ISIS_Newton_EnzimiTessili

Produzione, processi e qualità:
enzimi nel campo tessile
Gruppo di lavoro 5 AT:
Aresi Fabiola, Canziani Stefania, Salomon Matteo,Valli Matteo
1
PREMESSA
Questo elaborato prende in considerazione la preparazione alla tintura
di
tessuti di cotone, confrontando un metodo tradizionale di sbozzima, purga
alcalina e candeggio ,
con un trattamento di preparazione
alla tintura di
tipo enzimatico.
In questo progetto sono stati coinvolti allievi di una
specializzazione
tessile dell’I.T.I.S. che
classe quinta,
hanno valutato delle
prove
effettuate su tessuti ortogonali realizzati su telai dei laboratori della scuola
stessa e su un tessuto a maglia.
Il progetto originario nato durante una lezione di chimica tessile, avrebbe
dovuto avere come argomento la stampa devorè.
Durante una lezione di chimica tessile ci si era infatti chiesti se si potesse
applicare questa tipologia di stampa su
un tessuto cellulosico al 100%,
proteggendo con una opportuna sostanza un filo di ordito ed uno di trama
corrodendone un altro sempre in ordito e in trama. In un primo momento si
era quindi pensato di applicare il processo
di corrosione ad un tessuto
doppio alternato proteggendo uno strato con una
sostanza
opportuna
e
intaccando l’altro.
Un’alternativa più semplice rispetto alla struttura precedente
prevedeva
invece un’ alternazione 1/1 sia in ordito che in trama; in pratica ad un filo
protetto veniva affiancato
uno non protetto cosi anche per la trama, in
modo da poterne distruggere solo una serie.
Uno dei problemi che abbiamo però riscontrato fin dall’inizio era trovare un
prodotto che proteggesse un elemento,
che fosse ecologico e che
presentasse caratteristiche applicative economiche.
Abbiamo perciò contattato un’azienda tessile specializzata in trattamenti su
fili e filati per lavorazioni particolari che per i nostri scopi aveva ipotizzato
l’uso di un filato protetto da acido polilattico ma difficilmente reperibile.
2
Abbiamo perciò pensato di utilizzare una
sostanza
amidacea da poter
essere usata come bozzima e quindi facilmente applicabile sul nostro ordito
e sulla trama; impiegando poi una cellulasi per corrodere il filo non protetto
sia in trama che in ordito
Abbiamo perciò testato la
capacità di una
cellulasi acida di corrodere
completamente dei filati cellulosici su tre campioni di tessuti ortogonali: due
di cotone aventi pesi e fittezze diverse, ed uno di viscosa; sono stati estratti
anche dei fili dal tessuto di viscosa e introdotti in una
provetta, per
evidenziare meglio l’azione corrosiva della cellulasi acida.
Dalle prove effettuate abbiamo constatato che la cellulasi non è in grado di
“sciogliere” completamente un filato di cellulosa in un tessuto ortogonale.
Per
quanto
riguarda
i
fili
di
viscosa
estratti
dal
tessuto,
si
sono
effettivamente dissolti, ma in tempi molto lunghi, non compatibili quindi con
tempi di lavorazione in una ipotetica stampa devorè.
Abbiamo perciò deciso di seguire un altro percorso basato sempre
sull’utilizzo di enzimi nei trattamenti tessili, ed in particolare nel trattamento
pretintoriale del cotone.
Ci siamo di conseguenza rivolti alla ditta Lamberti spa che di Albizzate(va).
Questa industria è nata nel 1911 per la produzione di ausiliari chimici per
tintura e finitura tessile.
Negli anni ’50 la società ha ampliato la sua gamma di prodotti ed avviato
una diversificazione delle attività a favore di nuovi settori produttivi, come il
cuoio e la ceramica.
Negli anni ’60-’70 si è affermata come una delle maggiori aziende chimiche
italiane e negli anni ’80 ha iniziato la produzione di fotoiniziatori e della
carbossimetilcellulosa.
