Главная
страница 1

На правах рукописи



Лепилова Ольга Владимировна



Обоснование ферментативных методов

регулируемого расщепления углеводных

примесей и делигнификации льняной ровницы

.

05.19.02 - Технология и первичная обработка


текстильных материалов и сырья


Автореферат


диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук



Иваново - 2007


Работа выполнена в Институте химии растворов Российской академии наук (г. Иваново) в лаборатории «Химия растворов текстильных вспомогательных веществ».
Научный руководитель ¾

доктор технических наук, старший научный сотрудник



Кокшаров Сергей Александрович
Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор



Кричевский Герман Евсеевич;

кандидат технических наук, старший научный сотрудник



Стокозенко Валерия Германовна
Ведущая организация ¾

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет».

Защита состоится «17» декабря 2007 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 212.063.03 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет» по адресу: 153460, г. Иваново, пр. Фр. Энгельса, 7.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный химико-технологический университет».
Автореферат разослан «_16 ноября 2007 г.

Ученый секретарь


диссертационного совета Шарнина Л.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время на мировом рынке неуклонно возрастает интерес потребителей к использованию текстильных изделий из натуральных волокон, в том числе изо льна. Однако большое содержание примесей в льняном сырье осложняет его переработку в текстильном производстве. В процессах облагораживания льняных материалов традиционно используются химические методы расщепления примесей под действием растворов кислот, щелочей и окислителей, в том числе хлорсодержащих соединений, применение которых ограничивается международными экологическими стандартами. Основным недостатком использования химических катализаторов является глубокая деструкция полимеров, в том числе и волокнообразующих макромолекул целлюлозы.

С учетом возросших экологических требований к производственным процессам и качеству выпускаемой продукции весьма актуально создание альтернативных методов переработки и облагораживания льняных текстильных материалов. Эффективным решением данной проблемы является использование при подготовке льняных волокнистых материалов ферментных препаратов, высокоселективное действие которых может быть направлено на деструкцию массивных образований клеящих веществ в структуре комплексного волокна без повреждения тонких срединных пластинок между элементарными волокнами, а также волокнообразующего полимера.

Наиболее сложной в плане практической реализации задачей является осуществление биокатализируемого расщепления лигнина, значительное содержание которого в отечественном льняном сырье затрудняет дробление льняных комплексов, обусловливает жесткость и низкие деформационные свойства текстильных полуфабрикатов. Известные полиферментные системы, обеспечивающие каталитическое расщепление полимерного лигнина, имеют сложный состав и в настоящее время промышленно не выпускаются.

Настоящая работа направлена на формирование нового подхода к использованию ферментативного катализа для интенсификации процессов делигнификации льняных материалов за счет целенаправленного расщепления полисахаридных спутников целлюлозы и генерации эффективно действующих редуцирующих агентов, обеспечивающих протекание редокс-превращений в макромолекулах лигнина, частичную его деполимеризацию и ускорение окислительной деструкции при последующей пероксидной обработке.

Работа выполнена в соответствии с планами НИР ИХР РАН на 2003-2005 г.г. и 2006-2008 г.г., поддержана грантом РФФИ № 06.08.00600 и включена в план мероприятий по выполнению проекта в рамках ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 г.г. (гос. контракт № 02.513.11.3229).

Цель работы состояла в повышении прядильной способности льняного волокна из отечественного высоколигнифицированного сырья за счет эффективной его делигнификации, инициируемой редокс-превращениями под действием продуктов ферментативного расщепления полиуглеводных примесей.

Для достижения поставленной цели выполнены следующие этапы работы:



  • изучены закономерности проявления восстановительных свойств моносахаридов и продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна;

  • выявлены механизмы протекания редокс-превращений лигнина под действием восстанавливающих моносахаридов;

  • обоснован состав полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия и разработана технология биохимической подготовки ровницы из высоколигнифицированных сортов льняного сырья.

Общая характеристика объектов и методов исследования. В качестве объектов исследования в работе использованы: суровая льняная ровница и льняная чесаная лента из импортных и отечественных сортов лубоволокнистого сырья; промышленные (ОАО «Сиббиофарм» (г. Новосибирск) и экспериментальные ферментные препараты, полученные в ИХР РАН совместно со специалистами каф. микробиологии ИГМА с использованием бактериальных штаммов из коллекции ГосНИИГенетики; нейтральные моносахариды фирмы ISN. Экспериментальные исследования проводили с применением современных методов физико-химического анализа: спектроскопии, вискозиметрии, микроскопии, потенциометрии, объемных и весовых методов аналитической химии, биохимических методов оценки активности ферментов. Качественные показатели текстильных материалов определялись в соответствии с методиками, предусмотренными государственными стандартами.

Научная новизна. Впервые выявлены закономерности проявления восстановительных свойств продуктов ферментативного разрушения полиуглеводных примесей льняного волокна и их участия в редокс-превращениях лигнина для инициирования процессов делигнификации.

Основные научные результаты работы:



  • впервые установлено влияние химического и стереоизомерного строения моносахаридов на проявление восстановительных свойств их растворами; конкретизированы полимерные объекты в структуре льняного волокна и методы их ферментативного расщепления для генерации редуцирующих агентов, проявляющих высокую реакционную способность во взаимодействиях с модельными соединениями и лигнином;

  • экспериментально подтверждено протекание восстановления карбонильных группировок в макромолекулах лигнина под действием редуцирующих сахаров и разрыва прилегающих эфирных связей между фенилпропановыми единицами с увеличением числа структурных фрагментов в свободной фенольной форме, что ускоряет окислительную деструкцию хромофорных центров и удаление лигнина при последующей пероксидной обработке;

  • выявлены закономерности изменения линейной плотности, гибкости и разрывной нагрузки льняной пряжи при избирательной деструкции полимерных примесей и определены оптимальные уровни их удаления в процессах подготовки ровницы к прядению;

  • получены корреляционные уравнения для оценки эффективности деструкции полиуронидных соединений по показателям активности индивидуальных ферментов в применяемых пектолитических препаратах в зависимости от степени метоксилирования субстрата, которые позволяют оптимизировать состав препарата для эффективного разрушения высокометоксилированных пектиновых веществ в отечественных сортах льняного сырья;

  • в лабораторных и производственных условиях оценена технологическая эффективность использования двух разновидностей полиферментных композиций на пектиназной и пектинлиазной основе с добавками протеаз и гемицеллюлаз экзогенного действия для пространственно локализованного расщепления крупных образований связующих веществ в техническом льняном волокне и для генерации редуцирующих агентов; подтверждено комплексное улучшение геометрических, прочностных и деформационных свойств пряжи.

