کاربرد ترکیب آنزیم‌ها در عملیات مقدمات تکمیل‌پنبه

در این مقاله روشی موفق برای کاربرد ترکیب ـ آمیلاز و همی سلولاز و پکتیناز در تکمیل کالای پنبه‌ای توضیح داده شده است. پنبه عمل شده با آنزیم بعد از سفیدگری دارای خواص یکسان را یا حتی بهتری از پنبه آهارگیری و پخت قلیائی شده می‌شود. همچنین به‌کار بردن ترکیب آنزیم‌ها اجازه می‌دهد که پخت قلیائی را حذف کنیم بدون اینکه از کیفیت نهائی کالای تکمیل شده کاسته شود. روش آنزیمی منطبق بر کاهش تقاضای انرژی، آب مواد شیمیائی، زمان و در نتیجه هزینه می‌باشد. همچنین علاوه بر مزیت اقتصادی برای محیط زیست هم مناسب می‌باشد.
سلولز پنبه از ترکیبات مختلفی ساخته شده که در نتیجه عملیات تکمیل محصولات پنبه‌ای آسیب می‌بینند. در شکل ۱) ساختار شیمیائی لیف پنبه نشان داده شده است. دیواره اولیه پنبه شالم ترکیبات نامطلوبی همانند پکتین‌ها، همی سلولزها، پروتئین‌ها، واکس‌ها و لینگنین می‌باشد. (جدول ۱) در روش‌های مرسوم تکمیل، این مواد به‌وسیله قلیائی قوی در دمای بالا بعد از آهارگیری آنزیمی با آمیلاز از پنبه نارس جدا می‌شود. این روش پخت قلیائی با مصرف بالای انرژی و آب و قلیا همراه است و همچنین سبب بسیاری زا تخریب‌ها در ساختار سلولزی می‌شود.
در روش‌های مرسوم تکمیل، این مواد به‌وسیله قلیائی قوی در دمای بالا بعد از آهارگیری آنزیمی با آمیلاز از پنبه نارس جدا می‌شود. این روش پخت قلیائی با مصرف بالای انرژی و آب و قلیا همراه است و همچنین سبب بسیاری از تخریب‌ها در ساختار سلولزی می‌شود.
فرآیندهای آنزیمی در صنعت کاربردهای بسیار متنوعی دارند. در صنعت نساجی نیز آهارگیری آنزیمی پنبه با ـ آمیلاز از چند دهه قبل آغاز شده است. علاوه بر آهارگیری، از سلولازها، پکتینازها، لیپازها و کاتالازها در فرآیندهای مختلف تکمیل پنبه نیز استفاده می‌شوند. همچنین در تکمیل دیگر الیاف طبیعی نیز از آنزیم‌ها استفاده می‌شود، برای مثال برای صمغ‌گیری ابریشم از سریسیناز و تکمیل ضدنمدی کردن پشم از پروتئاز استفاده می‌شود. همچنین از سلولازها و اگزلانازها برای نرم کردن جوت بهره می‌برند. پیش‌بینی می‌شود که در آینده خواص الیاف مصنوعی مانند پلی‌استر و پلی‌اکریلونیتریل نیز با عملیات تکمیلی آنزیمی اصلاح گردند.
استفاده از آنزیم‌ها مزایای بسیاری در مقایسه با روش‌های مرسوم غیر آنزیمی دارند. آنزیم‌ها معمولاً در غلظت‌های بسیار کم، دماهای پائین و PH نزدیکی به خنثی استفاده می‌شوند. قدرت انتخابی سطحی بالای آنها اجازه می‌دهد که تکمیل با دقت بالائی روی کالا انجام شود. آنزیم‌ها از نظر بیولوژیکی قابل تجزیه می‌باشد و می‌توان از آنها بدون خطر استفاده کرد.
