Содержание к диссертации
АННОТАЦИЯ 6
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ЛИТЕРАТУРНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР 13
.1.1. Льняное волокно и технология его переработки 14
1.1.1. Строение комплексного льноволокна и влияние способа его выделения на содержание примесей
1.1.2. Технологические особенности облагораживания ' льняных текстильных материалов
1.2. Возможности использования биокатализаторов при подго-товке льняных текстильных материалов
1.3. Особенности каталитического действия мультиэнзимных комплексов
2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 63
2.1. Характеристика объектов исследования 63
2.2. Методы определения каталитических свойств ферментных препаратов
2.2.1. Определение пектинэстеразной активности 66
( 2.2.2. Определение эндополигалактуроназной активности 66
2.2.3. Определение экзополигалактуроназной активности 61
2.2.4. Определение целлюлазной активности 68
2.2.5. Определение протеолитической активности 69
2.2.6. Определение декстриногенной активности амилолити- ческих препаратов
2.2.7. Определение осахаривающей активности ферментных препаратов
2.3. Методика обработки льняных материалов 71
2.4. Методы анализа волокнистых льняных материалов 72
. 2.4.1. Определение воскообразных веществ 72
2.4.2. Определение зольных веществ 72
2.4.3. Определение общего азота 73
2.4.4. Определение лигнина 73
2.4.4.1. Определение растворимого лигнина и полифе- нольных соединений
2.4.4.2. Определение нерастворимого лигнина 74
2.4.5. Определение полиуглеводов 75
2.4.5.1. Определение пектиновых веществ кальций - пектатным методом
2.4.5.2. Спектрофотометрический метод определения пектиновых веществ
2.4.5.3. Определение гемицеллюлоз 76
2.4.5.4. Определение целлюлозы 77
2.5. Методика ИК-спектроскопических исследований пектиновых веществ
2.6. Определение качества подготовки льняной ровницы к прядению
2.6.1. Определение потери массы волокна 81
2.6.2. Определение линейной плотности ровницы 81
2.6.3. Определение разрывной нагрузки ровницы 81
2.6.4. Метод определения показателя мацерации технического льняного волокна
2.7. Методы оценки качества подготовки тканей 82
2.8. Метод определения жесткости ткани 82
2.9. Методика определения степени разрушения целлюлозы 82
2.10. Методика растровой электронной микроскопии 83
2.11. Методы математической обработки результатов испытаний 83
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Обоснование технологических задач ферментативной обработки при подготовке ровницы к прядению
3.1.1. Оценка состояния поверхности технического льняного волокна
3.1.2. Сравнительная оценка эффективности существующих химических и биохимических способов подготовки льняной ровницы
3.2. Выявление технологических требований к биокаталитическому расщеплению пектиновых примесей льняного волокна
3.2.1. Дифференциация вклада пектолитических ферментов в деструкцию пектиновых веществ технического льняного волокна
3.2.2. Оценка состояния карбоксильных групп пектиновых веществ льняного волокна
3.3. Обоснование подходов к формированию композиционногобиокатализатора для биохимической подготовки льняной ровницы
3.3.1. Изучение совместимости ферментов различного микробиологического происхождения в композиционных препаратах
3.3.2. Подбор вспомогательных веществ для процессов ферментативной деструкции примесей льняного волокна
3.3.2.1. Влияние комплексообразующих соединений на каталитическую способность ферментов Bacillus circulans
3.3.2.2. Оценка взаимодействия ферментных препаратов и ПАВ в растворах и его влияния на эффективность биообработки льняной ровницы
. 3.3.3. Технологическая оценка эффективности применения 141
специализированного полиферментного препарата По-лифан МЛ для биохимической подготовки льняной ровницы
3.4. Разработка специализированного биопрепарата для решения задач биохимической подготовки льняных тканей и технологий его применения
3.4.1. Критерии подбора полиферментной композиции для разрушения полисахаридных примесей в тканых льняных полотнах
3.4.2. Разработка и производственная проверка эффективности биохимических технологий подготовки льняных и полульняных тканей
ВЫВОДЫ 168
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 171
ПРИЛОЖЕНИЯ 191
1. Заключение ВКПМ о непатогенности штамма
2. Ориентировочный расчет допустимой стоимости полиферментного препарата Полифан МЛ
3. Акт производственных испытаний на ОАО «Вологодский текстиль»
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для получения ощутимого экономического эффекта льноперерабатывающие текстильные предприятия должны ориентироваться на выпуск нового конкурентоспособного ассортимента тканей и изделий из льна, отвечающих мировому уровню экологических, технических и эстетических требований. Чтобы удовлетворить им, не увеличивая при этом трудоемкость производства, необходимо внедрение высокоэффективных тех- нологий, способных повысить прядильную способность льняного волокна, со кратить объем потребляемых ресурсов на единицу продукции и снизить условно постоянные расходы за счет увеличения выхода готовой продукции из одно / го и того же количества сырья. Одним из новых интенсивно развивающихся во всем мире направлений совершенствования текстильного производства является использование ферментативного катализа и разработка комбинированных биохимических технологий облагораживания волокнистых материалов. Преимуществами ферментативных методов облагораживания льняного волокна являются: высокоселективное действие белковых катализаторов, низкая температура и непродолжительное время обработок, нейтральная среда растворов, снижение потребления агрессивных химических реагентов, благодаря чему снижаются потери сырья и расход электроэнергии, повышается экологическая чистота готовой продукции. Однако одной из главных причин, сдерживающих (/ продвижение биотехнологий в России, является отсутствие отечественного ас сортимента специализированных ферментных препаратов для текстильной промышленности и высокая стоимость импортных энзимных продуктов.