Oggi Lamberti è affermata come gruppo chimico a livello mondiale con la
fondazione di Lamberti USA (Texas), Lamberti South Africa,Lamberti
Indonesia ed unità produttive in Cina e molte altre non meno importanti.
Grazie all’ aiuto del dottor Galante ed agli addetti dei laboratori “divisione
tessile ricerca e sviluppo centrale Lamberti spa”, siamo stati ospitati una
giornata nella loro sede e abbiamo confrontato su tessuti ortogonali e a
3
maglia un processo tradizionale di sbozzima, purga alcalina e candeggio sul
cotone, con un trattamento di preparazione alla tintura di tipo enzimatico,
secondo i due schemi sotto riportati.
Processo tradizionale
Sbozzima con amilasi
→ Purga alcalina con NaOH → Candeggio con H O
2
2
Processo enzimatico
Sbozzima + Purga enzimatica
→ Candeggio con H O
e trattamento con
catalasi per l’eliminazione di H2O2
Da questo semplice schema è già evidente
2
che
2
il percorso tradizionale
prevede tre tappe di lavorazione, mentre quello enzimatico permettendo di
unire sbozzima e purga enzimatica ne prevede solo due.
Prima di descrivere però nel dettaglio le operazioni effettuate riteniamo di
dover aprire una parentesi riguardo la natura degli enzimi ed il loro utilizzo
nel campo tessile.
4
GLI ENZIMI
Gli enzimi possono essere classificati come dei bio-catalizzatori organici
solubili (proteine con attività catalitica), prodotti da organismi viventi, che
agiscono in modo specifico su un determinato substrato. Molti enzimi sono in
grado di catalizzare reazioni chimiche anche in assenza delle cellule che li
hanno prodotti, a condizione di operare in determinate condizioni di
temperatura e di pH;
sono caratterizzati da un’elevata specificità per il
substrato, ciò significa che ogni enzima può agire su un solo tipo di legame
chimico in un determinato composto, inoltre essendo biodegradabili hanno
un impatto ambientale inferiore rispetto ad altri prodotti di lavorazione.
I tipi di enzimi usati nelle applicazioni industriali nell’industria tessile sono
molteplici;
amilasi per sbozzimatura, cellulasi per biopolishing o stonewashing, catalasi
per l’eliminazione di acqua ossigenata, proteasi per seta e lana, perossidasi
per ossidazione dei coloranti, pectinasi per la purga enzimatica del cotone
grezzo in alternativa al tradizionale trattamento con soda caustica ad alta
temperatura.
L’ amilasi
L’uso delle amilasi batteriche per la sbozzimatura è un’applicazione ben
conosciuta. Questi enzimi mostrano specificità per il legame 1, 4 αglucosidico dell’amido, ma non attaccano il legame 1, 4 β-glucosidico della
cellulosa; infatti, la diversa configurazione del legame glucosidico nell’amido
rispetto alla cellulosa fa si che i due polimeri naturali, pur essendo entrambi
composti chimicamente da glucosio, abbiano proprietà fisiche, chimiche,
perfino
nutrizionali
molto
differenti.
Esistono
anche
le
amilasi
termoresistenti fino a 95° C , che presentano buona compatibilità con
prodotti chimici ausiliari (imbibenti, disperdenti ecc.) e stabilità in un ampio
intervallo di pH.