هدف از این تحقیق توسعه مفهوم جامع و گسترده جایگزینی روش پخت قلیائی با عملیات تکمیل آنزیمی روی پنبه می‌باشد. در این روش کالا باید آهارگیری شده و در ادامه برای سفیدگری و رنگرزی مهیا گردد، به‌همین دلیل آنزیم aـآمیلاز به اضافه آنزیم‌های دیگر مانند پکتیناز و همی سلولاز در یک مرحله استفاده می‌شود. به‌طور کلی مشکلات روش قلیائی، صنعتگران را به سمت سود بردن از مزایای زیست محیطی و اقتصادی این روش رهنمون می‌سازد.
● مواد لازم
▪ آنزیم‌ها
در این آزمایش از a ـ امیلاز Beisol T ۲۰۹۰، سلولاز Beizym UL و مخلوط همی سلولاز/پکتیناز تولید شده Beisol DHP تولید شرکت سی‌اچ‌تی آلمان استفاده شد.
▪ پنبه
پارچه آهاردار با میزان آهار ۸% وزنی و مشخصات (وزن ۱۸۷g/m۲ و عرض ۱۶۰cm) برای این آزمایش انتخاب شد.
▪ مواد کمکی
سطح فعال نانیونیک Felosan Jet، عامل کمپلکس تخریب‌پذیر بیولوژیکی Beixon NE و بافر Neutracid NVM ۲۰۰ نیز به‌عنوان مواد کمکی انتخاب گردیدند.
● آزمایش در مقیاس صنعتی
پس از بهینه کردن شرایط فرآیند در مقیاس آزمایشگاهی، آزمایش در مقیاس صنعتی انجام گرفت. بدین منظور در ابتدا پارچه پنبه‌ای خام تحت عملیات تکمیل با آنزیم‌ها به روش پد ـ بچ سرد قرار گرفت، سپس عملیات تکمیل مقدماتی آهارگیری با a ـ آمیلازها و پس از آن پخت قلیائی انجام شد (روش C). عملیات تکمیل مقدماتی آنزیمی (روش‌های E۲ و E۱) بدون پخت قلیائی انجام شد. برای بهبود تأثیر عملیات آنزیمی به روش پد ـ بچ، دمای مایع و آنزیم نباید از ۴۵ درجه سانتیگراد تجاوز کند و همچنین کمپلکس آنزیم‌ها باید سازگار باشند بهتر است به آنها یک سطح فعال نانیونیک اضافه شود. جزئیات مراحل کار در جدول ۲ توضیح شده است. در انتها نیز پارچه پنبه‌ای در استنتر خشک شد.
در ادامه آزمایش تمام کالاهای عمل شده به هم دوخته شده و تحت عملیات سفیدگری و رنگرزی قرار گرفتند. در تمام این فرایند‌ها سعی شد تا حد امکان شرایط آزمایش با تجربایت صنعتی مرسوم یکسان باشد. سفیدگری به روش پد رول گرم با ۵/۳ میلی‌لیتر سود ۵۰%، ۱۲ میلی‌لیتر سطح فعال نانیونیک، ۸/۰ میلی‌لیتر سولفات منیزیم (MgSO۴) و ۸/۵ میلی‌لیتر کنتاوان ۵TX انجام گرفت. در حین این عملیات پارچه‌ها مرطوب شده و سپس آبگیری شدند. عملیات به مدت ۱ ساعت در ۹۰ درجه سانتیگراد در محفظه بخار انجام شد و در نهایت کالای پنبه‌ای عمل شده در ماشین شستشوی عرض باز شسته شد. رنگرزی پارچه سفیدگری شده به روش پد ـ بچ با ۶ گرم در لیتر رنگزای Levafix Blue CA و ۴/۳ گرم در لیتر رنگزای Levafix Yellow CA و ۸/۱ گرم در لیتر رنگزای Levafix Red CA انجام شد که حاصل این اختلاط یک شید خاکستری را نتیجه داد.
به علاوه ۲۵ گرم در لیتر مرطوب کننده، ۴ گرم در لیتر Sarabid و ۵۰ گرم در لیتر natron و ۱۱ گرم در لیتر سود ۵۰% نیز در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفته شد، زمان نگهداری بچ نیز ۱۲ ساعت در نظر گرفته شد. در نهایت پنبه در ماشین عرض باز تحت عملیات شستشوی صابونی قرار گرفت و در دمای ۹۵ درجه سانتیگراد در استنتر خشک شد.
