دانلود مقاله پردازش زیستی برای پوشاک و منسوجات هوشمند

بخشی از مقاله

1- مقدمه
استفاده از آنزيم ها در فرآوري مواد غذايي، صنايع چرم و كاغذ، به عنوان پودرهاي شوينده، و در فرايند و سايزينگ توليد نخ كاملاً تثبيت شده است. اما بيوكاتاليز نيز وارد چرخه پردازش منسوجات شده است. آنزيم ها، يعني بيوكاتاليزهاي داراي فعاليت ويژه و گزينشي، امروزه به وسيله فرايندهاي بيوتكنولوژيكي (زيست فناوري) به مقادير زياد و كيفيت ثابت توليد شده اند و بنابراين در فرايندهاي با مقياس بزرگ كاربرد دارند.
از ديدگاه كاربردهاي جديد كه حاصل طراحي آنزيم هاي مربوط به فرايندهاي ويژه است، يك تقاضا براي اشتراك مساعي بين بيوشيمدان ها و شيميدان هاي نساجي وجود دارد.
علاوه بر الياف پروتئيني طبيعي مانند پشم و ابريشم و الياف سلولزي طبيعي مانند پنبه، كتاب و شاه دانه، الياف مصنوعي داراي اهداف فرايندهاي بيوكاتاليزي نيز هستند. در اندودكاري پنبه اي به جاي فرايندهاي شيميايي به طور گسترده از فرايندهاي آنزيم- كاتاليز استفاده شده است. علاوه بر بيواستوئينگ و اندودكاري زيستي كه كاملاً شناخته شده اند، ويژگي هايي مانند Modifiad harde, used look به وسيله اندودكاري آنزيمي شناسايي شده است. به علاوه، پتانسيل براي جايگزيني پشم شويي قليايي در معالجه با پنبه، با استفاده از آنزيم هايي مانند پكتيناس وجود دارد. كاتالازها براي نابود كردن پروكسيد باقيمانده در حمام هاي سفيد شويي، آسان كردن استفاده مجدد از ليكور ممكن افزوده مي شوند كه منجر به يك فرايند دوستانه محيط زيست و مؤثر از نظر هزينه مي‌گردد. در اندود كردن پشم در آنزيم ها (بيشتر پروتزها) براي دستيابي به خاصيت ضدچروك استفاده مي شود. خواص منسوجات پشم مانند كار با دست، سفيدي و براقيت به وسيله واكنش آنزيم هاي كاتاليزي بهبود يافته است. در مراحل اوليه حلاجي پشم مانند كربونيزاسيون و پشم شويي خام دورنماي كاربرد آنزيم ارزيابي شده است. علاوه بر اين فرايندهاي زيستي توصيف شده منجر به كاهش دانه سازي و بهبود رنگ پذيري مي شود. صمغ زدايي ابريشم در گذشته به كمك صابون قليايي يا اسيديصورت مي گرفت كه اكنون پروتز مي شود، براي بهبود كيفيت و ثبات الياف كتان يك رطوبت دهي آنزيمي ويژه جايگزين رطوبت دهي ميكرو بيال يا شبنمي شده است. به علاوه، رنگ پذيري ابريشم به وسيله تنزل آنزيم كاتاليزي مواد پكتيك بهبود يافته است بدون اينكه آسيبي به اجزاء سلولزي وارد شود. شاه دانه از نظر آنزيمي با توجه به تبلورپذيري، دسترس پذيري و «ساختار منفذدار» اصلاح شده است. از طريق فيبريلاسيون كنترل شده و آنزيم كاتاليزي الياف ليوسل، اثر معروف به «پوست هلويي» ايجاد شده است. گستره وسيعي از كاربردها و دورنماهاي زيادي جهت استفاده از آنزيم ها در پردازش منسوج وجود دارد كه به تأثير مثبت بر محيط زيست منتهي مي گردد. در اين فصل توسعه هاي جديد در زمينه پردازش آنزيمي منسوجات را بررسي نموده و درباره مزيت ها و محدوديت هاي اين فرايندهاي اندودكاري (تكميلي) بحث مي كند.
استفاده از آنزيم ها در فراوري مواد غذايي، صنايع چرم و پوشاك، به عنوان افزودني در پودرهاي شوينده و دسايزينگ توليد نخ تثبيت شده است. در حال حاضر، فرايندهاي آنزيمي گسترش يافته اند، كه هدف آنها اصلاح ظاهر و عملكرد منسوجات پشم و پنبه است.
