AVALIAÇÃO DO EFEITO DA HIDRÓLISE ENZIMÁTICA NAS PROPRIEDADES DE FIBRAS TÊXTEIS DE POLIÉSTER
K. Silva1,2 e D. M. Lenz2 1 M. K. Química do Brasil Ltda.
2 Programa de Pós-graduação em Engenharia de Materiais e Processos
Sustentáveis Universidade Luterana do Brasil
Avenida Farroupilha, 8001 Prédio 14 sala 215 Canoas, RS, Brasil. e-mail: denise.lenz@gmail.com
RESUMO
Este trabalho estudou o potencial da hidrólise enzimática como tratamento de fibras têxteis de poliéster, utilizando soluções com 1,0, 0,5 e 2 g.L-1 de enzimas lipolíticas. As propriedades da fibra de poliéster, avaliadas comparativamente ao tratamento alcalino, foram: resistência à tração na ruptura, teor de óleo de ensimagem removido, perda de massa após tratamento, refletância da fibra tingida, solidez à lavagem doméstica e solidez da cor à fricção da fibra tingida. Em relação ao tratamento com soda cáustica, o tratamento enzimático com 1g.L-1 de enzimas acarretou aumento da resistência mecânica à tração de 18% no sentido da trama e 4% no sentido do urdume e a perda de massa ficou em torno de 60% inferior. O tratamento da fibra de poliéster com enzima lipase removeu satisfatoriamente o óleo de ensimagem e a quantidade de corante utilizado no tingimento obteve um acréscimo no rendimento de cor de 16%.
Palavras-chave: Poliéster, Indústria têxtil, Enzima lipolítica.
1. INTRODUÇÃO
A indústria têxtil é um dos setores mais importantes para o desenvolvimento econômico em diversos países1. No entanto, muitos dos corantes sintéticos acabam
descarregados em grandes quantidades nas águas residuais, tornando-as altamente tóxicas, impactando severamente a vida aquática2. As fibras do poliéster poli
(tereftalato de etileno) (PET) são das mais versáteis fibras químicas utilizadas na indústria têxtil e a hidrólise alcalina da fibra de PET utilizando soda cáustica proporciona características de hidrofilicidade à fibra com consequente melhora na interação com o corante na etapa do tingimento3. Porém, os produtos químicos
de efluentes e para o meio ambiente em geral.
Como alternativa, estuda-se a modificação superficial de tecidos sintéticos através de enzimas. O tratamento enzimático apresenta como vantagens condições brandas de pH e temperatura para a reação entre a fibra e a enzima, fácil controle
de processo e menor impacto ao meio ambiente4. As lipases são enzimas
hidrolíticas. A maioria das lipases industriais é obtida a partir de microrganismos que são dinâmicos em meios orgânicos, usualmente catalisam muitas reações orgânicas incluindo esterificação, transesterificação, acilação regiosseletiva de mentóis e glicol. O sítio catalítico das lipases varia bastante de uma enzima para outra, porém alguns elementos estruturais são comuns para todas as lipases: a tríade catalítica, formada por resíduos dos aminoácidos serina (ser), histidina (his) e aspartato (asp) e um desdobramento característico na conformação αβ hidrolase5.
Estas enzimas, capazes de degradar seletivamente a superfície do poliéster, demonstram ser uma alternativa aos tratamentos químicos ou físicos pela introdução de funcionalidades químicas na superfície dos polímeros, sem redução significativa
da massa molecular da fibra6. Devido ao tamanho das enzimas supõe-se que os
tratamentos enzimáticos são apenas superficiais7.
A degradação do poliéster devido à hidrólise enzimática é um processo complexo que envolve diferentes fenômenos como a absorção de água pelo poliéster, o ataque enzimático à superfície do poliéster, a clivagem do grupo éster, a formação de fragmentos de oligômeros devido à hidrólise interna e externa, a solubilização de fragmentos de oligômeros no ambiente circundante, difusão de oligômeros solúveis e finalmente consumo dos oligômeros e a formação de CO2 e H2O8,9.
