автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.03, диссертация на тему:Разработка энергосберегающих экологически безопасных технологий подготовки льняных материалов на основе биопроцессов

: О а.....Л -■ а

/ " V ч,' ^ / . ,

Ивановский государственный химико-технологический университет

На правах рукописи

КУНДИИ Станислав Александрович

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИХ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПОДГОТОВКИ ЛЬНЯНЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ БИОПРОЦЕССОВ

Смшщщъшсть 05.19.03 Технология текстильных материалов'

Диссертацим

на соискание ученой степени ■ кандидата технических наук

Научный руководитель - заслуженный деятель науки

и техники Р.Ф., доктор технических наук, профессор

Б.Н.Мельников

Иваново 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Аннотация Введение 1. Обзор литературы

1.1. Особенности строения льна и химический состав льняных волокон

1.2. Химический состав льняного волокна

1,2 л = Целлюлоза 1,2.2. Гемииеллюлозы I =2,3= Пектиновые вещества

1.2.4. Лигнин

1.2.5. Азотсодержащие вещества

1.2.6. Воскообразные вещества

1.3. Ферменты -г катализаторы химических процессов

1.3.1. Общие принципы строения ферментов

1.3.2. Классификация и номенклатура ферментов

1.4. Особенности деструкции примесей целлюлозы при ферментативном катализе

1.4.1. Пектинояитические ферменты

1.4.2. Лигнинразрушающие ферменты

1.4.3. Ферментативная деструкция воскообразных веществ

1.4.4. Амилолитичесжие ферменты

1.5. Современное состояние технологии облагораживания льняных материалов

1.6. Перспективы использования ферментных препаратов

стр. б 14 1 &

19

20 2!

24

25

■~у~7

29

30 33

•-1 -"г

37

38

41

43

в процессах подготовки целлюлозных материалов

Цели и задачи исследования 66

2. Методическая часть 68

2«!, Характеристика объектов исследования 68

2ЛЛ. Текстильные материалы 68

2.1.2. Характеристика ферментных препаратов 70

2.1.3. Поверхностно-активные вещества 72

2.2. Методика обработки ферментными препаратами 73 льняных материалов

2.3. Методы оценки эффективности обработки льняных 74 материалов

2.3.1. Определение капиллярности ткани 74

2.3.2. Определение белизны 75

2.3.3. Определение степени повреждения целлюлозы 75

2.3.4. Определение прочности волокна 75

2.3.5. Методика растровой электронной микроскопии 77

2.3.6. Методика определения жесткости волокна 77

2.3.7. Определение длины волокна 78

2.3.8. Определение линейной плотности комплексных 78 льняных волокон по расщепленности

2.3.9. Методика определения гигроскопичности 79

2.4. Аналитические методы исследования 79 2.4Л. Спектрофотометрическое определение содержания 79

лигнина в льняном волокне

2.4.2. Метод определения содержания пектиновых веществ 80

2.4.3. Метод определения содержания в растительных волокнах 81

воскообразных веществ

2,5, Методы математической обработки данных 82

3. Экспериментальная часть и обсуждение результатов 85

ЗЛ. Изучение влияния различных ферментных препаратов на 85 полноту удаления примесей и качественные показатели льняного волокна

3.2. Исследование физико-механических свойств льняного во- 98 локна в ровнице при обработке Пектофоетидином ПХ

3.3. Оптимизация температурно-коншшрационных условий 106 процесса обработки льняной ровницы

3.4. Разработка композиционного биопрепарата для обдаго- 114 ражнвания льняного волокна, ровницы и ткани

3.4Л. Оптимизация состава композиции ферментов 1!4

3.5. Разработка технологического режима включающего фер- 119 ментную обработку для получения льняной ровницы цвета серого льна

3.6= Ферментативная модификация короткого льняного волокна

3.6.1. Оценка котонизирующей способности препарата Пектофоетидин ПХ по отношению к короткому льняному волокну

3.6.2. Оценка степени делишификадим короткого льняного волокна в процессе получения котонина

3.6.3. Оценка качества биомодифицированного короткого 12? льняного волокна на различных этапах очистки от нецеллюлозных примесей

I ••■> 4 I ¿.Ц.