● تجزیه و تحلیل نتایج
فعالیت و اثر تکنیک کاربرد آنزیم‌ها به‌وسیله روش‌های معمول و متعارف آزمایشاهی تعیین شده است که این فعالیت توسط تولید کننده تأئید می‌گردد. کاهش فعالیت در زمان ۶ ماه انبارش کمتر از ۵% بود که بدین لحاظ از آن صرفه نظر گردید. درجه آهارزدائی پارچه‌های پنبه‌ای که به روش‌های متفاوتی تکمیل شده است توسط آزمون ید تعیین می‌گردد. جذب آب نمونه‌های منسوج با کاربرد آزمون نفوذ قطره سنجیده می‌شود. میانگین درجه پلیمریزاسیون (DP) برطبق استاندارد ۵۴۲۷۰ DIN T۳ سنجیده شد. استحکام و ازدیاد طول برطبق ۵۳۸۵۷-۱ DIN مورد سنجش قرار گرفت. درجه سفیدی پارچه‌ها پس از سفید گری داغ و انحراف رنگ E پس از رنگرزی با کاربرد واحد Datacolor سنجیده شد.
● نتایج
▪ استفاده ترکیبی از آنزیم‌ها در مقدمات تکمیل پنبه
اینکه شستشوی قلیائی می‌تواند با فرایند کاتالیز آنزیمی جایگزین شود باید آزمایش گردد. این مسئله بعد از شرح مقدمات کار در مقیاس آزمایشگاهی، در تجربیات صنعتی روی آهار پنبه مشخص می‌گردد. پارچه‌ها با مایع شامل آنزیم مرطوب گشتند. تجربه E۱ با همی سلولاز / پکتیناز انجام شد و در تجربه E۲ سلولاز اضافه گردید، PH=۵ کە ناشی از بهینه شدن PH آنزیم‌ها بود برای عملیات انتخاب شدند. برای مقایسه یک آهارزدائی سنتی که به روش پخت قلیائی متداول است انجام گرفت (تجربه C) ابتدا پارچه‌های عمل شده با درجه آهارزدائی آنها و قابلیت جذب آب آنها تعیین می‌شوند. نتایج در جدول ۲ به‌طور خلاصه آورده شده است. تمام تجربیات درجه آهارزدائی حداقل ۶ را دارند. که این برای مراحل تکمیل بعدی کافی می‌باشد. پخت قلیائی بهترین نتیجه را با کسب درجه ۸-۷ حاصل می‌کند.
اما همچنین مقدمات تکمیل آنزیمی به روش E۱ با a ـ آمیلاز و همی سلولاز و پکتیناز نتیجه خیلی خوبی می‌دهد (درجه ۷) به‌علاوه در استفاده از سلولاز (روش E۲) درجه آهار‌زدائی بهبود نمی‌یابد (درجه ۶).
اندازه‌گیری‌های میزان جذب آب پارچه‌های عمل شده با روش‌های متفاوت نشان داد که عملیات مقدمات تکمیل آنزیمی در ابتدا نامناسب بود و تنها روش E۱ کمی آب دوستی را بهبود داد در مقایسه با این روش تکمیل متداول که مشتمل بر پخت قلیایی است (روش c) منجر به آب دوستی خیلی خوبی گردید.
● سفیدگری داغ پنبه عمل شده با آنزیم
اینکه عملیات مقدمات تکمیل متداول پنبه با پخت قلیائی کامل نشده است ناشی از این حقیقت است که ترکیبات رنگی پنبه (کروموفورها و پیگمنتها) بدین‌وسیله از بین نرفته‌اند. بنابراین یک مرحله سفیدگری برای کسب سفیدی حداقل ۹۰ متعاقب آن لازم است، بنابراین پارچه‌های پنبه‌ای عمل شده مختلف در محفظه بخار سفیدگری داغ شده‌اند. این مرحله سفیدگری همچنین ممکن است درجه آهارزدائی و قابلیت جذب آب را بهبود بخشد. جدول ۳ مهمترین پارامترهای منسوج مطلوب را برای پارچه‌های پنبه‌ای بعد از فرایند سفیدگری نشان می‌دهد. تمام نمونه‌ها درجه خیلی خوب سفیدی بیشتر از ۹۰ را کسب کردند. عملیات مقدمات آنزیمی E۱ و E۲ بالاترین درجه را گرفتند به‌علاوه در هیچ‌یک از نمونه‌ها پسماندهای قابل رویت وجود نداشت بدلیل درجه آهارزدائی به یک اندازه افزایش یافت بنابراین حتی عملیات آنزیمی هم در نهایت نتایج عالی را کسب می‌نماید.
