La biotecnología aplicada a la industria textil: el bio-pulido de la tela
Enviado por Fredy Molina Rodríguez
- El empleo de las Enzimas en la Industria Textil
- El Bio-Pulido Textil
- Conclusiones
- Referencias Bibliográficas
En la actualidad, la industria textil está constituida por subsectores diferentes aunque interrelacionados y que producen desde las fibras hasta el producto final para el uso del cliente.
Cada subsector puede considerarse como una industria por separado, aunque el producto que se obtiene en cada etapa de la producción constituye el principal insumo de materia prima para la siguiente.
En todas las etapas se emplea una amplia variedad de colorantes y otros compuestos químicos y auxiliares (ácidos, bases, sales, agentes humectantes, colorantes), cuyos productos son desechados en los efluentes con la probabilidad de impactar en el medio ambiente.
Es por ello que uno de los objetivos de los tratamientos textiles modernos es obtener el efecto deseado en las fibras, utilizando procesos que conlleven el mínimo impacto medio ambiental.
Con este fin se comenzaron a utilizar diversos procesos biotecnológicos en este ámbito y uno de ellos fue mediante el empleo de enzimas las cuales cumplen el requisito de ser respetuosos con el medio ambiente (debido a que las enzimas son biodegradables), actúan sobre moléculas específicas y actúan bajo condiciones suaves.
El esquema del empleo de la biotecnología en procesos industriales lo podemos apreciar en la figura 1:
Fig. 1: La Biotecnología en los Procesos Industriales
Fuente: http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/trabalhos_pos2004/textil/introducao.htm
El empleo de las Enzimas en la Industria Textil
En términos del proceso de fabricación, la industria textil puede dividirse en las siguientes etapas principales:
Producción de hebra;
Hilado,
Tejido,
Teñido del Tejido
Acabado de los Tejidos, y
Elaboración del Producto Final Textil.
En la industria textil las enzimas se pueden aplicar tanto al tratamiento de fibras proteicas naturales (lana y seda), como en fibras celulósicas (algodón, lino y cáñamo) y asimismo en fibras sintéticas.
Estas enzimas se usan en las fases de hilado, teñido y acabado de los tejidos con el objetivo de limpiar la superficie del material, reducir las pilosidades y mejorar la suavidad.
En la figura 2, se muestran las etapas de la fabricación de telas y las enzimas utilizadas en cada etapa. La rama inferior muestra la producción de tela Denim, con la que se confeccionan los jeans. Considero necesario remarcar que el proceso "Stone Wash" es un tipo de lavado industrial en el que se utilizan piedras que le da al textil un aspecto "usado", "desgastado" o "pulido".
Fig. 2: La Biotecnología en los Procesos Industriales
Fuente: http://www.porquebiotecnologia.com
AMILASAS
Al comenzar el tratamiento de la fibra, se debe extraer el almidón que la recubre (proceso llamado desengomado).
El proceso de desengomado convencional puede ser realizado por hidrólisis (ruptura del almidón en presencia de agua) en donde los productos textiles son tratados con ácido, álcalis o agentes oxidantes.
También se puede eliminar por descomposición del almidón por fermentación en agua con microorganismos presentes en forma natural que descomponen el almidón del tejido.
Actualmente, estos tratamientos se encuentran en desuso debido a las dificultades propias del método, dejando lugar al uso de las enzimas amilasas.
Las amilasas son enzimas que intervienen en la degradación del almidón. Para ello se utilizan las amilasas bacterianas provenientes de Bacillus subtilis y Bacillus lichenformis, las cuales son estables a altas temperaturas (termófilas).
Para evitar la desnaturalización (pérdida de la estructura terciaria y la función) de esta enzima durante el desengomado, primero se debe añadir agua, calentar hasta alcanzar la temperatura óptima (entre 60 y 100ºC), establecer el pH óptimo (neutro) y entonces añadir la enzima.