Desta forma, a hidrólise enzimática do poliéster mostra potencial para superar as limitações ocasionadas pelo tratamento alcalino da fibra e fornecer funcionalidade à superfície do poliéster sem afetar a massa molecular do polímero10.
Adicionalmente, a utilização dos tratamentos enzimáticos visa reduzir ou eliminar o uso de produtos contendo nonilfenol e soda cáustica. O objetivo deste trabalho foi avaliar o efeito da hidrólise enzimática, utilizando as enzimas lipases, nas propriedades e características físicas e mecânicas das fibras têxteis de PET.
2.1 Materiais
Foram utilizados corpos de prova em malha de poliéster PET (ITM Indústria Têxtil) recortados em tamanho retangular nas dimensões de (40 x20x 0,01) cm. Para o tratamento enzimático, foi utilizado o composto comercial de enzima lipolítica da empresa MK Química na forma de uma solução aquosa a 10% (m/v). No tratamento convencional alcalino, utilizou-se o hidróxido de sódio grau comercial da Manuchar. O corante Coralene Escarlate GS/HC (vermelho) foi utilizado para os testes de retenção de cor (K/S) (Colourtex). O óleo de ensimagem (MK Química) é um lubrificante composto por triglicerídeos utilizado na lubrificação industrial das fibras após o processo de extrusão que deve ser removido na etapa de lavagem das fibras. Demais agentes químicos auxiliares nos processos de tratamento hidrolítico e limpeza das fibras de poliéster estão dispostos no Quadro 1.
Quadro 1 – Auxiliares químicos e enzimas utilizados nos processos
Nome (Fabricante) Composição química Função
IGUALEM® MK T-DI (MK Química)
Aril sulfonados condensados
Agente igualizante para poliéster
HYDROTON®MK T-LD (MK
Química)
Aril sulfonados condensados
Agente dispersante para poliéster
Tensoativo (MK Química) Ésteres poliglicólicos
etoxilados Tensoativo não iônico
2.2 Métodos
2.2.1 Tratamento enzimático e alcalino das fibras de poliéster
As fibras de PET foram submetidas aos tratamentos alcalino e o enzimático em triplicata, contendo ou não tensoativo, em uma proporção de banho de 1:10 da massa de substrato de malha de poliéster (em g) para volume de solução (em mL), que é denominada de relação de banho de 1:10. O tempo de imersão de cada substrato no banho foi de 20 minutos na temperatura de 42 ºC. O pH do meio foi mantido tal qual após a adição do reagente teste, sem ajustes. A Tabela 1 descreve os tratamentos e suas respectivas legendas que serão utilizadas ao longo do texto.
Tabela 1 – Tratamentos hidrolíticos para a fibra de poliéster.
Tratamento Composição Legenda
Padrão Sem tratamento A
Enzima Lipolítica 0,5, 1,0 e 2 g.L-1 B, C e D, respectivamente Soda cáustica 2,0 g.L -1 de tensoativo e 2,0 g.L-1 soda cáustica E
2.2.2 Tingimento das fibras de poliéster
Em função da massa de cada substrato tratado, foi adicionada a solução padrão de tingimento, contendo o corante e os auxiliares químicos, conforme Tabela 2. O tingimento ocorreu em temperatura de 130 ºC, durante 45 minutos, com relação de banho de 1:10, ou seja, 10 g de substrato e 100mL de solução de tingimento e pH de 4,5 ajustado com ácido acético.
Tabela 2 – Concentração das soluções dos banhos de tingimento das malhas de poliéster. Auxiliar Quantidade IGUALEM® MK T-DI 1,5 g.L-1 HYDROTON®MK T-LD 1,0 g.L-1 Ácido cítrico 0,3 g.L-1 Coralene Escarlate GS/HC 0,5%
Água até completar o volume de 100 mL
2.2.3 Caracterização das fibras hidrolisadas e das fibras hidrolisadas e tingidas
a) Determinação da remoção de óleo de ensimagem do poliéster via soxhlet Para determinar a fração lipídica presente após os tratamentos enzimático e alcalino nas fibras de PET, as amostras foram submetidas ao procedimento clássico de extração de óleo via Soxhlet11.