درجه ۸ حاصل از عملیات آنزیمی با کاربرد a ـ امیلاز و همی سلولاز و پکتیناز (روش E۱) فقط به مقدار جزئی کمتر از درجه عملیات متداول به روش C بود.
علاوه بر این سفیدگری اثر چشمگیر به‌خصوصی در زمینه قابلیت جذب آب نشان داد. همچنین تجزیه آنزیمی پکتین و همی سلولزها دسترسی الیاف را برای سفیدگری شیمیائی بهبود بخشید چنانکه پسماندهای هیدروفوب (آبگریز) باقی مانده را کاملاً از بین می‌برد. بنابراین قابلیت جذب آب هر دو روش عملیات آنزیمی به اندازه روش متداول عالی و مطلوب بود.
عملیات تکمیل مقدماتی ـ به‌ویژه پخت قلیائی ـ تأثیر مستقیمی بر روی وزن و خواص مکانیکی پنبه دارد. کاهش وزن اثر اصلی آهارزدائی و برداشت نامطلوب جزئی پنبه بود، اما علاوه بر آن عملیات قلیائی سبب هیدرولیز جزئی مواد سلولزی می‌شود که ممکن است الیاف را تخریب کند.
انتظار می‌رفت که عملیات متداول بیشترین کاهش وزن را نشان دهد که در آن جرم واحد سطح از ۱۸۷ تا ۱۶۶ g/m۲ کاهش یافت (۱۱%-،۲) در مقایسه با آن فرایند آنزیمی با کاربرد فرمول همی سلولاز/پکتیناز وزن را تا ۸% کاهش می‌دهد. به‌علاوه کاربرد سلولاز که باعث هیدرولیز مواد سلولزی سطح الیاف می‌شود سبب کاهش وزن ۱/۹% شد، اما به مقدار جزئی بهتر از فرایند پخت قلیائی است.
تخریب پارچه پنبه‌ای در خصوص استحکام کششی، ازدیاد طول و میانگین درجه پلیمری شدن نمایان می‌شود.
فرایند آنزیمی E۱ بهترین خواص مکانیکی را نتیجه داد، اینجا تخریبی که ناشی از هیدرولیز قلیائی باشد پیدا نشد و هیچ تخریب آنزیمی توسط سلولاز ایجاد نشد.
● رنگرزی پنبه عمل شده با آنزیم و سفیدگری شده
در کنار پارامترهای ذکر شده قبل از رنگ‌پذیری کالای نساجی مهمترین جنبه کیفیت آن می‌باشد. بنابراین پارچه‌هائی که روی آنها عملیات تکمیل مقدماتی مختلف صورت گرفته به روش پد ـ بچ سرد معمولی رنگ شدند. سپ انحراف رنگی E در محل‌ەای متفاوت مربوط به نمونه مرجع معین شده تعیین گردید. اختلاف ۵/۰ قابل تشخیص برای چشم بشر نیست و بین ۵/۰ تا ۸/۰ ضامن کیفیت خوب است. ارزیابی‌ها نشان داد که محصولات هر دو عملیات آنزیمی در مقایسه با نمونه استاندارد خوب رنگ شده بود. در خصوص اینکه حتی پارچه تکمیل شده به روش متداول (پخت قلیائی) انحراف‌هائی تا حد ۵/۰ در حاشیه‌ها نشان داد اختلاف ملموسی در کیفیت نبود.