Практическая значимость. Научно обоснованные технологические требования к процессам биокатализируемого разрушения клеящего вещества в структуре комплексного льняного волокна, способствующего деполимеризации и обесцвечиванию лигнина, воплощены при создании экспериментальных образцов полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ. Разработан новый технологический режим ферментативно-пероксидной подготовки ровницы, предусматривающий оптимизацию рецептуры раствора ферментных препаратов и введение дополнительной стадии термоактивации редуцирующих агентов и деполимеризации лигнина. Новые препараты и режим биохимической подготовки ровницы прошли успешные испытания на ОАО «Вологодский текстиль», в ходе которых подтверждено повышение прядильной способности волокна из отечественных высоколигнифицированных сортов льняного сырья и комплексное повышение технологических свойств получаемой пряжи. Несмотря на лучшую совокупность свойств пряжи при использовании препарата Полифан МЛГ, в настоящее время при отсутствии производства пектолитических ферментов с необходимым содержанием пектинэстеразы для промышленной реализации биохимической подготовки ровницы целесообразно рекомендовать технологический режим с применением препарата Полифан МДЛ, созданного на основе компонентов, выпускаемых ОАО «Сиббиофарм» (г. Новосибирск). Окупаемость расходов на ферментный препарат при подготовке льняной ровницы по биохимической технологии с применением Полифана МДЛ обеспечивается за счет уменьшения непроизводительных потерь волокна на 21,6 %, увеличения выхода биомодифицированной пряжи, улучшения ее технологических характеристик и перерабатываемости в процессах перемотки и ткачества. Экономический эффект при замене химической технологии составил 6,6 тыс. руб. на 1 тонну перерабатываемого волокна в ценах 2006 г.

Автор защищает:

  • новый подход к использованию ферментативного катализа для интенсификации процессов делигнификации лубоволокнистого сырья и комплексного пространственно локализованного разрушения примесей в крупных образованиях связующих веществ технического льняного волокна для предупреждения его элементаризации, повышения прядильной способности и комплексного улучшения технологических свойств формируемой пряжи;

  • установленные закономерности проявления редуцирующей способности моносахаридов, и методы активации продуктов ферментативной деструкции полиуглеводных примесей волокна для обеспечения их взаимодействия с полимерным лигнином;

  • экспериментальное подтверждение механизма химических превращений в макромолекулах лигнина под действием редуцирующих агентов, генерируемых при селективной деструкции полиуглеводных примесей льняного волокна;

  • выявленные зависимости для оценки эффективности деструкции пектиновых примесей в отечественных и импортных сортах льняного сырья пектолитическими препаратами и оптимизации состава ферментов с учетом степени метоксилирования полиуронидов;

  • новые специализированные полиферментные препараты мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ и усовершенствованный режим ферментативно-пероксидной подготовки ровницы из отечественного высоколигнифицированного льняного сырья.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих научных мероприятиях:

- научно-практическая конференция «Конъюнктура рынка текстиля и пути создания конкурентоспособной продукции», Москва, МГТУ, 2005;

- Международные научно-технические конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Иваново, ИГТА, 2005-2007; «Достижения текстильной химии - в производство», Иваново, ИХР РАН 2004; «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах», Иваново, ИХР РАН, 2007;

- конференция РФФИ «Фундаментальная наука в интересах развития критических технологий», Владимир, 2005;

- Международная конференция «Прорывные, высокие технологии в производстве текстиля: волокна, красители, ТВВ, оборудование», Москва, РСХТК, 2006;

- Международная конференции по химической технологии, Москва, 2007;

- III Всероссийская научная конференция «Физико-химия процессов переработки полимеров», Иваново, ИГХТУ, 2006;

- Всероссийская конференция молодых учёных и II школа по проблеме «Окисление, окислительный стресс и антиоксиданты», Москва, ИБФ РАН, 2006;

- Межвузовские научно-технические конференции «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности», Иваново, ИГТА, 2004-2007; 10-я Пущинская школа-конференция молодых ученых «Биология - наука XXI века», Пущино, 2006;

- конференции молодых учёных ИХР РАН «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем», 2006, 2007;

- выставки научных достижений Ивановской области «Ивановский инновациионный салон», 2005, 2006;

- научно-технические семинары научного направления «Химия текстильных материалов» ИХР РАН, Иваново, 2006, 2007.



Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 статей, 17 тезисов докладов.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа содержит: введение, литературно-аналитический обзор, методическую часть, экспериментальную часть с обсуждением результатов, выводы, список литературы (154 наименования) и 4 приложения. Основная часть диссертационной работы изложена на 202 страницах машинописного текста, содержит 27 рисунков и 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

1. Литературно-аналитический обзор содержит 2 главы. В первой главе рассмотрены современные научные представления о влиянии полиуглеводных примесей льняного волокна на его переработку в текстильном производстве. Приведены обобщенные сведения об особенностях химического строения лигнина и его реакционной способности. Во второй главе рассмотрены достоинства и недостатки облагораживании льняной ровницы при использовании химических реагентов. Описаны теоретические основы использования ферментов. Выявлены особенности подбора полиферментной композиции для переработки отечественного высоколигнифицированного льняного сырья и условия проведения биохимической подготовки льняной ровницы

2. Методическая часть содержит характеристику объектов исследования, методы проведения эксперимента.