Según su temperatura óptima, se distinguen 3 grupos de amilasas:
Temperatura Óptima de 60-70ºC: se utiliza para el desengomado en un baño de larga duración que dura entre 2 a 6 horas.
Temperatura Óptima de 80ºC: usadas en máquinas de lavado continuo por algunos minutos.
Temperatura Óptima 100ºC: tratamientos con vapor por 1 a 2 minutos.
LIPASAS
Éstas son enzimas que degradan lípidos y son usadas en la industria textil, junto con las amilasas, para el desengrasado de las fibras.
PECTINASAS
En el tratamiento de las fibras de algodón, se deben extraer las pectinas de la pared de las células primarias del algodón.
Las enzimas pectinasas son utilizadas en el lavado alcalino del algodón.
Después de realizar varias investigaciones se ha demostrado que un tratamiento usando solamente pectinasa, seguido por un enjuagado en agua caliente, es capaz de hacer que la fibra de algodón se vuelva hidrófila y absorbente, facilitando de esta manera su posterior utilización.
CATALASAS
La catalasa se emplea para descomponer en oxígeno y agua todo el peróxido de hidrógeno (H202) residual que queda después del blanqueo de las fibras de algodón.
La eliminación de este H202 es necesaria para que las fibras puedan luego ser teñidas. La catalasa es una enzima que se encuentra en organismos vivos y su empleo disminuye el consumo de productos químicos, de energía y de agua.
Después del blanqueo, se realiza el enjuague, se aplica ácido acético y se aplica la catalasa en un baño nuevo o en propio baño de teñido por aproximadamente 10 minutos, a temperaturas entre 20 y 50ºC, con un pH de entre 6 y 10.
PEROXIDASAS
Los restos de peróxido de hidrógeno utilizados en la etapa de blanqueo, en contacto con pigmentos sensibles a la oxidación, pueden provocar pequeñas alteraciones en la tonalidad causando reducción en el color.
En los procesos normales de blanqueo, los residuos de peróxido de hidrógeno son removidos a través de varios enjuagues o de la adición de un reductor inorgánico, el cual causa gran carga de sales en los efluentes. Para minimizar este efecto, se utilizan las peroxidasas que reducen el peróxido de hidrógeno.
La cantidad de enzimas usada es menor que la cantidad de agente reductor inorgánico y no causan problemas ecológicos, como la elevada carga de sales.
Las Peroxidasas también pueden ser utilizas después del teñido, para la reducción de colorantes residuales.
LACASAS
Éstas son enzimas del tipo fenol-oxidasa dependiente de cobre que tiene la capacidad de catalizar reacciones de desmetilación.
Este es un paso importante en la biodegradación de polímeros que contengan grupos aromáticos fenólicos.
Debido a esta propiedad, la lacasa es utilizada en la oxidación del índigo (colorante de tipo fenólico) en la preparación de telas para jeans.
Esta enzima es extraída de hongos, como Trametes hirsuta y Sclerotium rolfsii.
Además, en procesos de oxidación de muchos compuestos (principalmente de compuestos fenólicos) la lacasa presenta una gran especificidad para un gran número de compuestos no biodegradables, por lo cual se empezó a utilizar en tratamientos de efluentes industriales.
CELULASAS
Las fibras vegetales están compuestas básicamente de celulosa la cual, al ser un material no biodegradable, constituye un problema para el posterior tratamiento de efluentes.
Las celulasas son enzimas que degradan las fibras de la superficie (fibras sueltas y micro fibrillas) haciendo a los tejidos más lisos y blandos.
También son usadas para producir la apariencia "Stone-washed" en los jeans. Tradicionalmente esta apariencia en los tejidos Denim fue otorgada por un proceso que utiliza piedra-pómez para desgastar el color localmente por roce y fricción. Este proceso presentaba muchas desventajas ya que causan el desgaste rápido y rotura de las máquinas utilizadas, provocan gran abrasión empeorando la calidad de la tela y causan problemas ambientales ya que se generan efluentes no biodegradables.
