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 classe quinta, specializzazione tessile dell I.T.I.S. che 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 2 O 2 Processo enzimatico Sbozzima + Purga enzimatica Candeggio con H 2 O 2 e trattamento con catalasi per l eliminazione di H 2 O 2 Da questo semplice schema è già evidente che 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 α- glucosidico 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 R-CH-C O H R R // \ N-CH-COOH R-CH -C-NH - CH-COOH \ / NH2 OH H NH2 O H2O 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 H 2 O 2 dopo il candeggio. Questo enzima catalizza la decomposizione del perossido d idrogeno in acqua e ossigeno secondo la reazione 2H 2 O 2 2H 2 O+ O 2 L uso delle catalasi nell eliminazione dell H 2 O 2 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 (doppio subbio) (172 1-172) cm 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 H 2 O 2. 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 H 2 O 2 : 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 H 2 O 2. I provini sono stati trattati con catalasi che degrada l H 2 O 2 secondo la reazione: 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 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 H 2 O 2 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
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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