3. Экспериментальная часть включает 3 главы.

3.1. Изучение восстановительных свойств моносахаридов и продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна

3.1.1. Выявление редуцирующей способности моносахаридов по показателю окислительно-восстановительного потенциала

Проведен сравнительный анализ редуцирующей способности восстанавливающих моносахаридов, образующихся в результате биодеструкции полиуглеводных примесей льняного волокна, при варьировании их концентрации в растворе, температуры и рН среды. Установлено влияние химического и стереоизомерного строения моносахаридов на проявление редуцирующей способности их растворов. При низких температурах ОВП системы определяется равновесным содержанием свободной альдегидной формы молекул. Резкое возрастание редуцирующей способности систем зафиксировано при нагревании растворов и повышении щелочности среды, что обусловлено протеканием термоинициируемых превращений моносахаридов. Показано, что наиболее высокими восстановительными свойствами обладают альдопентозы, входящие в состав гемицеллюлозных соединений и боковые ответвления полиуронидов льняного волокна, деметоксилированные продукты деструкции пектина, а также продукты ферментативного гидролиза крахмала, инвертируемые в β-конформацию. Редуцирующие свойства моносахаридов нарастают в ряду: -глюкоза  b-глюкоза  манноза  арабиноза  метилгалактуронат  галактоза  галактуроновая кислота  ксилоза.

3.1.2. Оценка реакционной способности моносахаридов

во взаимодействиях с модельными реагентами

Обоснован выбор молекулярного кислорода и кубового красителя в качестве модельных окислителей для сопоставления восстановительных свойств растворов анализируемых моносахаридов. Оценка эффективности взаимодействия сахаров с поглощенным атмосферным кислородом проведена по результатам потенциометрических исследований в аэробных и анаэробных (атмосфера азота) условиях. Установлено, что при проведении измерений без доступа воздуха величина ОВП дополнительно снижается на 20 – 25 % благодаря предупреждению окислительных превращений альдегидной формы сахаров до альдоновых и гликаровых кислот, иллюстрируемых схемой:


(1)

Установлено, что в анаэробных условиях уровень ОВП, развиваемый продуктами деструкции полисахаридных примесей, может достигать значения ниже минус 800 мВ.

Спектрофотометрическим методом исследована кинетика восстановления кубового красителя броминдиго растворами моносахаридов и сульфоксилатного восстановителя  ронгалита. Переход красителя из исходной формы в восстановленную контролировали по нарастанию концентрации натриевой соли лейкосоединения при  393 нм. Установлено, что исследуемые восстанавливающие реагенты с разной интенсивностью способствуют повышению концентрации лейкокислоты и расходованию исходной формы окисленного красителя. Выявлено, что уровень оптической плотности спектрограмм при восстановлении красителя ксилозой сопоставим с результатами, полученными при использовании ронгалита. Анализ представленных на рис. 1 кинетических зависимостей восстановления красителя показал, что различия скорости превращений на стационарном участке кривой значительно превышают относительные отклонения достигаемого максимума оптической плотности лейкоформы красителя (D393). При переходе от глюкозы и маннозы к галактуроновой кислоте и ксилозе процесс интенсифицируется в 11,7–13,5 раза, а развиваемая скорость превращений в растворе ксилозы сопоставима с динамикой процесса при воздействии ронгалита.

Расчетные значения константы скорости реакции с участием всех исследуемых редуцирующих агентов коррелируют с уровнем окислительно-восстановительного потенциала применяемых растворов и описываются зависимостью:

(2)

7

6



Рис. 1. Нарастание содержания натриевой соли лейкосоединения при воздействии на броминдиго (0,056 ммоль/л) редуцирующих систем (5,6 ммоль/л) при 80оС:

1  -глюкоза;

2  манноза;

3  метилгалактуронат;

4  галактоза;

5  галактуроновая кислота,

6  ксилоза;

7  ронгалит



5


4

3

2



1

, с


Результаты анализа подтверждают способность моносахаридов проявлять свои редуцирующие свойства в окислительно-восстановительных взаимодействиях с модельными реагентами, сопоставимую при 80оС с действием ронгалита, что явилось предпосылкой для оценки возможности их использования с целью инициирования процессов восстановительной деструкции лигниновых примесей льняного волокна.

3.2. Исследование редокс-превращений лигнина под действием

восстанавливающих моносахаридов

Проведен анализ состояния лигниновой компоненты волокнистого материала, прошедшего обработку в растворах исследуемых моносахаридов. При этом использовался комплекс физико-химических методов, позволяющих оценить содержание в волокне различных фракций полимера: кислотонерастворимого (лигнин Класона), растворимого в диоксане (лигнина Бьёркмана), а также фенилпропановых единиц в свободной фенольной форме. Совокупность полученных данных позволила проследить эффект деполимеризации лигнина и химизм его превращений, а также сопоставить редуцирующее действие моносахаридов по эффективности делигнификации волокнистого материала при последующей пероксидной обработке.

Реакции сульфитирования лигнина основаны на протекании нуклеофильного замещения у С-атома пропановой цепочки структурного звена, содержащего свободный фенольный гидроксил. Фенилпропановые фрагменты, включающие связанный фенольный гидроксил, сульфитированию не подвергаются. В связи с этим показатель лигнина Класона чувствительно реагирует на изменение степени полимеризации высокомолекулярного соединения поскольку:

- деполимеризация, связанная с разрывом эфирных связей между фенилпропановыми единицами и сопровождающаяся увеличением содержания свободных фенольных фрагментов, повышает число реакционно-способных центров для взаимодействий с серной кислотой;

- гидратация появляющихся ионизированных сульфогрупп способна обеспечить перевод в раствор только относительно мелких коллоидных частиц с определенным уровнем гидрофильно-гидрофобного баланса во взаимодействии с растворителем.