В связи с этим актуальным является проведение исследований по определению технологических требований к биокатализаторам с учетом специфики переработки льняных волокнистых материалов. Их воплощение при создании энзимных препаратов позволит осуществить рациональное удаление примесей за счет избирательного субстратного действия ферментов. Работа отвечает оп ределенному Правительством РФ перечню приоритетных направлений разви тия современной науки и создания критических технологии, в частности, тех 8 нологий-глубокой переработки отечественного растительного сырья в легкой промышленности, и выполнена в соответствии с планами НИР Института химии растворов РАН на 2001 -2005 г.г.
Цель работы состояла в определении состава композиционных полиферментных препаратов для локализованного разрушения пектиновых примесей льняного волокна при биохимических методах подготовки льняных текстильных материалов, обеспечивающих получение высокой прядильной способности ровницы и необходимые потребительские свойства готовых тканей.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
обоснованы технологические задачи ферментативной обработки при подготовке ровницы к прядению;
- выявлены технологические требования к биокаталитическому расщеплению пектиновых примесей технического льняного волокна;
- обоснован подход к формированию композиционного биокатализатора для биохимической подготовки льняной ровницы;
- разработан специализированный биопрепарат для решения задач биохимической подготовки льняных тканей и технология его применения.
Общая характеристика объектов и методов исследования. В качестве объектов исследования в работе использованы суровая льняная ровница, льняные и / полульняные ткани; промышленные ферментные препараты отечественного производства и датской фирмы «Novozymes»; экспериментальные ферментные препараты, полученные в МГУ им. Ломоносова и биосинтезируемые в ИХР РАН совместно с микробиологами ИГМА с использованием генетически модифицированных бактериальных штаммов из коллекции ГосНИИГенетики; текстильно-вспомогательные вещества: комплексообразующие соединения и ПАВ. Экспериментальные исследования проводили с применением современных методов физико-химического анализа: спектроскопии, вискозиметрии, микроскопии, потенциометрического и йодометрического титрования; биохимиче ских методов анализа пектолитических ферментов. Качественные показатели текстильных материалов определялись по методикам, предусмотренным государственными стандартами.
Научная новизна. Впервые выявлена роль компонентов комплекса пекто-литических ферментов в процессах деструкции пектиновых примесей льняного волокна и определена совокупность свойств, контролируемых при подборе полиферментных систем для локализованного разрушения соединительных тканей в структуре технического волокна при биохимических способах подготовки ровницы к прядению и облагораживания тканых льняных полотен.
Основные научные результаты заключаются в следующем:
- установлена связь каталитической способности группы пектолитических ферментов, отличающихся механизмом действия на полимер, с результатами их применения в биохимических способах подготовки льняной ровницы к прядению;
- впервые на основании анализа состояния карбоксильных групп пектиновых веществ льняного волокна и дифференцированной оценки влияния компонентов пектолитического комплекса на деструкцию пектиновых примесей выявлена преимущественная роль ферментов пектинэстеразы и эндополига-лактуроназы в гидролизе полиуронидной составляющей льна;
- показана совместимость продуктов культивирования бактериальных штаммов В. circulans и В. subtilis, позволяющих создать композиционный биопрепарат, в котором содержатся непроявляющие антагонизма ферменты пектолитического комплекса и бактериальные протеазы, необходимые для разрушения углеводно-белковых примесей клеящего вещества в техническом льняном волокне;
- выявлена специфика комплексообразования в ферментсодержащих растворах с участием аминополикарбоновых и аминополифосфоновых комплексообра-зующих соединений; обоснована целесообразность использования этилен-диаминтетраацетатов для усиления действия пектолитических ферментов;
- на основании анализа данных спектроскопического исследования взаимодействия ферментов с неионогенными и ионогенными поверхностно-активными веществами в совокупности с оценкой биохимических показателей активно сти пектиназы и технологической эффективности применений ПАВ при энзимной обработке льняной ровницы выявлена недопустимость применения ионогенных ПАВ в процессах ферментативной обработки; обоснованы рекомендации по использованию неионогенных смачивателей неонол 9/7 и не-онол 9/10 в составе технологических растворов для ферментативной мацерации комплексных льняных волокон; - на основе полученных закономерностей разработаны композиционные полиферментные препараты для биохимической подготовки льняной ровницы и готовых тканей, обеспечивающей повышение качественных показателей перерабатываемых текстильных материалов и исключение агрессивных и экологически опасных химических реагентов.