5 П Л ! -\i-J-

-- 'Гт й

3.6.4. Влияние пластифицирующих добавок в составе 132 биомодификатора на качество котонина

3.6.5. Сравнение штапельных характеристик котонина льна на 137 различных стадиях получения

3.6.6. Изучение свойств и особенностей формирования 142 волокнистой массы из смеси хлопка и биокотонина

3.6.7. Разработка биомеханического способа котонизации 146 короткого льняного волокна

3.7. Использование биопроцессов в технологиях 152

подготовки льняных тканей

Выводы 162

Литература 167

Приложения

АННОТАЦИЯ

Актуальность темы:

Создавшиеся рыночные условия хозяйствования диктуют необходимость возрождения льняной отрасли, разработки новых, более совершенных технологий облагораживания льна на всех этапах его переработки с целью сокращения потерь льнопродукции, снижения энергозатрат и повышение экологической чистоты производства.

Одним из возможных путей решения этих проблем является использование биохимических процессов. Создание технологий с применением нового поколения высокоселективных биологически активных отечественных препаратов позволит организовать производство по принципам рациональности как с экономической, так и с экологической точек зрения. Однако, несмотря на широкое использование биопроцессов в различных отраслях народного хозяйства, в льнопро-изводстве, как и в текстильной промышленности в целом, внедрение биотехнологий сдерживается из-за отсутствия теоретически обоснованного выбора биокатализаторов с учетом их избирательного действия на примеси льна, специфики совместимости ферментов в композиции или с другими химическими реагентами.

В этой связи разработка ресурсосберегающих технологий подготовки льняных материалов на основе биокатализаторов и создание композиционных биопрепаратов, включающих ферменты различной субстратной активности, способных обеспечить максимальное удаление сопутствующих примесей целлюлозы при высокой сохранности целлюлозной составляющей льняного волокна, является задачей весьма актуальной, Ее решение невозможно без всестороннего изучения особенно-

стей биохимических превращений, полноты и скорости удаления примесей льняного волокна, выяснения изменений структуры комплексных льноволокон, в условиях биообработки, научно-обоснованного выбора ферментативных препаратов и их композиций, а также оптимальных режимов осуществления биопроцессов.

Настоящая работа посвящена обоснованию научных основ энерго- и ресурсосберегающих технологических процессов подготовки льняных материалов на базе использования ферментных препаратов отечественного производства и направлена на выполнение научно-технических программ: "Развитие льняного комплекса России на 19962000 годы", межвузовской научной программы "Университеты России", "Химтекс".

Цель работы состояла в создании эяерго- и ресурсосберегающих технологических режимов подготовки льняных материалов на основе использования биокатализаторов и разработке композиционных биопрепаратов, обеспечивающих наиболее полное освобождение волокна от примесей и загрязнений различной природы, и его модификацию.

Для решения поставленных задач были выполнены следующие работы:

- проведен комплекс исследований, направленных на выявление ферментных препаратов, обладающих пектинодитической активностью и

лишинразрушающим действием.

- изучены особенности деструкции примесей льна в процессе биообработки. Проведено сравнение с известными способами подготовки льноматериалов.

- разработаны универсальные полиферментные композиции с включением ПАВ, стабилизаторов и активаторов, использование которых при обработке льняных материалов (отходов льнозаводов, ровницы и ткани) по специальным технологиям обеспечивает получение технического льняного, воложка удовлетворительной степени очистки от сопутствующих примесей. Определен оптимальный состав биокомпозиций.