Анализ изменения содержания кислотонерастворимого лигнина ∆LK после различных вариантов обработки льняного волокна показал, что щелочная варка снижает его содержание на 12 %, обработка растворами ронгалита и дитионита натрия при 80оС соответственно на 62 и 68 %. Воздействие растворов моносахаридов при 95оС изменяет значение показателя ∆LK следующим образом (%): -глюкоза  18; манноза  22; метилгалактуронат 31,5; галактоза 35,7; галактуроновая кислота 37; ксилоза  40.

Г
ΔD
идрирование карбонила в -положении пропановых звеньев полимера сопровождается ослаблением его светопоглощающей способности и увеличением показателя светлоты волокна, меняющегося при обработке в растворе ксилозы с 53,6 % до 60,1 %.


Рис. 2. Изменение

дифференциального УФ-спектра щелочного лигнина (1) после

обработки растворами галактозы (2); галактуроновой кислоты (3); ксилозы (4)

4

3



2

1



, нм

На рис. 2 представлены полученные методом дифференциальной УФ-спектоскопии результаты оценки состояния структурных звеньев полимера, находящихся в свободной фенольной форме и ионизирующейся в щелочных растворах диоксан-лигнина. Максимумы поглощения при длине волны 250, 300 и 350 нм соответствуют определённым формам ионизированных фенольных гидроксилов. Наличие изобестической точки в серии спектральных кривых свидетельствует, что при этом происходит трансформация карбонилсодержащих группировок в форму n-кумарового (незамещенного) или кониферилового спиртов в зависимости от наличия или отсутствия заместителя в м-положении бензольного кольца. Дестабилизацию и разрыв эфирных связей, примыкающих к восстанавливаемому карбонилу, можно проиллюстрировать схемой:




(3)

Суммарное нарастание пиков при 250 и 300 нм значительно превосходит снижение поглощения при 350 нм, что объяснимо с учетом СО-групп в β–положении, претерпевающих и инициирующих изменения, аналогичные показанным на схеме (3). Общее количество фенилпропановых звеньев с карбонильной группировкой в структуре лигнина составляет примерно 20 %. Появление такого количества свободных фенольных фрагментов должно существенно инициировать процесс окислительной деструкции хромофорной структуры полимера под действием пероксида водорода:




(4)

Это подтверждается данными УФ-спектроскопии диоксановых экстрактов остаточного лигнина по максимуму поглощения при длине волны 280 нм после двустадийной обработки льняной ровницы раствором восстанавливающих сахаров и щелочно-пероксидным составом. Установлено, что лигнин ровницы, прошедшей подготовку по щелочно-пероксидному способу, окисляется лишь на 50 %. Проведение предварительной восстановительной деструкции лигнина растворами моносахаридов способствует его последующему окислению на 62  71 %.

Таким образом, результаты исследований позволили выявить и экспериментально обосновать закономерности химических превращений лигнина под действием редуцирующих сахаров. Подобно действию ронгалита и дитионита натрия обработка в растворах моносахаридов обеспечивает восстановление карбонильных группировок и инициируемый разрыв прилегающих эфирных связей между фенилпропановыми единицами макромолекулы с увеличением числа структурных фрагментов в свободной фенольной форме. Гидрирование ауксохромных СО-групп ослабляет окраску льняного волокна, интенсифицирует сульфитирование полимера, повышая его растворимость в 72 %-ной серной кислоте, а также ускоряет окислительную деструкцию хромофорных центров и удаление лигнина при последующей пероксидной обработке. Наибольшую активность во взаимодействии с лигнином проявляют ксилоза, галактуроновая кислота и галактоза.

3.3. Обоснование состава полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия и разработка технологии биохимической

подготовки ровницы из высоколигнифицированных сортов льняного волокна

3.3.1. Оценка влияния примесного состава технического льняного волокна

на качество получаемой пряжи

Проведено избирательное извлечение полиуронидных, гемицеллюлозных и лигниновых примесей льняного волокна и получены концентрационные зависимости изменения линейной плотности, гибкости и разрывной нагрузки формируемой льняной пряжи. В результате эксперимента выявлено, что при подготовке льняной ровницы к прядению ферментативная обработка должна обеспечивать, прежде всего, деструкцию пектиновых веществ, являющихся клеящей основой соединительных тканей в структуре лубяного пучка. Содержание полиуронидов в волокне может быть снижено в 8–10 раз относительно их количества в суровой ровнице, что способствует повышению тонины пряжи, её гибкости и прочности. Однако при уменьшении массовой доли пектиновых соединений до 0,3 масс. % возможно снижение прочностных показателей в результате недостаточной склеенности волокон в структуре высохшей пряжи. Оптимальное остаточное содержание пектинов составляет 0,35 – 0,45 масс.%.

Повышение прядомых свойств волокна и качества получаемой пряжи обеспечивает снижение содержания кислотонерастворимого лигнина до 2,0-2,5 масс.%. Причем под действием редуцирующих сахаров, генерируемых при ферментативной деструкции полиуглеводных соединений в зоне инкрустирующих и межклеточных образований комплексного льняного волокна, возможно осуществление локализованной деструкции лигниновых примесей в зоне одревеснелых межклетников. Неполное их разрушение приводит к появлению в пряже толстых неразработанных комплексов, снижающих равномерность геометрических, прочностных и деформационных характеристик полуфабриката. При этом желательно, чтобы делигнификация межклетников осуществлялась без нарушения стыковых спаек элементарных волокон, обеспечивающих прочность их скрепления в продольном направлении, и без повреждения лигно-углеводного комплекса клеточной стенки, обеспечивающего аморфизацию и гибкость волокна. Наличие подобного пространственно локализованного воздействия на лигнин логично предположить, учитывая склонность молекул моносахаридов к взаимодействиям с полимерами волокна и относительно низкую диффузионную подвижность. Отсутствие деструкции лигнина в спайках между углами элементарных волокон и в их клеточной стенке обусловлено тем, что ферментативное расщепление примыкающих к ним полисахаридов и генерация редуцирующих агентов будут сдерживаться наличием стерических препятствий для проникновения крупных по размерам молекул белковых катализаторов в тонкие срединные пластинки и в межфибриллярные пространства волокна.