b) Determinação da perda de massa dos corpos de prova
A perda de massa dos corpos de prova, após os tratamentos enzimático e alcalino, foi obtida como sendo a diferença entre a massa antes e após a hidrólise. Os corpos de prova foram secos em um equipamento rama de laboratório a 100 ºC
durante 4 minutos, posteriormente acondicionadas em dessecador com sílica-gel por 30 minutos e enfim pesadas. Então, foram acondicionadas em estufa a 100 ºC por 30 minutos, pesadas e acondicionadas em dessecador e novamente pesadas. O processo repetiu-se até que a massa dos corpos de prova ficasse constante.
c) Determinação do valor de refletância
O controle de qualidade dos tingimentos nas fibras hidrolisadas foi realizado comparando a refletância dos corpos de prova com um espectrofotômetro de reflexão. Este equipamento determina os valores da relação entre a refletância e o coeficiente de difusão no meio (K/S) para comprimentos de onda na zona visível, avaliando o aumento ou diminuição da cor. A refletância relacionada com a concentração de corante na fibra foi obtida através da fórmula de Kubelka-Muck12, conforme Equação A.
(A) Onde:
R – refletância; K – coeficiente de absorção do meio e S – coeficiente de difusão do meio
O espectrofotômetro DATACOLOR Check 3 foi utilizado para esta análise. A faixa de comprimento de onda de atuação do equipamento é de 400-700 nm, com intervalo de medição de 10 nm, fonte de luz em flash xênon filtrada para iluminação
D65, com reprodutividade de 0,05 Cielab ΔE e repetitibilidade de 0,2 ΔE.
d) Teste de solidez à lavagem doméstica – ABNT NBR ISO 105-C06/06 O teste de solidez à lavagem doméstica segue a Norma ABNT NBR 105- C06/06. Após o tingimento, os corpos de prova das malhas de tamanho (2x4) cm foram cortadas e costuradas a tecidos multifibras. O tecido multifibra é composto por faixas de diferentes materiais, sendo eles: acetato, algodão alvejado, nylon 6.6, poliéster, acrílico e lã. A avaliação da alteração de cor e do desbotamento foi realizada pelo espectrofotômetro portátil Datacolor, modelo Check 3, informando o resultado em notas de escala de cinza.
e) Teste de solidez da cor à fricção
Os corpos de prova das malhas tingidas foram submetidos ao teste de solidez à fricção em equipamento crockmeter da marca Kimak. Conforme norma NBR ISO 105-X12/07, o corpo de prova é submetido a ciclos de fricção durante 10 segundos contra um tecido testemunha padrão de algodão alvejado. A avaliação da alteração de cor e do desbotamento foi realizada pelo espectrofotômetro portátil Datacolor, modelo Check 3, que informa o resultado em notas de escala de cinza.
f) Ensaio de resistência à tração de ruptura (norma interna da empresa MK Química)
As malhas de PET tratadas foram submetidas a ensaios de resistência à tração nos sentidos de trama e urdume. Este ensaio teve por objetivo avaliar as propriedades mecânicas do PET, utilizando o equipamento dinamômetro KRATOS. Os ensaios foram realizados em triplicata.
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO
3.1 Comparação das propriedades das fibras de PET em função dos tratamentos hidrolíticos
A Figura 1 apresenta os valores de óleo de ensimagem presente nas amostras após os tratamentos hidrolíticos e a Figura 2 mostra a massa da fibra de PET em função do tipo de tratamento. Observa-se que os tratamentos hidrolíticos com enzimas lipase (B, C e D) foram mais efetivos na remoção de óleo de ensimagem que o tratamento convencional com soda cáustica (E) e com menor perda de massa da fibra de PET.
É proposto que, no tecido sem tratamento enzimático, a superfície hidrofóbica do poliéster PET tem uma forte associação com as manchas oleosas. Nos tecidos tratados com as enzimas, as fibras apresentam superfície com maior hidrofilicidade, que poderiam enfraquecer as interações hidrofóbicas entre fibras e manchas13.
Figura 1 – Óleo residual da fibra de PET em função do tratamento hidrolítico. À esquerda encontra-se o valor de óleo residual, à direita o desvio padrão.