Практическая значимость. Результаты формирования научно обоснованных технологических требований к процессам биокатализируемого разрушения клеящего вещества в структуре комплексного льняного волокна воплощены при разработке экспериментальных образцов мультиэнзимных препаратов По-лифан МЛ и Полифан Л и технологических решений, направленных на повышение эффективности биохимических технологий в текстильном производстве и создание конкурентной способности продукции. При использовании биохимической технологии подготовки льняной ровницы с применением Полифана МЛ окупаемость расходов на ферментный препарат обеспечивается за счет увеличения выхода полуфабриката, характеризующегося более высокими качественными показателями. Замена щелочной варки на ферментативную обработку позволяет дополнительно снизить затраты на хим. реагенты и потребление пара. Полученные экспериментальные образцы препарата Полифан Л прошли производственную проверку в условиях ОАО «Вологодский текстиль», в ходе которой подтверждена эффективность предлагаемых режимов беления тканей или умягчающей отделки серых льняных полотен.
Автор защищает: - предлагаемый подход в конкретизации технологических задач ферментатив ной обработки при переработке льняных текстильных материалов в прядильном и отделочном производствах текстильной промышленности; - экспериментальное обоснование определяющего влияния соотношения каталитической способности компонентов пектолитического комплекса полиферментных препаратов на эффективность их применения в текстильных технологиях и преимущественной роли ферментов пектинэстеразы и эндопо лигалактуроназы в гидролизе полиурониднои составляющей отечественных сортов льняного волокна; - экспериментальное подтверждение проявления антагонизма биокатализато ров различного микробиологического происхождения и возможности получения совместимого композиционного биопрепарата для деструкции углеводно-белковых примесей льняного волокна с использованием пекто- и про-теолитических ферментов бактериальных штаммов, относящихся к одному роду Bacillus; - выявленные особенности взаимодействия ферментов с комплексообразующи- ми соединениями, неионогенными и ионогенными поверхностно-активными веществами и принципы их отбора при создании композиционных препаратов для процессов переработки льняных волокнистых материалов; - новые специализированные полиферментные препараты Полифан МЛ, Поли фан Л и разработанные биохимические технологии их применения в процессах подготовки ровницы и тканей из отечественного льняного сырья.
Апробация работы. Основные материалы диссертации доложены, обсуждены и получили положительную оценку на следующих научных мероприятиях:
- III Всероссийская научно-техническая конференция «Новые химические технологии: производство и применение», г. Пенза, 2001г.;
- IV Конгресс химиков-колористов России, г. Москва, РСХТК, 2002 г.;
- II Московский международный конгресс «Биотехнология: состояние и пер спективы развития», г. Москва, 2003 г.;
Международные научно-технические конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (Прогресс-2001, Прогресс-2002, Прогресс-2004), г. Иваново, 2001 г., 2002 г., 2004 г.; «Достижения текстильной химии в производство» (Текстильная химия-2000, Текстильная химия-2004), г. Иваново, 2000 г., 2004 г.; «Проблемы сольватации и комплексообразования в растворах», г. Иваново, 2001 г.,2004 г.; «Высокоэффективные технологии производства и переработки льна», г. Вологда, 2002 г.; «Инновационная привлекательность льняного комплекса России», г. Вологда, 2003 г.; «Пути повышения конкурентоспособности продукции из льна» г. Вологда, 2004 г.;
Межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности» (По-иск-2003), г. Иваново, 2003 г.; конференция молодых ученых ИХР РАН 2003 г.; научно-технические семинары направления «Химия текстильных материалов» ИХР РАН 2001, 2004, 2005 г.г.