5
Le cellulasi
Le
cellulasi
sono
enzimi
che
hanno
un
ruolo
fondamentale
nella
biodegradazione della cellulosa. Nel campo tessile non si vuole ovviamente
degradare la cellulosa, ma modificare le fibre cellulosiche in maniera mirata
e limitata in funzione del processo in cui vengono applicate. Le cellulasi
vengono perciò utilizzate per:
•
lo stone-wash enzimatico dei capi in denim
•
il biopolishing, ovvero la defribillazione superficiale dei tessuti o dei
capi confezionati (prima o dopo tintura)
•
le rimozioni delle imperfezioni della fibra o del cotone immaturo o
morto
•
la modifica della mano e l’ammorbidimento permanente del tessuto
•
il miglioramento della qualità di stampa
•
un possibile incremento dell’affinità tintoriale
Le proteasi
O
//
H
\
R
|
R
|
N-CH-COOH → R-CH -C-NH - CH-COOH
R-CH-C
\
NH2 OH
/
H
|
↓
H2O
|
NH2
||
O
↓
Legame peptidico
Le proteasi vengono utilizzate su fibre proteiche come lana e seta. Questi
enzimi specifici per l’idrolisi delle proteine sono in grado di idrolizzare il
legame peptidico
tra amminoacidi adiacenti. Nel campo tessile vengono
usate nella sgommatura della seta. Se eseguita con molta attenzione la
sgommatura enzimatica permette di evitare danni ed indebolimento della
6
fibra ottenendo una colorazione più uniforme. Nel trattamento della lana
l'uso di enzimi tende a svilupparsi più lentamente a causa della
grande
complessità strutturale della fibra. E’ possibile ottenere comunque
con
preparazione enzimatica a base di proteasi effetti come:
•
ammorbidimento e modifica della mano
•
antipilling e pulitura superficiale
•
migliore drappeggio
•
migliore confort.
Per quanto riguarda un eventuale proprietà anti-feltrente degli enzimi i
risultati ottenuti indicano che pur ottenendo una limatura delle scaglie, il
trattamento con proteasi non conferisce proprietà anti-feltrenti alla lana.
La catalasi
Le catalisi vengono utilizzate per l’eliminazione dell’H2O2 dopo il candeggio.
Questo enzima catalizza la decomposizione del perossido d’idrogeno in acqua
e ossigeno secondo la reazione
2H2O2 → 2H2O+ O2
L’uso delle catalasi nell’eliminazione dell’ H2O2 dopo il candeggio permette di
evitare ripetuti cicli di risciacquo con un notevole risparmio di acqua, minor
scarico di prodotti chimici nelle acque reflue ed abbrevia i tempi del processo
di tintura susseguente; il trattamento con l’enzima viene effettuato nel primo
bagno di risciacquo.
La pectinasi
L’utilizzo che si fa di questo enzima nel campo tessile è l’operazione di purga
enzimatica: il processo di purga (scouring) ha per obiettivo la rimozione del
7
materiale non cellulosico dalla superficie della fibra di cotone, responsabile
della sua
idrofobicità, affinché la
fibra
possa assorbire i trattamenti
successivi Il processo può essere condotto in condizioni blande di pH e di
temperatura, seguito da un risciacquo a caldo.
8
I TESSUTI UTILIZZATI
La struttura del tessuto, realizzato nel nostro laboratorio, ha le seguenti
caratteristiche:
Altezza in pettine
(172 – 1 - 172) cm
(doppio subbio)
Denti/cm pettine
12,63
Fili*dente pettine
2
Licci
8+2 cimosse, rimettaggio seguente
Il telaio
utilizzato è il modello α della Promatech raffigurato nella figura
sottostante: una macchina per tessere a pinze negative con microprocessore
per il controllo delle varie funzioni.
9
Elementi componenti il tessuto:
Ordito Ordito Trama Trama
1
2
1
2
Natura degli elementi
cotone cotone cotone cotone
Colore
greggio greggio greggio greggio
Titoli (Nec)
23
23
22
49
Fittezze
30
30
25
21
9,9
10,7
4,7
3,9
Rientri %
10,3
4,3
Altezze
Tessuto finito
Tessuto in pettine
Fili totali
166
173
9960
Massa tessuto
Al metro in ordito
Al metro in trama
Al metro quadro (g)
Al metro lineare
172
80
252
418
campione tessuto:
Le due tabelle riportano i dati tecnici del tessuto che doveva essere utilizzato
in un primo progetto e di quello
effettivamente utilizzato per la
prove
enzimatiche.