- разработаны технологические режимы подготовки льняной ровницы цвета "серого льна" и подготовки льняной ровницы к белению с использованием биокомпозиций, предусматривающие замену щелочных обработок,

- изучено влияние условий биомодификации отходов трепания длинного льняного волокна, оценены качественные показатели и прядильная способность полученного котонина. Показана возможность его использования для получения льнохлопковой ткани,

Общая характермсшка объектов и методов иселедоваш-ш

Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с последующей проверкой полученных результатов в производстве. В работе использованы; льняное волокно, очесы № 3-4, отходы трепания, суровая чесанная ровница из стланцевого волокна средней мягкости,, льняные ткани плательной и скатертной группы, пестротканые полульняные изделия.

В качестве ферментных препаратов использованы пять биопродуктов отечественного производства на основе пектинолитических ферментов, шесть на основе - амилолитических, три биопрепарата окислительно-восстановительного действия, и два биопрепарата обладающие липатической активностью. В качестве активаторов и стабили-

заторов ферментов использованы различные поверхностно-активные

вещества, хлориды и сульфаты щелочноземельных металлов»

Эксперкмеетальные исследования проводились с применением современных методов физико-химического анализа: УФ спектроскопии. вискозиметрии, электронной растровой микроскопии. Прочие экспериментальные исследования проводились в соответствии с требованиями ГОСТ,

Оптимизация композиционных составов и технологических параметров выполнена методами множественного регрессионного анализа и сплайн-интерполяции с использованием программы МийЕ^ и ¥/тС101Ш'95 оиеши

Научная новизна

Впервые всесторонне исследована эффективность использования

разработанных композиций ферментов различной субстратной активности в качестве катализаторов процессов подготовки льняной ровницы и льняных тканей, получения котонина из короткого льняного волокна.

Показано, что в сравнительно мягких условиях ферментативной обработки льняного волокна происходит эффективное удаление - нецеллюлозных примесей при высокой сохранности целлюлозной составляющей волокна.

Предложено теоретическое объяснение катализирующего действия композиций ферментов различной субстратной активности на процесс деструкции примесей льна.

Изучена модифицирующая способность пектинолитических ферментов на комплексное льняное волокно.

Рассчитаны оптимальные составы созданных композиционных биопрепаратов предназначенных для подготовки льняной ровницы,

льняных тканей, получения котонина из короткого технического льняного волокна.

Разработан энергосберегающий процесс подготовки льняной ровницы, предусматривающий замену щелочной отварки биообработкой с использованием полиферментной композиции. Новая технология позволяет снизить расход пара, воды, химматериалов, улучшить условия труда и экологические характеристики сточных вод.

Разработан биомеханический, низкотемпературный непрерывный способ первичной обработки короткого льняного волокна до котонина, Полученный продукт хорошо совмещается с хлопком, что позволяет в мягких условиях получить хлопкольняное волокно с высокой прядильной способностью.

Принципиальная новизна способа биомеханической обработки льняного волокна подтверждается положительным решением о выдаче патента на изобретение по заявке № 96103261/04 (005442) от I6.i2.96.

Предложен способ расшлихтовки льняных и полульняных тканей, основанный на использовании разработанного ферментсодержащего препарата Биотекс, обеспечивающий эффективную расшлихтовку и моющее действие.

Практическая значимость работы На основании анализа полученных экспериментальных данных созданы технологии обработки короткого льняного волокна, льняной ровницы, льняных и полульняных тканей с использованием впервые разработанных нами композиций ферментов. Новые технологии по-

звояяют получить качественно новое биомодифицированное льняное волокно из отходов льняного производства, а также улучшить качество льняных тканей при сокращении длительности процесса и снижении расхода химических реагентов.

Разработаны энергосберегающие технологические процессы подготовки льняных материалов, предусматривающие замену обработки химическими реагентами (щелочную отварку, кисяование) на биообра-боту с использованием моно- и полиферментных композиций.

Проведена полупроизводственная проверка технологического режима подготовки льняной ровницы с использованием предварительной биообработки в условиях ОАО "Большая костромская мануфактура" и Яковлевского льнокомбината (г. Приволжск).

Технология подготовки льняных и полульняных тканей с предварительной ферментной расшлихтовкой широко апробирована в отделочном производстве АО 'Таврююв-Ямский льнокомбинат".

