Ανάπτυξη καινοτόμων τεχνικών για την προεπεξεργασία κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων βάμβακος με ένζυμα

Abstract

The serious waste water pollution caused by textile industry, the damage of the equipment and the fabric itself, due to the harsh chemicals, has oriented recent research towards application of enzymes in wet processes (desizing, scouring, bleaching, etc). The main objective of the present PhD study was the development of an enzymatic-based process for the removal of cotton impurities. Furthermore the possibility to scale up this process was investigated. The scouring of the cotton fabrics is a process, which aims to improve the absorbency of textiles materials, removing from the fibers the non-cellulosic natural matter (fats, waxes, pectins, proteins, hemicellulose, etc). In the present study, commercial enzyme preparations (pectinase, lipase, protease, xylanase) were examined, as scouring agents, individual and mixture of them, for different treatments times (30, 60, 90, 120 min) and enzyme concentrations. The effectiveness of the enzymatic scoured cotton fabrics was evaluated through a broad set of physicochemical and mechanical properties such as whiteness, wetting time, crystallinity index, degree of polymerization, residual non-cellulosic impurities, color depth, bending rigidity, shear rigidity, tensile and compression resilience. The results showed that application of the individual enzyme on cotton fabrics removed substantial amounts of non-cellulosic impurities, improved the physicochemical and micromechanical properties of the cotton fabrics by using big enzyme quantities and treatments times (2-3h). Combined treatment with two, three and four enzyme types in one step bioscoured process, was sufficient for creating fabrics with superior characteristics, using small enzyme quantities and treatments times (60min). Enzymatically scoured textiles exhibited excellent absorbency, micromechanical properties and degree of polymerization in 60 min. Furthermore two different processes namely bioscouring and finishing were combined in one step treatment, for 60 min. The cotton fabrics exhibited excellent dyeing performance, micromechanical properties, absorbency and improved whiteness. A four factor, three level Box-Behnken design was select in order to reduce the enzyme concentration and to evaluate main effects, interaction effects and quadratic effects of the different enzyme types on the physicochemical and mechanical properties of the bioscoured cotton fabrics through contour plots (2D) and a second order polynomial equation.

Η βιομηχανία της κλωστοϋφαντουργίας προκαλεί σημαντική ρύπανση των υδάτων, φθορές στον εξοπλισμό και στην ποιότητα του υφάσματος, λόγω των πολλών χημικών που χρησιμοποιούνται και των έντονων συνθηκών που επικρατούν. Προκειμένου να αντιμετωπιστεί η επιβάρυνση που προκαλούν οι χημικές μέθοδοι στο περιβάλλον αλλά και στην ποιότητα των υφασμάτων, οι έρευνες στράφηκαν στην αναζήτηση καινούριων τεχνικών όπως είναι οι ενζυμικές. Αντικείμενο της παρούσας διατριβής αποτελεί ο σχεδιασμός διεργασίας απολίπανσης του βαμβακερού υφάσματος με χρήση κατάλληλων ενζυμικών συστημάτων και δυνατότητα βιομηχανικής εφαρμογής. Η αποτελεσματικότητα της ενζυμικής απολίπανσης αξιολογήθηκε με μελέτη των φυσικοχημικών χαρακτηριστικών του βαμβακερού υφάσματος στις οποίες περιλαμβάνονται η απομάκρυνση των μη κυτταρινούχων συστατικών, η απορροφητική και βαφική ικανότητα, η λευκότητα ο βαθμός πολυμερισμού, ο δείκτης κρυσταλλικότητας και οι μικρομηχανικές ιδιότητες (αντίσταση στην κάμψη, διάτμηση, εφελκυσμός και συμπιεστότητα). Τα εμπορικά σκευάσματα που χρησιμοποιήθηκαν είχαν πηκτινολυτική, λιπολυτική, πρωτεολυτική και ημικυτταρινολυτική δράση και εφαρμόστηκαν σε βαμβακερό ύφασμα σε ένα ευρύ φάσμα ενεργοτήτων και χρόνων επεξεργασίας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι κάθε ενζυμικό σύστημα μεταβάλλει διαφορετικά τα ποιοτικά χαρακτηριστικά του υφάσματος και η αποτελεσματικότητά τους εξαρτάται από την ενεργότητα και από το χρόνο επεξεργασίας. Μελετήθηκε η απολίπανση με χρήση συνδυασμών των ενζυμικών συστημάτων ανά δύο, τρία και τα τέσσερα σε ένα βήμα. Η συνδυασμένη δράση των ενζύμων σε ένα βήμα οδήγησε σε βελτίωση των ποιοτικών χαρακτηριστικών του υφάσματος με ταυτόχρονη μείωση του χρόνου επεξεργασίας (2h) και της ποσότητας των ενζύμων 6-20 φορές. Στην προσπάθεια ανάπτυξης μιας ανταγωνιστικής ενζυμικής διεργασίας μελετήθηκε η ταυτόχρονη δράση των τεσσάρων ενζυμικών συστημάτων σε διάφορα επίπεδα ενεργότητας και σταθερό χρόνο επεξεργασίας (60 min), μέσω πειραματικού σχεδιασμού τύπου Box-Behnken τεσσάρων ανεξάρτητων μεταβλητών, τριών επιπέδων. Προέκυψε ένα σύνολο εξισώσεων που περιγράφουν την επίδραση των ενζυμικών συστημάτων στις φυσικοχημικές και μικρομηχανικές ιδιότητες του επεξεργασμένου υφάσματος. Ενοποιήθηκε το στάδιο της απολίπανσης και του φινιρίσματος χρησιμοποιώντας ακόμα κυτταρινάση. Η ενοποίηση ήταν αποτελεσματική, και οδηγεί σε περαιτέρω μείωση του κόστους παραγωγής των υφασμάτων, επιτάχυνση του συνολικού χρόνου επεξεργασίας και σημαντική μείωση του όγκου των υγρών αποβλήτων.