環(huán)境友好的棉布前處理新工藝——酶閉環(huán)體系簡(jiǎn)述
楊棟樑 王煥祥
一、前言
棉布的前處理對(duì)染整化學(xué)加工來說，猶如基本建設(shè)開工前的對(duì)土地進(jìn)行三通一平工作類似。棉布的前處理主要是由退漿、煮練和漂白三個(gè)化學(xué)處理組成。雖然，棉布前處理中通常還有絲光加工，這是為了進(jìn)一步提高產(chǎn)品質(zhì)量(光澤、上
染率和縮水率)而進(jìn)行的。退漿是去除織物經(jīng)紗上的漿料(主要淀粉等)；煮練是去除棉纖維上一些妨礙染液等滲透的非纖維素共生物(如油脂、蠟質(zhì)、果膠質(zhì)和半纖維素等)；漂白是破壞棉纖維上的一些有色化合物。以上一些化學(xué)加工都必需在高溫堿性以及含氧化劑(如雙氧水)的溶液中處理較長(zhǎng)的時(shí)間，之后要用大量清水洗凈棉布上的堿質(zhì)，同時(shí)很難防止在處理過程中棉纖維不受到化學(xué)性損傷，尤其在漂白時(shí)如有金屬離子存在的情況。
生物技術(shù)在二十世紀(jì)50年代就進(jìn)入染整化學(xué)加工領(lǐng)域。生物酶退漿替代傳統(tǒng)的堿或酸退漿，條件溫和，質(zhì)量穩(wěn)定，酶退槳已廣泛被工廠采用，為生物技術(shù)在染整行業(yè)的應(yīng)用開了一個(gè)好頭。生物酶煮練的推廣應(yīng)用也將近10年了，只是個(gè)別工廠在一些特定棉布品種上開始應(yīng)用。文獻(xiàn)已有報(bào)導(dǎo)生物酶可用于木紙漿漂白和污水處理中的脫色。同時(shí)發(fā)現(xiàn)美國Auburn大學(xué)以G.Buschle-Diller為首的課題組，在研究對(duì)環(huán)境友好化合物過程中，提出一個(gè)新設(shè)想，介紹一個(gè)閉環(huán)體系
作為環(huán)境友好的前處理新工藝。其基本原理是將酶退漿和酶煮練殘液中的葡萄糖與葡萄糖氧化酶作用生成的雙氧水進(jìn)行漂白。酶處理不僅節(jié)能省水，又可減輕廢水中的污染程度，此課題內(nèi)容切合當(dāng)今潮流的要求，其進(jìn)展如何?前景怎樣?不
是值得業(yè)界同仁們關(guān)注的嗎?今簡(jiǎn)介于后，以饗同好。
二、退漿、煮練和漂白用酶的篩選
1、退漿酶
應(yīng)用淀粉酶使棉布上的淀粉等漿料水解成低分子量糖類，直至葡萄糖，再將其用水洗清的工藝早就應(yīng)用了。為建立閉環(huán)體系，供爾后能與葡萄糖氧化酶作用產(chǎn)生雙氧水漂白，應(yīng)選用淀粉葡萄糖酶(
2、煮練酶
煮練是設(shè)法除去纖維素之外一些共生物，其數(shù)量視棉花品質(zhì)而異，且集中分布于棉纖維的表層和初生層中，包括油脂、蠟質(zhì)、果膠質(zhì)和礦物質(zhì)等，使棉纖維成為真正的親水性材料，以便染色或印花等后續(xù)加工能順利地進(jìn)行。曾選用果膠酶、纖維素酶，木聚糖酶，脂肪酶等分別及聯(lián)合進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示：
表1 酶煮練的失重與相對(duì)吸水性
| 酶處理體系 | 失重(％) | 相對(duì)吸水性(％) |
| 對(duì)比樣 | - | 100 |
| 果膠酶 | 11．5 | 18 |
| 果膠酶+纖維素酶 | 13．3 | 26 |
| 果膠酶+木聚糖酶 | 11．5 | 45 |
| 果膠酶+脂肪酶 | 11．5 | 64 |
| 所有酶聯(lián)合 | 13．9 | 87 |
注：·以傳統(tǒng)煮練漂白棉布為對(duì)比樣。酶煮練系在耐洗牢度儀上，50"C處理1小時(shí)，轉(zhuǎn)速為42rpm，并加5粒鋼珠／克織物。
表1表明：果膠酶單獨(dú)
子顯微鏡掃描觀察，棉纖維表面有特殊的裂紋和剝蝕現(xiàn)象；與木聚糖酶混用后試樣的吸水性優(yōu)于纖維素酶，且強(qiáng)力損失也較??；當(dāng)所有的酶都一起混用時(shí)，試樣的失重最大，吸水性接近對(duì)比樣，意義不大。
現(xiàn)已查明，原棉中的蛋白質(zhì)對(duì)棉纖維的性能影響極小，毋需選專用酶進(jìn)行處理，因此，可根據(jù)棉花品質(zhì)，選用以果膠酶為主的復(fù)合酶作為煮練酶。
眾所周知，傳統(tǒng)的煮練和漂白，容易損傷棉纖維(纖維素的聚合度下降)，尤其是雙氧水漂白時(shí)的游離基會(huì)切斷纖維素的分子鏈，生物酶煮練就無這種缺點(diǎn)，其試樣的聚合度測(cè)定結(jié)果如表2所示
表2 幾種試樣的聚合度
| 試樣 | 聚合度 |