آنزيم ها بيوكاتاليزهايي با فعاليت ويژه و انتخابي هستند و واكنش هاي متمايز را شتاب بخشيده و بعد از واكنش بدون تغيير باقي مي مانند. از ديدگاه اكولوژيكي و اقتصادي، پارامترهاي واكنش مناسب فرايندهاي آنزيم كاتاليزي و احتمال وجود آنزيم هاي داراي چرخه مجدد به ويژه جالب است. امروزه، آنزيم ها به وسيله فرايندهاي بيوتكنولوژيكي به مقدار زياد و با كيفيت ثابت توليد مي شوند، بنابراين امكان استفاده از آنزيم ها در فرايندهاي بزرگ وجود دارد. پيشرفت در زمينه مهندسي ژنتيك به توليد كنندگان آنزيم توانايي طراحي يك آنزيم براي يك فرايند خاص را مي دهد مثل بهينه با توجه به پايداري دما يا PH . طراحي يك آنزيم براي يك هدف خاص نياز به درك عمل كاتاليتيك آنزيم بر روي يك ماده خاص دارد. يعني در مورد ماده فيبر طبيعي، طراح يك فرايند آنزيمي بايد دانش خاصي در مورد مورفولوژي پشم يا پنبه، تأثير يك آنزيم خاص بر اجزاء فيبر و در نتيجه بر خواص كلي ماده فيبر داشته باشد. علاوه بر اين، براي ارزيابي فرايند آنزيم، نتايج عمليات آنزيمي بايد با نتايج پردازش شيميايي معمولي مقايسه گردد. اولين فرايند آنزيمي در اندودكاري منسوج فرآيند دسايزينگ با استفاده از آميداز بود. بسياري از عرصه هاي اندودكاري منسوج از آن پس گشوده شده است. امروزه، چشم انداز در زمينه توسعه اندودهاي فشاري و بادوام جديد براي پنبه وجود دارد مانند اتصال عرضي در زمينه حذف رنگ پخش شده و در زمينه تركيب كردن الياف مصنوعي. به علت ماهيت پروتئيني آنزيم ها، ايمني استفاده از آنزيم ها اغلب مورد سئوالاست چون استنشاق مكرر ماده پروتئيني مي تواند باعث واكنش هاي آلرژيك در بعضي افراد شود. توجه به اين نكته مهم است كه هيچ شواهدي كه نشان دهد آلرژي‌هاي آنزيمي از طريق تماس پوستي منتقل شده اند وجود ندارد. با آنزيم هاي توان با اطمينان كار كرد و همچنين با تجهيزات محافظ شخصي مناسب، در طرح توليد از ذرات آنزيم و فرمولاسيون هاي پودري بايد اجتناب كرد. در حالي كه فرمولاسيون هاي دانه اي (با قابليت غباري پايين) و مايع (با فعاليت مكانيكي در رگ هاي بسته) را مي توان توصيه كرد. پتانسيل بارز براي آنزيم قابل توجه است. يك مطالعه به ازاي بيانر آن است كه از سال 1992 مبلغ 350 ميليون دلا بايد به 588 ميليون دلار در سال 2000 رسيده باشد و بيشترين دغدغه درباره كاربردهاي جديد آن در صنايع كاغذسازي، شيميايي و داروسازي و در بازيابي زباله ها باشد.
 
2- رفتار پشم با آنزيم ها
1-2 ريخت شناسي پشم
پشم به عنوان يك فيبر طبيعي پيچيده عمدتاً از پروتئين (%97) و ليپيدها (%1) تشكيل شده و ماده اي ايده آل براي چند گروه از آنزيم ها است (مانند پروتئازها و ليپازها) فيبر پشم شامل و بخش عمده از لحاظ ريخت شناسي است: بشره (كوتيكل) و قشر (كورتكس). بشره متشكل از سلول هاي روي هم افتاده اطراف بخش داخلي فيبر، يعني قشر مي باشد. دومي از سلول هاي دوكي شكل قند ساخته شده كه به وسيله غناء سلول از يكديگر جدا شده اند. بشره به دو لايه اصلي تقسيم مي شود: اگزو (با لايه ) و اندوكتيكل و يك غشاء دورترين نقطه كه اپيكوتيكل ناميده مي شود باعث واكنش آلوردن الياف پشم با آب كلردار مي گردد. يك جزء مهم كوتيكل 18- متيل ليكوسانوئيك اسيد است. در يك مدل از اپيكوتيكل كه به وسيله نگري و همكارانش ترسيم شده، اين اسيد پرچرب در كنار يك ماتريس پروتئين قرار دارد تا يك لايه را بسازد. بر طبق قول نگري و همكاران، اين لايه كه به لايهF معروف است. را مي توان با قرار دادن پشم در محلول هاي كلردار يا قليايي الكلي زدود، بنابراين رطوبت پذيري آن افزايش مي يابد. ويژگي مهم ديگر اتصال عرضي اگزوكوتيكل است، مثلاً لايه  حاوي 35% سيتين است. علاوه بر پيوندهاي نرمال ؟؟، كوتيكل با پيوندهاي ايزو دي پپتيد، ليزين 4-(r-glutamy)  اتصال عرضي دارد.