Elementi componenti il tessuto:
Ordito Trama
1
1
Natura degli elementi cotone cotone
Colore
greggio greggio
Titoli (Nec)
16
17
Fittezze
26
17
Rientri %
9,8
3,6
Altezze
Tessuto finito
Tessuto in pettine
Fili totali
166
172
4316
Massa tessuto
Al metro in ordito
Al metro in trama
Al metro quadro (g)
Al metro lineare
172
221
393
652
campione tessuto:
10
TRATTAMENTI EFFETTUATI
In laboratorio abbiamo tagliato i campioni di tessuto e predisposto dei
processi di: sbozzima con amilasi, sbozzima + purga alcalina, sbozzima +
purga enzimatica e sbozzima + candeggio per poi effettuare le diverse prove
e confrontare tra loro i risultati ottenuti sia in termini di efficacia sul
substrato che in termini di tempi necessari per condurre tali processi
Sbozzima enzimatica
In questo primo processo i campioni di cotone sono stati sottoposti ad un
trattamento con amilasi
11
Dopo aver risciacquato e asciugato i campioni abbiamo calcolato quanta
bozzima è stata tolta dal tessuto e quanta ne è rimasta. Per valutare il
risultato abbiamo usato la scala Tegewa
12
Purga alcalina
In questa operazione i campioni di cotone
sono stati sottoposti a purga
alcalina: questo processo tradizionale di purga, utilizza soda caustica ad alte
temperature; la soda caustica però non essendo specifica, rimuove più
materiale
del
necessario
e
può
danneggiare
la
cellulosa,
causando
fibrillazione, perdita di peso e di tenacità. Richiede inoltre alti consumi di
acqua in risciacqui, deve essere neutralizzata con acidi, con formazione di
sali scaricati negli affluenti, è dannosa per la persone e per l’ambiente
13
Sbozzima+purga enzimatica
La purga enzimatica idrolizza i componenti
non cellulosici responsabili
dell’idrofobicità del cotone, mediante un processo di degradazione specifico
in condizioni blande di ph e temperatura La preparazione enzimatica o
bioscouring del cotone è un alternativa biochimica alla tradizionale purga
chimica eseguita con soda caustica calda, che
presenta quegli aspetti
negativi già menzionati.
Inoltre è possibile abbinare i due processi di sbozzima e purga in quanto le
condizioni d’uso sono compatibili per entrambi gli enzimi (amilasi e
pectinasi), in modo tale da attuare un solo processo anziché due.
I vantaggi della purga enzimatica rispetto all’alcalina
sono
molteplici.
Possiamo citare per esempio un minor consumo di soda caustica, di acqua,di
tempo macchina ed energia, la completa compatibilità con sbozzima
enzimatica eseguendo il tutto in un solo passaggio, è adatta per tinture di
toni scuri, ove può essere evitato il candeggio, è sicura per l’ambiente e gli
operatori.
Inoltre si possono riscontrare una
maggior integrità sulla fibre, minor
perdita di peso e resistenza, miglioramento della mano, minor tendenza a
fibrillare ed a formare pillino e un’ottima idrofilia.
14
Di seguito sono riportati i campioni sottoposti al processo di purga alcalina e
a quella enzimatica
Come si può notare si ottiene lo stesso grado d’idrofilia (drop test) anche
con il trattamento esclusivamente enzimatico.
15
Candeggio e trattamento con catalisi
I tessuti sbozzimati e purgati sono stati candeggiati e trattati con catalasi
per eliminare l’H2O2.
Candeggio classico con acqua ossigenata e trattamento con catalasi
per l’eliminazione dell’acqua ossigenata residua.