| 坯布(由‘TesffabricsInc．NJ提供) | 3850 |
| 退漿后的棉布(同上) | 3700 |
| 退漿，煮練、漂白的棉布(同上) | 1450 |
| 堿煮練的棉布(宴賒富) | 2800 |
| 堿煮練雙氧水漂白棉布(實(shí)驗(yàn)室) | 1100 |
| 果膠酶煮練(實(shí)驗(yàn)室) | 3750 |
注：實(shí)驗(yàn)室的試樣，是由’Fe
由表2、3知，生物煮練的優(yōu)越性是顯而易見的。
3、漂白酶
用于漂白的酶制劑，尚處于開發(fā)階段，曾研究過有三種途徑：一是漆酶，它已成功地用于木質(zhì)紙漿的漂白，需要有合適的傳遞介質(zhì)化合物與它配套應(yīng)用，因它是非專一性的酶，需由傳遞介質(zhì)能傳遞電子才能起作用。目前使用的傳遞介質(zhì)
如N-羥基苯三唑(N-hydroxybenzotriazole,HBT)及紫尿酸(Violuric acid)，其效率和毒性方面尚存在問題。二是，過氧化物酶，它通常是促進(jìn)各種氧化劑的活化，例如過氧化氫酶用于除去織物上的過氧化氫(雙氧水)的分解，迄今未見于漂白方面的報(bào)導(dǎo)。三是葡萄糖氧化酶是最有希望的，它對(duì)B.D.葡萄糖有很強(qiáng)的專一性，能使葡萄糖在有氧氣參與的情況下，催化生成過氧化氫(H202)和葡萄糖酸內(nèi)酯(Gluconolactone)，其簡(jiǎn)單的催化反應(yīng)如下:
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但是，如葡萄糖的C1處被取代，則葡萄糖氧化酶的活性會(huì)明顯下降，或完全停止。
上述催化反應(yīng)，由二個(gè)部分組成，第一部先生成葡萄糖酸內(nèi)酯，第二部是被還原的葡萄糖氧化酶，它與氧氣作用生成雙氧水，而葡萄糖酸內(nèi)酯則會(huì)水介生成葡萄糖酸，它對(duì)金屬離子有很強(qiáng)的螯合能力，因此，毋需另加雙氧水的穩(wěn)定劑了。
根據(jù)以前試驗(yàn)結(jié)果，為使棉布漂白達(dá)到半制品白度要求，雙氧水的濃度在500-600mg／L時(shí)即可。而不同量的葡萄糖氧化酶能產(chǎn)生的雙氧水量的關(guān)系如圖1所示：
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| 葡萄糖氧化酶的劑量 |
| 圖1 葡萄糖氧化酶的劑量與生成雙氧水濃度的關(guān)系列 (淺灰色表示有布存在，灰色表示無布。) |
圖1表明，葡萄糖氧化酶能產(chǎn)生足夠的雙氧水濃度，同時(shí)，如處理浴中有布存在時(shí)，有利于雙氧水的生成，達(dá)
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| 葡萄糖氧化酶的劑量 |
| 圖2葡萄糖氧化酶的劑量和PH值對(duì)提高白度的關(guān)系(淺灰色表示PH7灰色表示PhlO) |
圖2表明，酶漂白織物的白度與葡萄糖氧化酶劑量和PH的關(guān)系，由以前試驗(yàn)可知，雙氧水濃度隨施加劑量提高而提高，PHl0比PH7的漂白效果好。然而，葡萄糖氧化酶達(dá)一定劑量，白度會(huì)到達(dá)某一水平后就沒有相關(guān)性了，疑似由葡萄糖酸內(nèi)酯增加而導(dǎo)致生成過量的葡萄糖酸的穩(wěn)定作用所致。
三、酶前處的閉環(huán)體系
在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將酶退漿、煮練和漂白三個(gè)工序組合起來，建立一個(gè)酶前處理閉環(huán)體系，并將其廢液經(jīng)處理后回用，從而實(shí)現(xiàn)用水少、排污量低和降低能耗的新工藝，其流程示意如圖3所示
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| 圖3酶退漿／煮練，漂白的閉環(huán)處理體系 |
為了建立閉環(huán)處理體系，工作步驟如下：
1、對(duì)退漿煮練和漂白三個(gè)酶處理工序，先分別進(jìn)行工藝條件的最優(yōu)化選擇，并均能達(dá)到半制品質(zhì)量要求，再對(duì)退漿和煮練廢液中葡萄糖含量進(jìn)行測(cè)定。
2、為了聯(lián)合處理，所選用的酶其應(yīng)用最優(yōu)化溫度和PH需兼容：此外，其處理殘液中仍呈活性狀態(tài)酶的影響，以及除葡萄糖外的水介產(chǎn)物，對(duì)聯(lián)合處理是 否有抑制作用，必須進(jìn)行評(píng)估。