كاراكتر هيدروفوبيك لايه ، به طور خاص به وسيله مقادير زياد اتصالات دي سولفيد ايجاد شده و ماده ليپيد منشأ سدهاي ديفوژن است مثلاً براي مولكول هاي رنگ، بنابراين تركيب و ريخت شناسي سطح پشم ابتدائاً در فرايندهاي پيش رفتاري فيبر اصلاح شده است.
2-2واكنش هاي ناهمگن- عمل كاتاليك آنزيم ها روي پشم و پنبه
استفاده از پشم يا پنبه به عنوان اجزاء مورد عمل براي واكنش هاي آنزيم كاتاليزي، دنباله رويي از يك نوع خاص سينتيك آنزيم بوده است. در سيستم ناهمگن آنزيم انحلال پذير و آنزيم جزء مورد عمل جامد، ديوفوژن، نسبت به سيستم ناهمگني كه در آن هم آنزيم و هم جزء مورد عمل قابل حل هستند، نقش قاطع تري دارد. در واكنش ناهمگن، سينتيك نه تنها به غلظت اجزاء شركت كننده در واكنش بلكه به ماده و مقدارPH ليكور نيز وابسته است؛ ديفوژن آنزيم، به عنوان يك پارامتر اضافي در فاز جامد جزء مورد عمل و ديفوژن محصولات واكنش خارج از فاز جامد به داخل ليكور نيز بايد مورد توجه باشند.
محصولات واكنش ماند پپنيدها در مورد پشم و اليگوساكاريدها در مورد پنبه، زماني كه پخش خارج از فيبر باشد به عنوان يك جزء مورد عمل در ليكور عمل مي كند. بنابراين بخشي از آنزيم ها در مجاورت ماده انحلال پذير در حمام واكنش است.
نفوذ آنزيم از ليكور به داخل فيبر (پشم) مشابه نفوذ يك رنگينه است، مراحل زير  بايد مورد توجه قرار گيرند:
1- نفوذ آنزيم در حمام
2- جذب سطحي آنزيم در سطح فيبر
3- نفوذ از سطح به داخل بخش دروني فيبر
4- واكنش آنزيم كاتاليز شده
ساختار پيچيده الياف طبيعي، به ويژه اصلاح فيبرآنزيمي را پيچيده كرده است. آنزيم‌هايي مانند مانند پروتئاز و ليپاز تنزل اجزاء مختلف يك فيبر پشم را تسريع مي كند، بنابراين كنترل واكنش را مشكل مي سازد. يكبار كه پروتئاز به داخل لايه دروني فيبر نفوذ كند بخش هاي اندوكتيكل و پروتئين غشاء سلول را هيدروليز مي كند، بنابراين اگر كنترل نشود منجر به آسيب جدي به فيبر پشم مي شود. بنابراين حداقل براي بعضي كاربردها، محدودكردن فعاليت آنزيمي به سطح فيبر مطلوب است مثلاً با ثابت كردن آنزيم و نتايج واكنش پشم با آنزيم هاي پروتئوليتيك به علت نداشتن دانش كامل درباره (الف) تاريخ پرازش جزء مورد عمل و (ب) ميزان تأثيرگذاري شرايط خاص پردازش بر رفتارهاي آنزيمي حاصله، غير قابل پيش بيني است. براي روشن كردن اين موضوع، اثرات گونه‌‌هاي يوني جذب شده روي آنزيم، سينتيك واكنش و جذب مورد مطالعه قرار گرفت.
براي پنبه، محدود كردن آنزيم به سطح فيبر به راحتي امكانپذير است، چون سلولز كه يك ماده كاملاً بلورين است و داراي فقط مقدار كمي آمورفوس مي باشد، نفوذ آنزيم ها به داخل فيبر پنبه را تقريباً غيرممكن مي سازد. بنابراين با تنظيم دوز آنزيم و انتخاب نوع آنزيم، عمل تسريع كنندگي آنزيم به سطح پنبه و نواحي آمورفوس (بي شكل) محدود مي شود و كل فيبر را دست نخورده باقي مي گذارد.
