استفاده از پرتوافکنی با فرکانس باال (HF) بر ماده آنزیم دار را تشریح کردند.
در سال1991، Schodler superwash 2000 پشم به وسیله شیندلر گزارش شد. این واکنش یک فرایند سه مرحله ای شامل پیش افزایش جعبه سیاه، یک افزودن آنزیم و به کارگیری یک رزین پلی آمیدAox-Low است. در فرایند گزارش شده به وسیله اولباج (که فرایند شولر نیز گفته می شود) یک «پیش افزایش شیمیایی حداقل خاص» به عنان لازمه فرایند آنزیمی توضیح داده شد. در این فرایند یک سوپر واش استاندارد به دست آمد بدون اینکه از یک زین استفاده شود. فوزنلی استفاده از یک رزین به عنون (still imperative) برای دستیابی به یک اثر کارآمد ضدنمدی در آنزیم را گزارش کرد (Blo-LANA) زیرا به وسیله «براده برداری آنزیمی» از «اپیکوتیکل ناهموار» فیبر پشم فقط یک درجه خاص اما ناکافی از ضد نمد مالی به دست آمده بود. این کار به وسیله ریوا و همکارانش که نقش یک آنزیم در اهش چروکی پشم گزارش شده بود، مورد تائید قرار گرفت. گفته می شود که پروتئاز به کار رفته (streptomyces fradiate) در کاهش چروک پشم مؤثر بود اما در مورد سطوح ضدچروک مطلوب برای پشم که به شدت با ماشین شسته شده است نتایج چروک خوردگی از طریق افزودن سدیم سولفیت بهبود نیافته بود. استفاده از پروتئازها یا بعد از افزودن اکسایش با استفاده از هیدروژپروکسید یا افزودن پلاسمایی بود. مقاومت در برابر نمدی شدن به وسیله آنزیم بعد از افزودن به گونه ای قابل توجه اصلاح شده بود. چروک خوردگی پشم بعد از اضافه کردن پروتئاز کاهش یافت اما با توجه به بازده افزودن یک پروتئاز به تنهایی، اظهار شده بود که مثلاً افزودن Basalan DC هنوز برتر بود. از این دیدگاه این سؤال پیش آمده بود که چقدر باید شستشو شود تا درجه فیلتینگ پشم آنزیم دار در یک ماشین خانگی قابل مقایس با پشم کلرین دار باشد.
ویژگی مشترک فرایندهایی که تاکنون گزارش شده استفاده از آنزیم های پروتئلیتیک است. در بخش زیر، یک بررسی در مورد فرایندهای مفروض که در آنها از سایر گروههای آنزیم استفاده شده است صورت گرفته است.