● مقایسه عملیات مقدمات تکمیلی آنزیمی پنبه با فرایندهای متداول
در یک کارخانه تکمیل نساجی در سطح متوسط آلمانی حدود ۳۵،۰۰۰ متر در سال پنبه خام تکمیل می‌شود. از آنجا که میانگین عرض پارچه ۷/۱ متر و میانگین وزن ۱۵۰g/m۲ و ۲۳۰ روز کاری باشد این تولید ۲۰۰۰ تن در سال می‌شود.
فرایندهای پخت قلیائی توسط تکمیل کننده‌ها برای هر کیلو پنبه ۲۴/۰ یورو برآورد هزینه شده است. این شامل همه هزینه‌ها اعم از انرژی، آب، مواد شیمیائی، استخدام نیروی کار و ماشین‌آلات می‌باشد. این اطلاعات رقم ۴۸۰،۰۰۰ یورو در سال را نتیجه می‌دهد. کاربرد فرایند آنزیمی و در ادامه سفیدگری متداول هیچ تغییر نامطلوبی در کیفیت پارچه حتی در حد جزئی ایجاد نمی‌کند. فرمولاسیون همی سلولاز/پکتیناز می‌تواند به آسانی با آمیلاز در فرایند پد ـ بچ سرد بدون اضافه کردن مرحله‌ای پذیرفته شود. بنابراین استفاده ترکیبی a ـ آمیلاز و همی سلولاز /پکتیناز اجازه می‌دهد که پخت قلیائی کنار گذاشته شود بدون اینکه تغییری در نتیجه تکمیل رخ دهد. برای ۲۰۰۰ تن متر یک پنبه فرایند آنزیمی نیاز به ۸۰۰۰ کیلوگرم آنزیم (۴ g/l، برداشت ۱۰۰% و دانسیته ۱kg/l) و با توجه به قیمت ۵/۳ یورو هر کیلو فرمولاسیون آنزیم، فرایند آنزیمی به ۲۸،۰۰۰ یورو در سال نیاز دارد (برای هر کیلوگرم پنبه ۰۱۴/۰ یورو)، که در قیاس با ۴۸۰،۰۰۰ یورو برای پخت قلیائی مبلغ ناچیزی است، که برای یک کارگاه تکمیل در سطح متوسط نزدیک به ۴۵۰،۰۰۰ یورو در سال صرفه جوئی اقتصادی در بر دارد.
به‌علاوه حذف کامل یک مرحله در فرآیندی با کاهش قابل توجه زمان مورد نیاز برای کل فرایند برابری می‌کند. این به معنی سوددهی بالاتر با نیروی کار یکسان است، به‌علاوه کاهش هزینه‌های عملیات مقدمات تکمیل پنبه را نیز در پی دارد.
همچنین از نقطه نظر محیط زیست روش ترکیب آنزیمی عملیات تکمیل پنبه روشی مناسب می‌باشد. عملیات متداول (آهارگیری و پخت قلیائی) برای هر کیلوگرم پنبه نیازمند ۱۵ لیتر آب صنعتی است (۱ لیتر در پد کردن، ۸ لیتر در شستشو، ۳ لیتر در پخت قلیائی و ۳ لیتر در شستشو) در حالی که روش ترکیب آنزیمی فقط ۹ لیتر آب لازم دارد زیرا دیگر به پخت و شستشوی بعد آن نیاز نیست. این سبب صرفه‌جوئی ۴۰% در مصرف آب می‌شود، که در تولید یک ساله ۲۰۰ تنی تقاضای آب ۱۲۰۰۰ متر مکعب کاهش می‌یابد.