Гемицеллюлозы могут быть подвергнуты только частичной деструкции, примерно на 3040 % от их исходного количества с сохранением остаточного содержания в подготовленном волокне на уровне 8–9 масс.%. Поскольку деструкция гемицеллюлоз неизбежна на стадии пероксидной обработки льняного волокна, предшествующий ей этап биомодификации должен осуществляться с максимальным сохранением разветвленных структур нейтральных полисахаридов. При этом источником обладающих повышенной редуцирующей способностью альдопентоз и альдогексоз могут служить боковые ответвления макромолекул полиуронидных соединений, сформированные из остатков нейтральных сахаров.

Ориентировочные расчеты максимального содержания моносахаридов, получаемых при полной конверсии допустимого количества удаляемых полиуронидных соединений (3 масс.%) и гемицеллюлоз (6 масс.%), показали, что необходимая концентрация моносахаридов для обеспечения редокс-превращений лигнина достигается при переводе в мономерную форму 10 % продуктов мацерационного расщепления углеводных примесей волокна.

3.3.2. Закономерности деструкции полиуронидных соединений

льняного волокна пектолитическими ферментными препаратами

В процессе биокатализируемого гидролиза пектиновых веществ принимают участие четыре разновидности пектолитических ферментов: пектинэстераза (ПЭ), эндополигалактуроназа (эндоПГ), экзополигалактуроназа и экзополигалактуронозидаза (экзоПГ). Для выяснения индивидуального и кооперативного вклада компонентов пектиназного комплекса проведена оценка степени деструкции пектиновых веществ льняного волокна при двухчасовой обработке растворами биопрепаратов с варьируемыми показателями активности ферментов: эндоПГ 0,2  27,7 ед./мл; экзоПГ 0,07  0,5 ед./мл; ПЭ 0,03  0,8 ед./мл.

В качестве объектов исследования использованы образцы перерабатываемых на ОАО «Вологодский текстиль» отечественных сортов бийского, костромского и тверского льняного волокна, а также голландского льна. Характерной особенностью отечественного льняного сырья является более высокая степень метоксилирования пектиновых веществ, которая в соответствии с вышеприведенным порядком перечисления сортов льноволокна составляет 54, 59, 62 и 38 %. Это обстоятельство находит свое отражение в результатах ферментативной деструкции полиуронидных примесей. При анализе совокупности экспериментальных данных степени удаления пектина (Пi, %) для каждого сорта волокна получены следующие корреляционные уравнения:

-
(5),



(6),
бийский лен:

- костромской лен:

-
(7),
тверской лен:

-
(8).


голландский лен:

Преимущественная роль эндополигалактуроназы в расщеплении низкометоксилированных пектинов импортного сырья при переходе к отечественным сортам волокна становится зависимой от эффективности предварительного отщепления метоксильных группировок под действием пектинэстеразы. Обобщенное уравнение для анализируемого льняного сырья с указанием степени метоксилирования полиуронидных соединений (СМ) в долевом выражении имеет вид:




(9).

Уравнение (9) позволяет прогнозировать эффективность действия препаратов по уровню активности присутствующих в них ферментов, а также осуществлять оптимизацию их состава для переработки определенных видов льняного сырья.

3.3.3. Разработка технологических подходов к проведению

ферментативно-пероксидной подготовки льняного волокна к прядению

По результатам сопоставления эффективности расщепления высокометоксилированных пектиновых примесей льняного волокна пектиназными и пектинлиазными препаратами с одинаковым уровнем показателя общей пектиндеструктирующей способности определены преимущества гидролитического пути деструкции субстрата над действием элиминирующих ферментов, которые связаны с повышением в 1,3 раза скорости протекания процесса под влиянием пектиназ, а также с низкими редуцирующими свойствами продуктов элиминирования полиуронидов. Вместе с тем отмеченные недостатки применения пектин-лиазы могут компенсироваться, во-первых, повышением в 1,3-1,5 раза его концентрации в растворе, во-вторых, дополнительным введением гемицеллюлаз экзогенного действия, обеспечивающих конверсию боковых ответвлений в олигомерных продуктах деструкции полиуронидов с образованием нейтральных моносахаров. При воздействии на волокно композиционного ферментного препарата на основе пектин-лиазы с добавкой экзогалактозидазы и экзоксилозидазы после нагрева до 95оС ОВП системы снижается до минус 800 мВ, а при использовании композиции осахаривающих гемицеллюлаз с оптимизированным пектиназным комплексом – до минус 870 мВ. Неоспоримым преимуществом создания композиции на основе пектин-лиаз является возможность использования промышленно выпускаемого на ОАО «Сиббиофарм» (г. Новосибирск) препарата мацеробациллин, в то время как пектиназные препараты с высоким содержанием пектинэстеразы отечественными биохимическими предприятиями не производятся.

Для усиления эффекта термоактивации редуцирующей способности моносахаридов за счет повышения щелочности среды предложено использовать в составе пропиточного раствора бикарбонат натрия, который не ухудшает работу ферментов при 45-50оС и обеспечивает при нагревании достижение уровня водородного показателя рН 11.