La ventaja en la utilización de celulasas en el proceso de desgaste del jean en relación al proceso convencional, es que no genera gran degradación de la fibra como la piedra-pómez y el desgaste o pulido es más uniforme.
En este proceso, la celulasa se pueden utilizar conjuntamente con las piedras-pómez o sustituyéndolas totalmente.
Al culminar este proceso, se realiza un tratamiento de limpieza químico-mecánico con un agente blanqueante para resaltar los contrastes y eliminar la reposición de microfibras teñidas de color azul que enmascaran el efecto logrado.
Estas enzimas no sólo se utilizan en el proceso de stone-wash de telas para jeans, sino que también se utilizan en telas destinadas a la confección de otros productos ya que el proceso enzimático les otorga una textura aterciopelada similar a la seda natural, tema del cual profundizaremos a continuación bajo el proceso denominado bio-pulido textil.
El Bio-Pulido Textil
El Bio-Pulido, como proceso, es la hidrólisis controlada de fibras celulósicas, diseñada para modificar la superficie de la tela a fin de evitar la formación de bolitas (pilling) y aumentar la suavidad de la tela acabada.
El objetivo de este proceso es brindar a la tela una suavidad y un aspecto liso sin utilizar los tradicionales productos químicos y este trabajo se ha convertido hoy en día en una nueva tecnología en la industria textil.
Tanto los tejidos de punto como los tejidos planos se pueden tratar tanto en procesos continuos y discontinuos, con la obtención de los siguientes beneficios:
Estructura superficial más limpia, con menos pelusilla (pilling).
Reducción de la formación de bolitas (efecto antipilling).
Mejor tacto y más caída.
Un tratamiento más amigable con el medio ambiente.
Como ya lo mencionamos, las celulasas son proteínas (enzimas) capaces de degradar La celulosa, realizan una acción catalítica específica sobre los enlaces 1,4-ß-glucosídicos de la molécula de celulosa.
La hidrólisis de este enlace separa la molécula en fragmentos pequeños que pueden reducirse aún todavía más.
Fig. 3: Hidrólisis simplificada de una molécula de celulosa
Fuente: Manual de Bio-Polishing
Como es conocido de que la enzima no se consume en la reacción, ésta puede trasladarse a una posición distinta para iniciar nuevamente la hidrólisis de otro enlace; y si no se ejerce un buen control del procesos, una pequeña cantidad de enzima puede reducir una cantidad de sustrato mucho mayor.
Para conseguir el efecto máximo de la enzima, es decir su mayor rendimiento, es necesario optimizar el pH y la temperatura de la reacción del proceso.
Generalmente, las celulasas se clasifican en dos grupos comerciales principales, en base a los rangos de pH óptimos: Las "celulasas ácidas" que tienen su mayor actividad a un rango de pH entre 4,5 y 5,5, y a un rango de temperatura entre 45°C y 55°C; mientras que las "celulasas neutras" requieren un rango de pH entre 5,5 y 8,0 y un rango de temperatura entre 50°C y 60°C.
Los mejores resultados se obtienen ajustando el pH en un sistema de tampón
Fig. 4: Características de pH de las celulasas
Fuente: Manual de Bio-Polishing
Fig. 5: Características de Temperatura de las celulasas
Fuente: Manual de Bio-Polishing
La hidrólisis de la celulosa no es, instantánea.
Adicionalmente de un índice de pH y una temperatura óptimos, se requiere un período de incubación, cuya duración depende del sustrato y de la dosificación enzimática.
En el caso de las telas con densidad elevada (pesadas) y las bajas dosificaciones enzimáticas requerirán períodos de incubación prolongados. Por consiguiente, si se aumenta la dosificación debería reducirse el tiempo de incubación.
Tras la incubación, se detiene la reacción desactivando la enzima.