3、必須保證產(chǎn)生足夠的雙氧水濃度(500--600mg／L)，才能獲得合格白度，葡萄糖的含量以及葡萄氧化酯的劑量要仔細(xì)的合理平衡。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在體系內(nèi)超量提高雙氧水濃度，不會(huì)進(jìn)一步提高織物的白度水平，可能是由于反應(yīng)中同時(shí)產(chǎn)生的葡萄
4、退漿和煮練后的處理液污染很嚴(yán)重，須經(jīng)過濾和／或離心分離等凈化處理后再回用。一則可減輕污染物再沉積到織物上去，其次，可減少由酶生成的雙氧水部分消耗于處理液的色素。
5、酶漂白在PH值7時(shí)織物白度指數(shù)為62-64，經(jīng)堿液沸煮后白度指數(shù)可提高到73，這與傳統(tǒng)煮練漂白的白度指數(shù)72相當(dāng)。而且經(jīng)聯(lián)合的閉環(huán)處理后，織物的機(jī)械強(qiáng)度良好，纖維素?fù)p傷甚少，吸水性為3-4秒，試樣失重約為10-10.6％。
6、關(guān)于死棉和棉籽殼問題。在傳統(tǒng)煮練漂白后，棉子殼可以全部去除，但死棉仍無法介決。在酶前處理中，漆酶和機(jī)械力有助于去除棉籽殼或在很大程度減輕，死棉仍是一個(gè)挑戰(zhàn)性的問題。
7、酶閉環(huán)一浴法處理的棉布的手感，與傳統(tǒng)退漿煮練漂白棉布比較，經(jīng)風(fēng)格儀(KES-FS)測(cè)定，按夏令襯衫料(KNl01-S)公式計(jì)算其基本手感值，如表3所示
表3 前處理工藝與半制品手感關(guān)系
| 身骨 shari | 挺刮性koshi | 豐滿度Fukurami | 挺爽性hari | |
| 坯布 | 6.00 | 8.84 | 1.86 | 10.00 |
| 果膠酶處理 | 8.84 | 6.83 | 2.32 | 7.93 |
| 果膠酶／非離子表面活性劑處理 | 5.25 | 6.28 | 2.65 | 7.52 |
| 果膠酶／纖維素酶處理 | 3.29 | 4.06 | 2.77 | 5.23 |
| 果膠酶／葡萄糖淀粉酶／葡萄糖氧化酶處理 | 5.29 | 6.09 | 3.23 | 7.44 |
| 一浴法酶退漿／煮練／漂白處理 | 4.08 | 5.11 | 2.93 | 6.28 |
| 堿煮練／雙氧水漂白(傳統(tǒng)工藝) | 3.61 | 5.05 | 3.08 | 6.27 |
注：10(強(qiáng)) 1(弱) 表3數(shù)據(jù)表明，閉環(huán)體系試樣的手感與傳統(tǒng)煮練漂白試樣手感沒有明顯的區(qū)別。
四、結(jié)語
1、新建立的酶閉環(huán)體系前處理新工藝，不僅具有節(jié)能省水和減排等優(yōu)點(diǎn)，又能降低廢水的污染程度，如其中分解物葡萄糖轉(zhuǎn)化漂白原料予以利用，在染整加工技術(shù)理論上有學(xué)術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面的意義。酶閉環(huán)體系的核心是葡萄糖與葡萄糖氧化酶之間，在有氧氣存在下的催化反應(yīng)，生成雙氧水及水解的葡萄糖酸要合理平衡。同時(shí)
2、酶的閉環(huán)體系只適用于以淀粉為主上漿的棉及其混紡織物的前處理，目前只是完成了實(shí)驗(yàn)室階段的工藝技術(shù)的開發(fā)，肯定還有大量研究工作要做才能推向規(guī)?；膽?yīng)用。其次，葡萄糖氧化酶只有醫(yī)藥檢驗(yàn)血糖用的制劑供應(yīng)，其價(jià)格在染整行業(yè)來說是無法接受的，今后擴(kuò)大生產(chǎn)后的價(jià)格如何?可能也將是它的一道成本關(guān)。
五、參考文獻(xiàn)
1、GBuschle-Diller,et．a(chǎn)L，Environmentally Benign Preparatory Processes-Introducing a Closed-L00p System，National Textile Center．Annual Report Nov.1999,C99-A07
2、ibid Auqust,2001
3、Q.Buschle-Diller,et.a1．，Biomimicking Of Enzymes for textile Processing，NTC．Annual Report；Nov,
4、王煥祥等葡萄糖氧化酶的棉織物漂白 全國染整新技術(shù)協(xié)作網(wǎng)簡(jiǎn)訊第49期(總55期)2008．6．26
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