Результаты исследований реализованы при разработке двух модификаций полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ на пектиназной и пектинлиазной основах и усовершенствованного режима ферментативно-пероксидной обработки ровницы, включающего:


  • двухстадийное проведение биообработки для мацерации клеящих веществ и направленной генерации низкомолекулярных сахаров при 50оС с дополнительным нагревом до 95-100оС для ускорения гидролитических процессов, инактивации ферментов, термоактивации редуцирующих свойств системы и восстановительной деструкции лигнина, промывку волокна;

  • окислительную обработку щелочно-пероксидным раствором, заключительную промывку и антимикробную обработку.

По данным лабораторных испытаний применение новых полиферментных композиций в сравнении с классическим режимом щелочно-пероксидной обработки обеспечивает увеличение степени расщепления полиуронидов с 50 % до 88,591,5 %, снижение количества извлекаемых гемицеллюлоз с 75 % до 4449 % и уменьшение остаточного содержания лигнина в 1,35–1,4 раза, благодаря чему качество подготовки волокна, оцениваемое по показателю мацерации, повышается в 1,4 раза.

3.3.4. Промышленная апробация технологии ферментативно-пероксидной подготовки льняного волокна к прядению

Производственными испытаниями на ОАО «Вологодский текстиль» подтверждена эффективность использования базового препарата Полифан МЛ на основе оптимизированного комплекса пектолитических ферментов и протеаз при подготовке ровницы из мягкого стланцевого льняного волокна и низкое качество полуфабрикатов, получаемых при переработке отечественных высоколигнифицированных сортов льняного сырья средней жесткости. Применение новых препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ по предлагаемому усовершенствованному режиму ферментативно-пероксидной обработки волокна обеспечивает комплексное улучшение технологических свойств формируемой пряжи, что иллюстрируют данные таблицы.

Таблица


Эффективность применения полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия при подготовке льняной ровницы средней жесткости

Показатели



Технологические режимы

ходовой

биохимический с использованием

Полифан МДЛ

Полифан МЛГ

Линейная плотность, Текс

58,9

53,3

53,0

Номер

17,0

18,7

18,9

Толщина, средний диаметр dCР, мм

0,31

0,29

0,29

Коэффициент вариации по диаметру, %

32,5

22,4

21,2

Количество дефектов в расчете на 100 м пряжи:

- утолщения, превышающие 1,5dСР;

- утонения, менее 0,7dСР,;


412

433


178

95


172

86


Крутка пряжи, Кф

536,8

562,4

574,4

Коэффициент крутки, LТ

41,2

41,1

44,7

Коэффициент вариации по крутке СК, %

8,5

7,2

7,1

Разрывная нагрузка Рр, сН

1327

1298

1288

Удельная разрывная нагрузка Ру, сН/Текс

22,5

24,4

24,3

Коэффициент вариации по разрывной нагрузке СР, %

12,1

10,2

9,9

Разрывное удлинение, L, мм

8,7

11,4

11,7

Удельная работа разрыва, r, кгссм/г

41,7

43,4

43,2

Коэффициент вариации по работе разрыва Сr, %

10,4

5,1

5,0

Доля компонентов относительного удлинения при одноцикловых испытаниях, %:

- быстрообратимое бо,

- медленнообратимое мо,

- остаточное ост



0,43


0,12

0,45


0,37


0,25

0,38

0,38

0,28


0,34

Выносливость к многократному изгибу и истиранию nИ, циклы

5595

6897

7155

При снижении толщины пряжи и коэффициента вариации по ее диаметру в 1,41,5 раза, сопровождающегося уменьшением количества утолщений в 2,32,4 раза и утонений в 4,55 раз, достигается повышение прочности пряжи и равномерности прочностных характеристик, увеличение на 23-28 % устойчивости к многократному изгибу и истиранию и в 2,12,3 раза эластических свойств пряжи за счет сокращения доли пластической и упругой релаксации. Для промышленной реализации биохимической подготовки ровницы из сырья повышенной жесткости рекомендован технологический режим с применением препарата Полифан МДЛ, созданного на основе компонентов, промышленно выпускаемых на ОАО «Сиббиофарм» (г. Новосибирск).

4. ВЫВОДЫ и рекомендации

1. По данным потенциометрических исследований установлено влияние химического и стереоизомерного строения моносахаридов на проявляемую их растворами редуцирующую способность, обусловленную при низких температурах равновесным содержанием свободной альдегидной формы молекул и протеканием при нагревании термоинициируемых превращений с образованием продуктов, обладающих более высоким уровнем восстановительной способности. Редуцирующие свойства моносахаридов нарастают в ряду: -глюкоза  b-глюкоза  манноза  арабиноза  метилгалактуронат  галактоза  галактуроновая кислота  ксилоза.

2. Показано, что моносахара способны проявлять свою редуцирующую способность в окислительно-восстановительных взаимодействиях с участием молекулярного кислорода и кубового красителя броминдиго, сопоставимую при 80оС с действием ронгалита. В анаэробных условиях при 95оС ОВП растворов моносахаров (5,6 ммоль/л) достигает уровня ниже минус 800 мВ.

3. Экспериментально подтвержден механизм химических превращений лигнина под действием редуцирующих сахаров, который включает восстановление карбонильных группировок и инициируемый разрыв прилегающих простых эфирных связей между фенилпропановыми единицами макромолекулы с увеличением числа структурных фрагментов в свободной фенольной форме. Гидрирование ауксохромных СО-групп ослабляет окраску льняного волокна, интенсифицирует сульфитирование полимера, повышая его растворимость в 72 %-ной серной кислоте, а также ускоряет окислительную деструкцию хромофорных центров и удаление лигнина при последующей пероксидной обработке. Наибольшую активность во взаимодействии с лигнином проявляют галактоза, галактуроновая кислота и ксилоза.