La desactivación se consigue ajustando el índice de pH a 10, o bien aumentando la temperatura a 75°C durante 15 minutos.
Ambos métodos distorsionan la estructura física de la enzima, impidiendo cualquier hidrólisis posterior.
En general, las celulasas se consideran inocuas para el medio ambiente, contrariamente a muchos de los productos químicos utilizados normalmente en un proceso textil.
El Bio-Pulido no requiere revestimiento alguno de la tela con otros productos químicos. Las enzimas son proteínas naturales fácilmente biodegradables y que utilizadas normalmente en dosificaciones bajas no contribuyen significativamente a la acumulación de residuos. Gracias a estas ventajas, las enzimas representan una alternativa favorable a los tradicionales productos químicos.
El Bio-Pulido elimina los diminutos extremos de las fibrillas que sobresalen de la superficie de la tela. La acción enzimática debilita los extremos, pero no los separa del hilo y para ello se necesita de una acción mecánica para completar el proceso.
Fig. 6: Efecto de las celulasas sobre la eliminación de pilling
El tratamiento realizado a la muestra de tejido fue:
Concentración enzimática: 12,0 g/kg de tela (celulasa ácida)
Tratamiento: 50°C a un pH de 4,5; 60 min
Proporción de líquido: 8:1
Equipamiento: Máquina de teñir a chorro
Fuente: Revista Mundo Textil – Manual de Bio-Polishing
Cualquier abrasión de la superficie de la tela, puede considerarse una acción mecánica. La abrasión física necesaria varía según sea la hidrólisis de la fibra.
El Bio-Pulido puede realizarse en cualquier fase durante el procesado en húmedo, siendo el mejor momento después del blanqueo. Las telas pueden tratarse en forma de piezas o de prendas. El Bio-Pulido puede combinarse con otro tratamiento, o puede realizarse en una operación individual. Si se combina con otro tratamiento, las condiciones deben ser apropiadas para ambos procesos. Si las condiciones no son óptimas, puede resultar necesario ajustar la dosificación enzimática.
Los resultados del Bio-Pulido pueden medirse de distintas formas. Normalmente, se requiere una pérdida de peso de 3% a 5% para asegurar un efecto apropiado; sin embargo, esto produce cierta reducción de la resistencia de la tela, que puede mantenerse a un nivel mínimo finalizando el Bio-Pulido en el momento adecuado. Tal como se muestra en la figura 7, incluso a los 40 minutos la pérdida de resistencia de la tela es moderada.
Fig. 7: Pérdida de Resistencia VS Tiempo de Tratamiento
El tratamiento realizado a la muestra de tejido fue:
Concentración enzimática: 12,0 g/kg de tela (celulasa ácida)
Tratamiento: 50°C a un pH de 4,5; 60 min
Proporción de líquido: 8:1
Equipamiento: Máquina de teñir a chorro
Fuente: Manual de Bio-Polishing
Visualmente, la estructura superficial de las telas tratadas con Bio-Pulido es más limpia.
La combinación de la hidrólisis enzimática y la acción mecánica elimina la pelusilla y los extremos de las fibrillas de la superficie.
Una vez eliminada la pelusilla, se ve más claramente la textura de la tela y el color se intensifica.
Los resultados más extraordinarios se observan en la prueba de abrasión.
Ya que el Bio-Pulido elimina los extremos de las fibrillas, se obtiene un considerable efecto antibolitas (antipilling). Este efecto es permanente, ya que los extremos de las fibrillas no se someten a un solo tratamiento superficial (como con los agentes suavizantes u otros agentes), sino que se separan completamente del hilo.
Existen muchos tipos de revestimiento que pueden utilizarse para reducir la tendencia a formación de bolitas en la tela, pero luego de dos o tres lavados ha desaparecido la mayoría del agente utilizado. Es entonces cuando pueden aparecer muchas bolitas nuevamente y es en esta fase que los resultados del Bio-Pulido son más evidentes.