3-2- ضدچروكي
يكي از خواص ذاتي پشم تمايل آن به نمدي شدن و چروك خوردگي است. نظريه هاي مختلفي درباره منشاء نمدي شدن پشم وجود دارد. كاراكتر هيدروفوبيك و ساختار ناهموار سطح پشم عوامل اصلي هسته كه باعث اثر اصطحكاكي افترقي (DFE) مي شود كه نتيجه آن در تمام فيبرها به سمت ريشه آنها حركت مي كند در زماني كه عمل مكانيكي در حالت خيس صورت گرفته است.
بنابراين هدف فرايندهاي ضدچروك در اصلاح سطح فيبر چه با روش هاي اكسايش و چه كاهشي، و يا با استفاده از رزين پليمر روي سطح، مي باشد. متداولترين و تجاري ترين فرايند (فرايند كلري/هركوست) شامل يك مرحله كلري شدن است كه پس از آن مرحله كلرزدايي و كاربرد پليمر است. كلريناسيون باعث اكسيد شدن پسماندهاي ؟؟ به پسماندهاي سيمتيك اسيد در سطح فيبر مي شود و به پليمر كاتيونيك اجازه مي دهد كه بخش شده و به سطح پشم بچسبد. كلريناسيون توليد محصولات جانبي (Aox) مي كند در سيال خروجي ظهر مي شود و نهايتاً ممكن است ايجاد سميت در كل زنجيره غذايي و برداشته شدن به وسيله ارگانيسم هاي آبي كند. بنابريان تقاضاي زيادي براي گزينه‌هاي دوستانه محيط زيست وجود دارد‌.
با درنظر گرفتن مسائل مربوط به فرايند ضدنمدي متداول ذكر شده در بالا، واضح است كه بيشتر فرايندهاي آنزيمي دغدغه شان توسعه روش هايي براي جلوگيري از چروك است. شرايط لازم براي يك فرايند آنزيمي به وسيله هافلي مورد بحث قرار گرفت. اثر ضدنمدي بايد بدون استفاده از يك رزين مصنوعي به دست آيد،‌ فقط بايد از «شيمي نرم» استفاده گردد و كل فرايند بايد نسبت به محيط زيست دوستانه باشد و هيچ ماده زيان آوري توليد نكند، قضيه اي كه هنوز در تمام فرايندهايي كه از آنزيم به عنوان عامل اصلي فيبر استفاده مي كنند اجرا نشده است. در بعضي از فرايندهاي اندودكاري آنزيم‌هاي اوليه، پشم با كلريناسيون گازي (فرايند كلرزيم) يا به وسيله H2O2 (فرايند پرزيم) پيش از آنكه يا پايين رشد نهفته داشته باشد، واكنش مي داد و گياه توليد پروتئاز و بي سولفيت مي كرد. اين فرايندها باعث حذف كامل سلول هاي كوتيكل مي شدند به علت قيمت هاي  بالاي آنزيم هاي به كار  رفته در اتلاف وزن غيرقابل تحمل فيبرها، اين فرايندهاي آنزيمي تركيب شده اوليه هرگز به يك مقياس صنعتي نرسيدند.
بخش عمده فرايندهاي آنزيمي منتشر شده در چند سال گذشته نيز شامل فرايندهاي تركيبي بودند. در سال 1983 يك فرايند براي افزايش مقاومت پشم در مقابل چروك خوردگي تشريح شد كه كاملاً فيبرها را پوسته زدايي كرد. اين واكنش از پتاسيم پرمنگنات (KMnO6) به عنوان يك عامل پيش اكسيد و يك واكنش پروتئويك استفاده كرد و مقاومت پيلينگ خاصي براي الياف پشم به وجود آورد.
نه تنها فرآيندهاي فعلي نيز شامل استفاده از عوامل كلرزدايي است. اينو يك فرايند سه مرحله اي را توضيح داد: مرحله اول شامل به كار گيري مخلوطي از پاپائين، مونواتانولامين هيدروسولفيك و اوره، مرحله دوم يك واكنش با دي كلروايزوسيانريك اسيد و مرحله آخر باز هم يك واكنش آنزيمي است كه باعث كاهش سطح چروك خوردگي پارچه هاي واكنش داده به اين ترتيب مي گردد. كانل و همكاران يك پروتئاز از قبل افزده شده به كلريناسيون مرطوب يا افزايش اكسايش را با سديم هيپوكلريت و پتاسيم پرمنگنات تركيب كرده و با بكارگيري پليمر اضافي در پي به دست آوردن يك چروك خوردگي پارچه با سطح كاهش يافته بودند.