4. На основании выявленных закономерностей изменения линейной плотности, гибкости и разрывной нагрузки льняной пряжи при избирательной деструкции полимерных примесей определены оптимальные уровни их удаления в процессе подготовки ровницы. Наилучшее сочетание свойств пряжи обеспечивается при остаточном содержании пектина 0,35–0,45 масс.%, гемицеллюлоз 8–10 масс.%, лигнина 2–2,5 масс.%. Показано, что необходимое количество моносахаридов для обеспечения редокс-превращений лигнина достигается при расщеплении 10 % удаляемых полиуглеводных примесей волокна в мономерную форму.

5. Изучено влияние состава пектолитических препаратов на деструкцию полиуронидных соединений в импортном (голландском) и отечественных (бийский, калужский, костромской) сортах льняного сырья с различным уровнем этерификации полимерной цепи. Для каждого сорта получены зависимости количества удаляемого пектина от уровня активности ферментов пектинэстеразы (ПЭ), эндополигалактуроназы (эндоПГ) и экзогенных полигалактуроназ (экзоПГ), а также обобщающее уравнение, учитывающее изменения степени метоксилирования (СМ) разрушаемого субстрата и позволяющее оптимизировать состав биопрепарата:



Показана возможность применения для подготовки отечественных сортов льняного волокна промышленно выпускаемых препаратов на основе пектин-лиазы.

6. Обоснованы пути создания полиферментных композиций на основе пектиндеструктирующих ферментов, протеаз и экзогенных гемицеллюлаз и условия их применения для эффективного расщепления углеводно-белкового комплекса связующих веществ технического волокна, генерации моносахаридов и активации их редуцирующей способности для частичной деполимеризации лигнина, позволяющей снизить долевое содержание кислотонерастворимой его формы на 37– 45 %.

7. Результаты исследований реализованы при разработке двух модификаций полиферментных препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия Полифан МЛГ и Полифан МДЛ на пектиназной и пектинлиазной основах и при усовершенствовании режима ферментативно-пероксидной обработки ровницы с введением стадии термоактивации редуцирующих свойств продуктов деструкции полисахаридных примесей волокна. Применение новых полиферментных композиций обеспечивает увеличение степени расщепления полиуронидов с 50 % при щелочно-пероксидной обработке до 88,5  91,5 % в случае биомодификации, снижение количества извлекаемых гемицеллюлоз с 75 % до 44  49 % и уменьшение остаточного содержания лигнина в 1,35 – 1,4 раза.

8. Испытаниями на ОАО «Вологодский текстиль» подтверждена эффективность использования новых препаратов мацерационно-делигнифицирующего действия для подготовки ровницы средней жесткости из отечественных сортов льна. По сравнению с результатами ходовой технологии биохимический способ подготовки волокна обеспечивает комплексное улучшение геометрических, прочностных и деформационных свойств формируемой пряжи, что выражается, в частности, в снижении ее толщины, коэффициента вариации по диаметру пряжи в 1,41,5 раза, количества утолщений в 2,32,4 раза и утонений в 4,55 раз, в повышении прочности пряжи и равномерности прочностных характеристик, в увеличении на 23-28 % устойчивости к многократному изгибу и истиранию и в 2,12,3 раза эластических свойств пряжи за счет сокращения доли пластической и упругой релаксации.

9. При переработке высоколигнифицированного льняного сырья использование препарата Полифан МЛГ обеспечивает лучшую совокупность технологических свойств пряжи. В настоящее время при отсутствии производства пектолитических ферментов с необходимым содержанием пектинэстеразы для промышленной реализации биохимической подготовки ровницы целесообразно рекомендовать технологический режим с применением препарата Полифан МДЛ, созданного на основе компонентов, выпускаемых предприятием ОАО «Сиббиофарм» (г. Новосибирск).



Основные положения диссертационной работы изложены в публикациях:

  1. Лепилова, О. В. Проявление редуцирующих свойств мономерных структурных элементов полисахаридных примесей льняного волокна Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева, С. А. Кокшаров.  Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2006.  Т. 64.  №7.  С. 69  73.

  2. Лепилова, О. В. Влияние продуктов ферментативной деструкции углеводных примесей льняного волокна на разрушение лигнина Текст / О. В. Лепилова, С. В. Алеева, С. А. Кокшаров. // Изв. вузов. Химия и химическая технология.  2007.  Т. 50.  № 7.  С. 71  74.

  3. Алеева, С. В. Комплексный подход к ферментативному разрушению полимерных примесей при облагораживании льняных тканей Текст  С. В. Алеева, О. В. Лепилова.  Текстильная химия.  2005.  №1.  С. 28  34.

  4. Алеева, С. В. Целлюлозосохраняющая технология подготовки льняной ровницы с использованием мацерирующих ферментов Текст / С.В. Алеева, О.В. Лепилова, С.А. Кокшаров, С.Г. Оботурова // Текстильная промышленность. Научный альманах.  2005.  №7-8.  С. 45  48.

  5. Лепилова, О. В. Ферментативная генерация восстанавливающих сахаров для стабилизации ронгалитсодержащих стабилизирующих составов Текст / О. В. Лепилова, С. В. Алеева, С. А. Кокшаров. // Вестник ИГТА.  2006.  №4.  С. 45  50.

  6. Лепилова, О. В. Исследование окислительно-восстановительных свойств глюкозы в процессе деструкции крахмала и целлюлозы Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева. // Сб. тез. докладов Межвузовской научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности». Иваново: ИГТА, 2004.  Ч. I.  С. 125  127.

  7. Лепилова, О. В. Новые возможности применения ферментативного катализа в процессах делигнификации текстильных материалов Текст  О.В. Лепилова, С.В. Алеева, С.А. Кокшаров. // Сб. тез. докладов 2-ой Международной научно-технической конференции «Достижения текстильной химии  в производство».  Иваново: 2004.  С. 98  99.

  8. Лепилова, О. В. Исследование изменений редуцирующих свойств продуктов гидролиза природных полисахаридов льняного волокна Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева. // Сб. тез. докладов III Конференции молодых учёных ИХР РАН.  Иваново: 2004.  С. 19.