Проведены широкие производственные испытания биомеханической технологии котонизации льняного волокна и оценена возможность его использования в условиях хлопкопрядения. Наработаны опытные партии котонина (120 кг), пряжи с различным его содержанием и хлопкольняной ткани бязевого ассортимента в количестве 2000 метров (АО "Меланж" г,Иваново).

Автор защищает:

- теоретическое и экспериментальное обоснование эффективности использования моно- и полиферментных препаратов в процессах подготовки льняной ровницы и льняных тканей.

- выявленные особенности биохимической деструкции примесей целлюлозы льна,

разработанные моно- и полиферментные биопрепараты и созданные на их основе знерго- и ресурсосберегающие технологические

режимы подготовки льняной ровницы и ткани, получение котонина из короткого льняного волокна.

Апробация работы Основные результаты работы доложены на YI Международной конференции "Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах" г.Иваново 1995 г.; на Международной научно-технической конференции "Проблемы развития малоотходных ресурсосберегающих экологически чистых технологий в текстильной и легкой промышленности" (Прогресс-95) гЛваново 1995 г.; на Всероссийской научно-технической конференции "Современные технологии текстильной промышленности" (Тексшль-95) г.Москва 1995 г.; на 1-ой региональной межвузовской конференции "Актуальные проблемы химии, химической технологии и химического образования" (Химия-96) гЛваново Í996 г.; на II Конгрессе химиков-текстильщиков и колористов "За возрождение Российского текстиля" гЛваново ¡996 г.; на Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы техники и технологии переработки льна и производства льняных изделий" (Лен-96) и (Лен-98) г.Кострома 1996г., 1998г.; на Международной научно-технической конференции "Теория и практика разработки оптимальных технологических процессов и конструкций в текстильном производстве" (Прогресс-96) гЛваново 1996 г.; на Международной научно-технической конференции "Перспективные химические технологии и

материалы" г.Пермь 199'/ г.; на Всероссийской конференции молодых ученых Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии"" г. Саратов 199/ г» Материалы исследований по теме "Биомодификация льняного волокна в технологиях котонизации" оценены дипломом выставки "Творчество молодежи и студентов" организованной администрацией Ивановской области.

ВВЕДЕНИЕ

Лен является исконно русской культурой, практически единственным в России ежегодно возобновляемым источником натурального целлюлозного сырья. Уникальные свойства льна, особенно его экологическая чистота, гигроскопичность, воздухопроницаемость, прочность высоко оценены потребителями тканей бытового назначения всего мира.

Россия традиционно являлась крупнейшим в мире производителем и экспортером льна. До настоящего времени валютные поступления

от экспорта льна составляли !0 % от национального дохода России. Из льна вырабатывают ткани от мешковины до батиста. В последние годы быстрыми темпами развивается производство трикотажа из пряжи, содержащей лен. Однако, в настоящее время в виду низкосортности и малого выхода качественного длинноволокнистого льна значительно снизился выпуск льняных тканей бытового назначения и льноволокно в большей степени используется в качестве сырья для производства тканей технического назначения. В структуре растениеводства России лен занимает около 13 %, а в объеме получаемого дохода - 20-30 %.

Льняной комплекс России с его самобытными историческими традициями до сих пор крупнейший в мире [I]. Однако, переход страны от жесткого планирования к рыночным условиям, привел к распаду экономических связей , к ухудшению ситуации в льноводстве и текстильной промышленности в целом.

Объем производства льноволокна сократился с 143,2 тыс.т в 1985 г. до 71 тыс.т в 1990 г., а к 1995 г. - до 55 тыс.т, или за этот период

в 2,6 раза. Доля наиболее ценного длинного льноволокна в общем объеме стала составлять всего 23 %.

Выпуск льняных тканей в России только за период 1990-1995 гг., сократился в 2,43 раза, в том числе тканей бытового назначения - в 2,8 раза. Производство тканей в целом по текстильной промышленности - почти в 3 раза.

Одной из многих причин снижени