Inclusive luego de varios lavados domésticos, las telas tratadas con el proceso de Bio-Pulido se mantienen relativamente libres de bolitas (pilling).
La duración del efecto antibolitas es una de las características más pronunciadas del Bio-Pulido.
Debido a que las mejoras físicas, como en este caso) se deben a una modificación del hilo mismo, los beneficios permanecen durante la vida útil de la tela.
Los ensayos acelerados de lavado han mostrado que en una tela de algodón 100%, el efecto antibolitas puede permanecer durante hasta 60 lavados domésticos.
Tabla 1: Efecto del Bio-Pulido VS Cantidad de Lavados Domésticos
Fuente: Manual de Bio-Polishing
El Bio-Pulido también proporciona otras ventajas:
Primero, la hidrólisis de la tela permite el libre movimiento de los hilos, lo cual reduce la histeresis de doblado, aumentando la suavidad y ya que esta suavidad se debe a la modificación del hilo y no a un revestimiento superficial, no se reduce la absorción de agua de la tela, lo cual puede ocurrir con muchos agentes suavizantes.
Segundo, el aumento del libre movimiento del hilo modifica el tacto y la caída de la tela. El Bio-Pulido proporciona muchas mejoras duraderas de la calidad de la tela, trasladadas luego a las prendas acabadas.
Como regla general para el Bio-Pulido, las condiciones típicas para un proceso discontinuo se tienen:
Proporción de líquido: 5:1 a 15:1
Velocidad: 80-150m/min. o 15-60 r.p.m.
Temperatura:
Celulasa ácida: 45°C a 55°C
Celulasa neutra: 55°C a 65°C
pH:
Celulasa ácida: 4,5 a 5,5
Celulasa neutra: 5,5 a 8,0
Tiempo: 30-120min
Dosificación
Celulasa ácida: 0,5% a 3,0 % p/p
Celulasa neutra: 3,5% a 15,0 % p/p
Finalización: pH de 10 durante 15 min o bien 75°C durante 15 min
Conclusiones
Hoy en día, muchas enzimas son utilizadas por una gran diversidad de tipos de industrias y esto no es ajeno a la industria textil.
Tradicionalmente, se han utilizado enzimas en el proceso de limpieza de las fibras. Ahora, las enzimas como las proteasas, lipasas, celulasas y enzimas oxidativas, se utilizan en el bio-procesamiento de fibras naturales, mientras que otras son fundamentales en el tratamiento de efluentes derivados de esos procesos.
El conocimiento de las enzimas en cuanto a su constitución, estructura, mecanismos de acción y parámetros que contribuyen a una eficiente actividad, permitirá a los usuarios su adecuada utilización en los procesos textiles a los que son direccionados.
El Bio-Pulido es un nuevo concepto de acabado para el tratamiento de las telas celulósicas.
La combinación de una hidrólisis enzimática y una acción mecánica elimina la pelusilla de la superficie de la tela, proporcionando un efecto antipilling. El efecto del tratamiento es duradero y permanece durante numerosos lavados domésticos. El proceso también mejora el aspecto, la suavidad y el tacto de la tela, sin disminuir la absorción de agua del producto acabado.
Las celulasas son proteínas naturales fácilmente biodegradables, que sólo reaccionan con la celulosa. Las celulasas actúan como catalizadores, aumentando la velocidad de la hidrólisis.
Las enzimas representan, hoy en día, beneficiosas alternativas a los productos químicos utilizados para el acabado de las telas por su carácter de ser amigables con el medio ambiente.
Referencias Bibliográficas
Novo Nordisk A/S, Manual de Bio-Polishing, Denmark
www.porquebiotecnologia.com
Revista Mundo Textil, Asociación Peruana de Técnicos Textiles, Lima, Perú
Autor:
Fredy Nicolás Molina Rodríguez
Universidad Católica de Santa María, Arequipa, Perú