  9. Лепилова, О. В. Сравнительный анализ редуцирующих свойств стереоизомерных форм продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна Текст  О.В. Лепилова, С.В. Алеева. // Сб. тез. докладов научно-технической конференции аспирантов, магистров и студентов, Поиск-2005.  Иваново: ИГТА, 2005.  С. 128  130.

  10. Лепилова, О. В. Оценка редуцирующих свойств продуктов деструкции полисахаридов льняного волокна Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева. // Сб. тез. докладов Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и лёгкой промышленности», Поиск-2005.  Иваново: 2005.  С. 140  141.

  11. Лепилова, О. В. Регулируемая генерация редуцирующих систем в процессах целлюлозосохраняющей подготовки льняного волокна Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева, С. А. Кокшаров. // Сб. тез. докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2005.  Иваново: ИГТА, 2005.  С. 159  160.

  12. Лепилова, О. В. Биохимическая технология подготовки льняной ровницы на основе ферментативной генерации редуцирующих веществ Текст  О. В. Лепилова. // Сб. тез. докладов научно-практической конференции «Конъюнктура рынка текстиля и пути создания конкурентоспособной продукции».  Москва: МГТУ, 2005.  С. 37  38.

  13. Лепилова, О. В. Целенаправленная ферментативная генерация восстановительных систем при переработке льняного волокна Текст  О. В. Лепилова, С. А. Кокшаров. // Сб. тез. докладов 10-й Пущинской школы-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века».  Пущино: 2006.  С. 380.

  14. Лепилова, О. В. Оценка восстановительной способности моносахаридов в редокс-процессах с красителем броминдиго Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева. // Тез. докладов Межвузовской научно-технической конференции «Молодые учёные – развитию текстильной и лёгкой промышленности».  Иваново: ИГТА, 2006.  С. 122  123.

  15. Лепилова, О. В. Интенсификация деструкции лигнина в условиях ферментативно-пероксидной обработки льняного волокна Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева. // Сб. тез. докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2006.  Иваново: ИГТА, 2006.  С. 112  113.

  16. Лепилова, О. В. Предупреждение окислительной деструкции целлюлозы при переработке льняных текстильных материалов Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева. // Сб. тез. докладов Всероссийской конференции молодых учёных и II школы по проблеме «Окисление, окислительный стресс и антиоксиданты».  Москва: ИБФ, 2006.  С. 121  123.

  17. Лепилова, О. В. Сравнительный химический анализ пектиновых веществ отечественных и импортных сортов льняного сырья Текст  О. В. Лепилова, С. В. Алеева, Г. В. Чистякова. // Сб. тез. докладов III Всероссийской научной конференции «Физико - химия процессов переработки полимеров».  Иваново: ИГХТУ, 2006.  С. 135  136.

  18. Лепилова, О. В. Решение задач повышения сохранности целлюлозы сквозь призму биотехнологий: интенсификация делигнификации высокозасоренных льняных материалов Текст  О. В. Лепилова. // Сб. тез. докладов I региональной конференции молодых учёных «Теоретическая и экспериментальная химия жидкофазных систем», Крестовские чтения-2006.  Иваново: 2006.  С. 33  34.

  19. Лепилова, О. В. Оценка реакционной способности растворов моносахаридов различного стереоизомерного строения Текст  О. В. Лепилова. // Тез. докладов Межвузовской научно-технической конференции аспирантов и студентов «Молодые учёные – развитию текстильной и лёгкой промышленности», Поиск-2007. Иваново: ИГТА, 2007. С. 7273.

  20. Лепилова, О. В. Влияние мономерных продуктов деструкции полисахаридных примесей льняного волокна на деполимеризацию и обесцвечивание лигнина Текст  О. В. Лепилова. // Сб. тез. докладов Международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности», Прогресс-2007.  Иваново: ИГТА, 2007.  С. 79  81.

  21. Лепилова, О. В. Мягкий лен: новый биопрепарат Полифан МДЛ для переработки льняных волокнистых материалов повышенной жесткости Текст  О.В. Лепилова. // Тез. докладов Международной конференции по химической технологии.  Москва, 2007.  Т. 3.  С. 223  224.

  22. Koksharov, S. A. New biomodification approaches of linen fibrous materials in processes of textile manufacture Text  S. A. Koksharov, O. V. Lepilova. // The collection of lecture abstracts of XVI International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia (RCCT 2007).  Suzdal: 2007.  V. 1. – P. 224 – 225.

Ответственный за выпуск Лепилова О.В.





Смотрите также:
Обоснование ферментативных методов регулируемого расщепления углеводных примесей и делигнификации льняной ровницы. 05. 19. 02 Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья
348.15kb.
1 стр.
«Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья»
332.5kb.
1 стр.
Оптимизация и моделирование технологического процесса дублирования тафтинговых ковров
253.7kb.
1 стр.
О влиянии частоты вращения вьюрка при формировании бескруточной ровницы на качественные показатели льняной пряжи
70.48kb.
1 стр.
Примерная программа дисциплины технология конструкционных материалов
229.31kb.
1 стр.
№1. Технология изготовления изделий из текстильных и не текстильных материалов ручным способом ( по примеру). Урок №1
54.46kb.
1 стр.
Составы и технология получения пеностекла пониженной плотности на основе диатомитОвого сырья
363kb.
3 стр.
Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по курсам «Технология переработки лекарственного растительного сырья»
532.17kb.
5 стр.
«космопоиск» А. Петухов
243.69kb.
1 стр.
Статья технолога Артамонова А. Е. Химчистка
179.32kb.
1 стр.
Программа учебной дисциплины по выбору для специальности 050501. 65 Профессиональное обучение, специализация «Материаловедение и обработка материалов»
266.75kb.
1 стр.
Развитие теории и технологии производства электрофлокированных текстильных материалов
465.65kb.
3 стр.