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 особенностей 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 энергои 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 19 962 000 годы», межвузовской научной программы «Университеты России», «Химтекс» .
Цель работы состояла в создании эяергои 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 использованыльняное 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 стабилизаторов 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 № 96 103 261/04 (5 442) 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 позвояяют 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 монои 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 монои полиферментных препаратов в процессах подготовки льняной ровницы и льняных тканей.
— выявленные особенности биохимической деструкции примесей целлюлозы льна, разработанные монои полиферментные биопрепараты и созданные на их основе знергои 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 I996 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 1996 г., 1998 г.- 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.
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 снижения выпуска льняных тканей и изделий является тот факт, что выпускаемая продукция не пользуется спросом на мировом рынке из-за низкого качества, а для отечественного потребителя ввиду высоких затрат на ее производство — цены.
Динамика спада производства приблизила предприятия к пределу устойчивости их экономического состоянияне выплачивается заработная плата тысячам работников, безработица в текстильных регионах приобретает массовый характер. Неизбежно свертывание отечественного рынка товаров народного потребления, полная зависимость России от иностранных производителей.
Изменилась ситуация и с обеспечением текстильной промышленности хлопком. Из отечественного, в условиях СССР, он стал импортным, возросла его цена [ I ]. По состоянию на декабрь 1997 г. одна тонна хлопка стоила 8−10 млн, руб. из них 50% - стоимость транспортировки и таможенные налоги. Эти обстоятельства заставляют изыскивать возможности замены среднеазиатского хлопка отечественным льняным волокном.
Проблема увеличения выпуска в России продукции из натуральной целлюлозы на базе льна становится национальной проблемой, которую необходимо решать комплексно. В государственные и региональные программы «Развития льняного комплекса Ивановской области на 1997;2000 гг. по возрождению русского льна включены задачи по восстановлению посевных площадей для сланцевой первичной обработки льна, переоборудованию прядильно-отаелочных комбинатов, инвестированию научно-исследовательских работ по созданию высокоэффективных технологий облагораживания льноволокна для переработки его на прядильном оборудовании хлопчатобумажной и трикотажной промышленности.
Развитие процессов переработки льна для разработки широкого ассортимента продукции на предприятиях не только льняной, но й хлопчатобумажной, шерстяной и шелковой отраслей станет основой структурной перестройки текстильной и легкой промышленности с учетом развития льноводства, предприятий машиностроения, научного потенциала России.
Для выполнения намеченных целей в льняной промышленности должны быть решены следующие задачи:
— увеличение выпуска продукции из льна, конкурентоспособной на внутреннем и внешнем рынках;
— удешевление продукции широкого потребления — скатертных жаней, простынного и полотенечного полотен;
— полная и глубокая переработка льносырья, расширение использования технологии получения льняного котонина и его переработка, высвобождение льна из производства технического ассортимента;
— разработка и освоение, промышленностью ресурсеи энергосберегающих экологически чистых технологий.
В области отделки льняных материалов одним из решений этих проблем является совершенствование наиболее длительного материало-и энергоемкого процесса их подготовки, Перспективным направлением создания ресурсосберегающих технологий подготовки льняных материалов является использование биохимических процессов, разработка композиционных биопрепаратов, включающих ферменты с различной суостратнои активностью, ооеспечивающих наиболее полное освобождение волокна от примесей и загрязнений при минимальном повреждении, или целенаправленно модифицирующих техническое комплексное волокно. I.
1 й.
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.
Прежде чем превратиться в готовую ткань, льняное волокно претерпевает ряд механических и химических обработок. Трудозатраты на производство льняной ткани почти в два раза выше, чем на производство хлопчатобумажной. Исследования показали, что наибольшие затраты приходятся на выращивание и получение льносырья, несколько меньше затрат вкладывается в прядильно-ткацко-отделочное производство, причем из последних наименьшее количество приходится на химическую обработку. Однако именно при химической обработке устраняются недостатки качества исходного сырья и придаются текстильным материалам требуемые потребительские свойства.
Химические процессы приобрели большое значение для развития смежных производств, например таких, как первичная обработка волокна и прядильное производство. Поэтому под названием «отделка льняных материалов» следует понимать не только обработку тканей (беление, крашение, печатание, отделка, пропитка и т. д.), но и создание технологических процессов для обработки льносоломы, ровницы и пряжи, короткого льняного волокна р, 3].
Недостаточное внимание к вопросам химии лубковолокнистого сырья привело к тому, что целый ряд важных вопросов технологии до сих пор не могли быть успешно разрешены. Нет полной ясности в вопросах о том, на какой стадии обработки следует сохранить тот или иной компонент и где следует его удалитьнужны ли для прядения ближайшие спутники целлюлозы и какие именночто является причиной низкой прядильной способности, разнооттеночности волокнасколько нужно удалить сопутствующих примесей и сколько оставить, чтобы сохранить уникальные потребительские свойства, присущие только льноматериалам.