Figura 2 – Perda de massa da fibra de PET em função do tratamento hidrolítico. À esquerda encontra-se o valor da perda de massa, à direita o desvio padrão.
A Figura 3 mostra os picos de absorção de cor no intervalo de comprimento de onda entre 460 nm e 560 nm, os quais demonstram que o tratamento com enzima lipolítica proporcionou maior absorção de corante nas fibras de PET em relação ao corpo de prova tratado convencionalmente com soda cáustica. De acordo
com Kanelli et al.14, os valores aumentados de K/S em amostras tratadas
após a hidrólise enzimática do polímero, resultando em um aumento significativo de reação com o corante.
No teste de solidez à lavagem caseira, os graus de solidez são indicados pelo número 1, representando a nota mais baixa, e o número 5, a mais alta, ou seja, melhor fixação dos corantes nas fibras têxteis após a lavagem. Observou que, para todos os tecidos testemunhas avaliados, os resultados entre os tratamentos ficaram semelhantes. Da mesma forma, o teste de solidez à fricção mostrou resultados semelhantes para os diferentes tratamentos.
Onde:
0,5 g.L-1 enzima lipolítica 2,0 g.L-1 enzima lipolítica
1,0 g.L-1 enzima lipolítica
2,0 g.L-1 de tensoativo e 2,0 g.L-1 soda cáustica
Figura 3 – Gráfico de K/S comparativo entre os corpos de prova de PET com diferentes tratamentos.
A Figura 4 mostra os resultados obtidos para a resistência à tração no sentido da trama e do urdume para as fibras de PET. No sentido do urdume, observou-se que houve um aumento da resistência à tração para as concentrações de 0,5 e 1,0 g.L-1 (B e C) de enzimas em relação ao tratamento alcalino (E). Com 2,0 g.L-1 (D) observa-se um decréscimo da resistência de tração na ruptura, evidenciando-se um excesso de enzimas e o possível início da degradação do polímero PET.
Já no sentido da trama, as concentrações de 1,0 e 2,0 g.L´1 mostram maiores valores de resistência à tração que as fibras de PET tratadas com soda cáustica.
Desta forma, a concentração de 1,0 g.L-1 destaca-se positivamente pelo
equilíbrio de propriedades tintoriais, mecânicas e morfológicas das fibras do poliéster.
Figura 4 – Resistência à tração na ruptura de fibras de PET em função dos diferentes tratamentos. À esquerda: no sentido da trama e à direita: no sentido do urdume.
4. CONCLUSÃO
A hidrólise com enzimas lipases demonstrou potencial para ser utilizada como tratamento hidrolítico das fibras têxteis de PET. Este tratamento promoveu, com relação ao tratamento convencional alcalino, menor perda de massa das fibras com maior remoção de óleo de ensimagem, maior retenção da cor nas fibras tingidas após os tratamentos, não alterou a solidez à lavagem caseira, nem a solidez à fricção e aumentou os valores de resistência à tração na ruptura. A concentração de 1g.L´1 de enzimas foi considerada a que promoveu os resultados mais satisfatórios.
Agradecimentos
Os autores agradecem à empresa MK Química Brasil pela disponibilização da estrutura de laboratórios, matérias-primas e demais recursos para realização deste trabalho.
REFERÊNCIAS
1. EMEL, A.; KERIM, D.; AYSEGUL, K. A sample work on green manufacturing in textile industry. Sustainable Chemistry and Pharmacy, v. 3, p. 39-46, 2016.
2. HOLKAR, R. C.; JADHAV, J. A.; PINJARI, V. D.; MAHAMUNI, M. N.; PANDIT, B. A. A critical review on textile wastewater treatments: Possible approaches. Journal of Environmental Management, v. 182, p. 351-366, 2016.
3. COSTA, T. I.; FEITOR, M.; ALVES JUNIOR, C.; BEZERRA, C. Caracterização de filmes de poliéster modificados por plasma de O2 a baixa pressão. Matéria, v. 13, n.1, p.65-74, 2008.