16
Prima di fare il trattamento con la catalasi abbiamo verificato se era rimasta
sul tessuto
H2O2 : per fare questo abbiamo usato cloruro titanile e poi
abbiamo confrontato il risultato con la scala T
17
Nella foto sotto riportata sono raffigurati i campioni candeggiati in cui è
ancora presente H2O2.
I provini sono stati
trattati
con
catalasi
che degrada l’ H2O2
secondo la reazione:
2 H2O2 → 2 H2O + O2
è così possibile
rimuovere dal tessuto
i residui di
candeggiante e
diminuire il numero dei risciacqui con conseguente risparmio d’acqua.
Per questo processo si scarica il bagno, si lava a caldo a circa 80-85°
utilizzando un disperdente, per eliminare eventuali residui di grassi e cere; si
lascia riposare cinque minuti, si scarica il bagno.
Si prepara un nuovo bagno a ph neutro e si porta a 40-45°: si aggiunge
l’enzima catalasi e si lascia agire per 10-15 minuti.
Si ricontrolla con
cloruro di titanile
l’eliminazione di H2O2
e a questo punto è
anche possibile
tingere nello stesso
bagno.
Dopo trattamento con catalasi.
18
Candeggio con bianco ottico
Il candeggio bianco ottico serve per i tessuti che non devono essere tinti
19
20
Bruciapelo enzimatico
Le cellulasi possono anche essere impiegate come precedentemente detto
per un bruciapelo enzimatico:
Su un campione di tessuto a maglia è stato quindi effettuato un bruciapelo
enzimatico con cellulasi (bio-polishihg), che rimuove la peluria superficiale e
le fibrille morte. Se alla cellulasi viene associata una blanda azione
meccanica si ottiene un miglioramento della mano, del drappeggio e della
brillantezza.
I risultati ottenuti sono visibili nella foto sotto riportata: a destra il tessuto
originario, a sinistra il campione dopo trattamento con celllulasi.
21
CONCLUSIONI
Con le prove effettuate abbiamo potuto verificare che l’impiego di enzimi,
nei
processi
di
preparazione
del
cotone
alla
tintura,
dà
risultati
qualitativamente molto buoni: infatti oltre ad aver dimostrato un’ottima
efficacia nei trattamenti effettuati, gli enzimi essendo caratterizzati da
specificità di substrato, salvaguardano maggiormente la fibra rispetto a
reagenti chimici non specifici.
Per quanto riguarda l’utilizzo di NaOH va evidenziato che con l’impiego di
enzimi si ottiene una drastica riduzione dei quantitativi di soda caustica
impiegati, poiché la pectinasi è usata in alternativa all’idrossido di sodio; di
conseguenza non è necessario neutralizzare con acidi i bagni alcalini prima di
riversarli nell’ambiente.
Globalmente si riscontra anche una riduzione dei tempi di lavorazione
(possibilità di unire sbozzima e purga in un solo processo), minor consumo
di acqua e come ultima osservazione, va messo in evidenza che tutti gli
enzimi sono biodegradabili e quindi non comportano processi di depurazione,
con conseguente risparmio economico sul trattamento delle acque reflue.
22
Bibliografia
Biotecnologia moderna e industria tessile
Y.M. Galante – Gruppo Lamberti (Albizzate)
Enzimologia nel tessile, Biopreparazione del cotone ed uso
degli enzimi nell’industria tessile
Y.M. Galante da “La Chimica e l’Industria” (aprile 2001)
Applicazioni degli enzimi nell’industria tessile
Y.M. Galante, Ricerca e Sviluppo – Centrale Lamberti S.p.a.
Albizzate
Biopreparazione enzimatica e tinture in bagno unico
E. Gheller – M. Luoni.
M. Giani, Y.M. Galante – Tessile Division and Central R e D dept.
Lamberti s.p.a.
23
Indice
Premessa
pag.
2
Enzimi
pag.
5
Tessuti utilizzati
pag.
9
Trattamenti effettuati pag.
11
Conclusioni
pag.
22
Bibliografia
pag.
23
24