علاوه بر این پخت قلیائی و مرحله شستشوی بعد آن نیاز به دمائی نزدیک به نقطه جوش آب دارد، پس حتی پتانسیل بالائی در ذخیره انرژی وجود دارد، زیرا با وجود ظرفیت حرارتی ویژه بالای آب، میزان ۳/۳۶۸ کیلو ژول انرژی لازم است تا یک لیتر آب صنعتی از دمای ۱۰ درجه به ۹۸ درجه سانتیگراد برسد. در اثر صرفه‌جوئی ۱۲۰۰۰ متر مکعب آب داغ ۴۴۲۰ Gj یا ۲۳/۱ میلیون Kwh می‌تواند در سال ذخیره گردد. این میزان انرژی برابری می‌کند با دی‌اکسید کربن خارج شده از ۵۰۰-۲۳۰ تن از منابع انرژی (گاز طبیعی با CO۲ کم با قدرت ۱۹/۰ کیلو CO۲ بر Kwh، زغال سنگ با CO۲ بالا با قدرت ۴۱/۰ کیلو CO۲ بر Kwh)
در کنار تقاضاهای مختلف، به‌طور عمده ۲۵ g/۱ سود مایع است که برای هر کیلو پنبه ۷۵g سود مایع مصرف می‌شود. در نتیجه با استفاده از فرایند آنزیمی بدون پخت قلیائی برای تولید سالیانه ۲۰۰۰ تن پنبه، ۱۵۰ تن سود مایع صرفه‌جوئی می‌شود. به واسطه آن میزان نمک پساب به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد که از لحاظ زیست محیطی مطلوب می‌باشد.
جدول ۴ خلاصه‌ای از مزایای اقتصادی و زیست محیطی عملیات مقدمات تکمیل به روش آنزیمی با کاربرد ترکیبی a ـ آمیلاز، همی سلولاز و پکتیناز (روش E۱) با روش متداول قدیمی که شامل پخت قلیائی می‌باشد (روش C) مقایسه کرده است. در هر دو مورد کیفیت کالاهای تکمیل شده بعد از مرحله سفیدگری مشابه است، همه موارد مربوط می‌شود به یک تن پنبه و می‌توان به‌راحتی برای محاسبه پتانسیل صرفه‌جوئی در عملیات تکمیل پنبه کارخانه به هر میزان تولید تبدیل گردد (جدول ۴)
● جمع‌بندی
شیوه موفقی برای کاربرد ترکیب a ـ آمیلاز و همی سلولاز/پکتیناز در عملیات مقدمات تکمیل پنبه توسعه داده شده است. پکتین و همی سلولز نامطلوب توسط آنزیم‌ها در حمام آهارزدائی گرفته شده‌اند. در کنار آهارزدائی، رفع و حذف مواد نامطلوب نیز می‌تواند در یک مرحله انجام گیرد. مرحله سفیدگری در ادامه ترکیبات هیدروفوبیک رسوب کرده مانند چربی‌ها و واکس‌ها را می‌تواند از ای خود حرکت داده و حذف نماید. این مطلب را که پنبه تکمیل شده با عملیات آنزیمی به نسبت آهارزدائی مرسوم و پخت قلیائی دارای خواص یکسان و یا حتی بهتر بعداز سفیدگری می‌باشد می‌توان نشان داد. پس کاربرد ترکیب a ـ آمیلاز و همی سلولاز در عملیات مقدمات تکمیل پنبه اجازه می‌دهد تا پخت قلیائی کنار گذاشته شود بدون اینکه در نتیجه تکمیل کاهش کیفیت داشته باشیم. قابلیت جذب آب و درجه سفیدی و یا رنگپذیری کالای سفیدگری شده بدتر از پنبه عمل شده به روش متداول با پخت قلیائی نیست، به‌علاوه کالای عمل شده با آنزیم خواص مکانیکی بهتری را نشان می‌دهد. فرایند آنزیمی جدید سبب کاهش قابل توجه در مصرف انرژی، آب، مواد شیمیائی، زمان، و در نتیجه هزینه‌ها می‌شود. همچنین مزایای خوبی از لحاظ زیست محیطی و اقتصادی دارد.

ترجمه: مهندس رضا کمالی میاب (کارشناس مهندسی شیمی نساجی و علوم الیاف، دانشگاه یزد)
ماخذ:
Opwis, K., Knittel, D., Schol lmeyer, E., Dorfter, Ch., Bachus, H., Koppe, A., "Combined use of enzymes in the pretreatment of cotton", Melliand International, ۲/۲۰۰۵,pp.۱۳۰-۱۳۳

منبع : ماهنامه نساجی امروز