4. ARROYO, M.; SANCHEZ-MONTERO, J.; SINISTERRA, J. V. Thermal stabilization of immobilized lipase B from Candida antarctica on different supports: Effect of water activity on enzymatic activity in organic media. Enzyme and Microbial Technology, v. 24, p. 3-12, 1999.
5. JAEGER, K.; RANSAC, S.; DIJKSTRA, B. W.; COLSON, C.; VAN, H. M.; MISSET, O. Bacterial lipases. FEMS Microbiology Reviews, v. 15, n.1, p. 29-63, 1994.
6. PELLIS, A.; ACERO, E. H.; WEBER, H.; OBERSRIEBNIG, M.; BREINBAUER, R.; SREBOTNIK, E.; GUEBITZ, G. M. Biocatalyzed approach for the surface functionalization of poly(L-lactic acid) films using hydrolytic enzyme. Biotechnol. J., v.10, n.11, p.1739-1749, 2015.
7. KISNER, A.; RAINERT, K. T.; FERRARI, F.; NAU, C. T.; BARCELLOS, I. O.; PEZZIN, S. H.; ANDREAUS, J. Chemical functionalization of polyamide 6.6 fabrics. Reactive & Functional Polymers, v. 73, n.10, p.1349-1356, 2013.
8. GRISHANOV, S. Structure and properties of textile materials. Em Handbook of Textile and Industrial Dyeing CLARK, M.(Ed). Woodhead Publishing Series in Textiles; 2011, p. 28-63.
9. VARMA, I. K.; ALBERTSSON, A.-C.; RAJKHOWA, R., SRIVASTAVA, R. K. Enzyme catalyzed synthesis of polyesters. Progress in Polymer Science, v. 30, n.10, p. 949-981, 2005.
10. VERTOMMEN, M. A.; NIERSTRASZ, V. A.; VEER, M.; WARMOESKERKEN, M. M. Enzymatic surface modification of poly(ethylene terephtalate. J. Biotechnol., v. 120, n.4, p. 376-386, 2005.
11. OXFORD INSTRUMENTS. (2017). OXFORD INSTRUMENTS. Acesso em 11 de Maio de 2017, disponível em https://www.oxford- instruments.jp/OxfordInstruments/media/industrial-analysis/magnetic-resonance- pdfs/Measurement-of-Spin-Finish-on-Artificial-Fibre-using-the-Weighing-and-Non-Weighing-Methods.pdf
12. CARNEIRO, A. F. Estabilização de Enzimas para Modificação de fibras sintéticas. 2003, 77 p. Dissertação de mestrado, em Tecnologias de Fabricação, Escola de Engenharia da Universidade do Minho, Portugal.
13. WU, J.; CAI, G; LIU, J.; GE, H.; WANG, J. Eco-friendly surface modification on polyester fabrics by esterase treatment. Applied Surface Science, v. 295, p. 150-157, 2014.
14. KANELLI, M.; VASILAKOS, S.; LADAS, S.; SYMIANAKIS, E.;
CHRISTAKOPOULOS, P.; TOPAKAS, E. Surface modification of polyamide 6.6 fibers by enzymatic hydrolysis. Process Biochemistry, v. 59, p. 97-103, 2017.
EVALUATION OF THE EFFECT OF ENZYMATIC HYDROLYSIS ON THE PROPERTIES OF POLYESTER TEXTILE FIBERS
ABSTRACT
This work has investigated the potential of enzymatic hydrolysis as treatment
of polyester textile fibers using 1.0, 0.5 and 2 g.L-1 solutions of lipolytic enzymes. Properties of the polyester fibers like: tensile strength at rupture, removed oil content,
mass loss after treatment, reflectance of dyed fiber, color fastness to wash and color
fastness to rubbing of the dyed fiber were evaluated in comparison to the alkaline
treatment. In relation to the treatment with caustic soda, the enzymatic treatment with
1g.L-1 of enzymes resulted in an increase in mechanical tensile strength of 18% in
the weft direction and 4% in the warp direction and the mass loss decreased around 60%. The treatment of the polyester fiber with lipase enzyme has satisfactorily removed oil of the fiber and the amount of dye used in the dyeing promoted an increase in color yield of 16%.