С овременные направления совершенствования технологии облагораживания льна должны быть основаны на глубоком знании уникальной природы льняного волокна и формироваться не только с учетом повышения технико-экономических показателей производства, но также с учетом существенного повышения качества продукции, улучшения условий труда и сохранения окружающей среды.
В ы в о д ы.
1 .Изучено влияние ферментов различной субстратной активности на полноту удаления примесей льняного волокна в процессе биообработки. Выбраны Ферменты и их композиции обеспечивающие необходимые качественные показатели льняного волокна.
Показано, что в результате ферментной обработки технического льняного волокна пектинолитическими ферментами и оксиредуктазами достигается капиллярность 75−110 мм, гибкость 65−80 мм при сохранении значений разрывной нагрузки на уровне исходного льняного волокна.
2. Теоретически и экспериментально обоснована целесообразность использования полиферментной системы для освобождения льняного волокна от нецелшолозных примесей".
Показано, что при воздействии комплекса ферментов, включающего пектиназы, липазы, ксиланазы и оксидоредуктазы, степень конверсии пектинов и гемицеллюлоз значительно выше, чем при воздействии фермента одного подкласса и составляет по отношению к ге-мшделлюлозам 77% м пектиновым веществам 95%.
3. Методом УФ спектроскопии оценено действие различных ферментов на делигнификацию льняного волокна.
Показано, что максимальная степень удаления лигнина достигается при обработке Пектофоетидином III ОХ, Лигниноразру-шатощее действие пектинолитического фермента обусловлено биодеградацией пеюнн-лигнин-гемицеллюлозного комплекса.
4.Исследовано влияние температурных условий ферментной обработки льняной ровницы на ее прочность в мокром состоянии, Выявлено, что чем ближе температурный режим обработки к температуре наиболее благоприятной для проявления каталитической активности фермента, тем ниже прочность волокна в мокром состоянии, Показано, что ферментная обработка обеспечивает разрывную нагрузку ровницы в мокром состоянии на уровне требуемых значений 0,25−1,3 Н.
5> Методом математической сплайн-интерполяции проведена оптимизация полиферментной композиции и основных технологических параметров в процессе биообработки льняной ровницы. Предложен состав полиферментной композиции включающий Пектофоетидин 0,91,25 г/д, Оксиредуктазу 0,75−1,4 г/л, Липазу 0,1 г/л, а также поверхностно-активные вещества, стабилизаторы и активаторы. Выбраны оптимальные условия построения технологии с использованием разработанной композиции: температура 37−40 «С, длительность процесса 45−60 мин. Полученная в этих условиях ровница имеет капиллярность более 100 мм, гибкость более 66 мм, степень удаления лигнина более 50%, разрывную нагрузку в мокром состоянии 0,75−1,2 Н, что соответствует ровнице обработанной в производственных условиях по известному щелочному способу.
6.Совмеетно с АО «Химпром» разработан новый биокомпозиционный препарат «Биотекс П» для обработки ровницы, включающий ферменты различной субстратной активности в оптимальном соотношении.
7.Разработан технологический режим подготовки льняной ровницы для выработки пряжи цвета серого льна включающий биообработку и позволяющий снизить концентрацию едкого натра при последующей щелочном варке в 3−4 раза, а также сократить время обработки в 2 раза при улучшении качества ровницы,.
8 .Впервые разработана технология биомеханической котонизации короткого льняного волокна не имеющая аналогов в России и за рубежом. Технология включает: предварительное разрыхление короткого льняного волокна, обработку при температуре 35−40 '" 'С в течение 25−30 мин раствором, содержащим биомодификатор «Биотекс ПК», отжим, сушку и механическую обработку на трепально-чесальном оборудовании. Разработанная технология совместно с сотрудниками НЙЭКМИ апробирована на базе ОАО «Меланж» г. Иваново. В условиях производства получены опытные партии биокотонина, оценены его прядильные свойства. Новое волокно обладает повышенной прочностью, низкой закостренноетью, линейной плотностью и длиной близкой к хлопковому волокну. Способ обеспечивает высокий выход волокна после механической обработки 50−58%. Биокотонин использован в качестве смесовой составляющей 25% к хлопковому волокну. На предложенный способ получено положительное решение по заявке № 96 103 261 /04(5 442) заявл. 16.12.96,.
9.Разра6отан низкотемпературный энергосберегающий биотехнологический режим подготовки льняных и полульняных тканей основанный на замене одной гипохлоритной обработки на ферментную с использованием вновь созданного биопрепарата «Биотекс ПР» с высокой моющей (90−92%) и шдихторазрушающей (55−80%) способностью. Проведены производственные испытания разработанной технологии на АО «Гаврилов-Ямский льнокомбинат». Лабораторные исследования и производственные испытания показали, что подготовка льняных и полульняных жаней по новой технологии обеспечивает повышение их качества при исключении гипохлоритной обработки и сокращает длительность процесса.