نه تنها فرايندهاي پيش افزوده شيميايي بلكه فيزيكي نيز با آنزيم هاي افزوده شده به پشم تركيب شده اند. در يك فرايند ثبت شده به وسيله ناكانيشي و ايواساكي يك پلاسماي داراي درجه حرارت كم و پيش از افزوده شدن به عنوان ضدچروك پليمري براي الياف مورد استفاده قرار گرفتند. از اين آنزيم براي جذب الياف بيرون آمده از سطح پارچه استفاده شد. بنابراين دستيابي به يك نرمي بيشتر نيز حاصل گرديد. سيامپي و همكاران يك واكنش پروتئاز را با يك واكنش گرمايي در بخار اشباع شده تركيب كردند و فورنلي و سورن استفاده از پرتوافكني با فركانس باال (HF) بر ماده آنزيم دار را تشريح كردند.
در سال1991، Schodler superwash 2000 پشم به وسيله شيندلر گزارش شد. اين واكنش يك فرايند سه مرحله اي شامل پيش افزايش جعبه سياه، يك افزودن آنزيم و به كارگيري يك رزين پلي آميدAox-Low است. در فرايند گزارش شده به وسيله اولباج (كه فرايند شولر نيز گفته مي شود) يك «پيش افزايش شيميايي حداقل خاص» به عنان لازمه فرايند آنزيمي توضيح داده شد. در اين فرايند يك سوپر واش استاندارد به دست آمد بدون اينكه از يك زين استفاده شود. فوزنلي استفاده از يك رزين به عنون (still imperative) براي دستيابي به يك اثر كارآمد ضدنمدي در آنزيم را گزارش كرد (Blo-LANA) زيرا به وسيله «براده برداري آنزيمي» از «اپيكوتيكل ناهموار» فيبر پشم فقط يك درجه خاص اما ناكافي از ضد نمد مالي به دست آمده بود. اين كار به وسيله ريوا و همكارانش كه نقش يك آنزيم در اهش چروكي پشم گزارش شده بود، مورد تائيد قرار گرفت. گفته مي شود كه پروتئاز به كار رفته (streptomyces fradiate) در كاهش چروك پشم مؤثر بود اما در مورد سطوح ضدچروك مطلوب براي پشم كه به شدت با ماشين شسته شده است نتايج چروك خوردگي از طريق افزودن سديم سولفيت بهبود نيافته بود. استفاده از پروتئازها يا بعد از افزودن اكسايش با استفاده از هيدروژپروكسيد يا افزودن پلاسمايي بود. مقاومت در برابر نمدي شدن به وسيله آنزيم بعد از افزودن به گونه اي قابل توجه اصلاح شده بود. چروك خوردگي پشم بعد از اضافه كردن پروتئاز كاهش يافت اما با توجه به بازده افزودن يك پروتئاز به تنهايي، اظهار شده بود كه مثلاً افزودن Basalan DC هنوز برتر  بود. از اين ديدگاه اين سؤال پيش آمده بود كه چقدر بايد شستشو شود تا درجه فيلتينگ پشم آنزيم دار در يك ماشين خانگي قابل مقايس با پشم كلرين دار باشد.
ويژگي مشترك فرايندهايي كه تاكنون گزارش شده استفاده از آنزيم هاي پروتئليتيك است. در بخش زير، يك بررسي در مورد فرايندهاي مفروض كه در آنها از ساير گروه‌هاي آنزيم استفاده شده است صورت گرفته است.
افزودن آنزيمي براي پشم ضد چروك كه به وسيله كينگ و براكوي توضيح داده شده يكي از چند فرايند آنزيمي است كه بدون كمك افزودن يك آنزيم شيميايي يا فيزيكي قبل يا بعد از واكنش عمل مي كند. در اين كاربرد، آنزيم PDI (پروتئين دي سولفيد ايزومراز)، كه پيوندهاي دي سولفيد را بازچيني مي كند، براي پشم شسته به كار برفته است. افزودن PDI باعث ايجاد يك ماده ضد چروك در مقابل ماده بي شكل بدون افزودن هيچ ماده اي، مي گردد. اوگاوا و همكارانش كاربرد آنزيم ترانزگلوتاميناز براي ضدچروك كردن پشم استفاده كردند. اين آنزيم اتصالات عرضي اضافي را به زير لايه مي نماياند كه به يك مقاومت در برابر چروك اصلاح شده، ضد ناهمواري و هيدوفوبي سيتي ماده، بدون زيان رساندن به بافت، منتهي مي شود.