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Cuaderno Nº 16  

Biotecnología aplicada a la industria textil
 

La industria textil, de la antigüedad a la biotecnología moderna

El uso de hilos y tejidos tiene una larga historia. El uso del lino se remonta a la Edad de Piedra en Europa meridional, en el Norte de Europa se empleó la lana desde la Edad de Bronce, y la seda originaria de China se fabrica hace más de 5000 años. Mucho tiempo después, desde el siglo XVIII, con la revolución industrial y la invención de la máquina de vapor, se comenzaron a fabricar y confeccionar telas a gran escala.

En la actualidad, la industria textil está constituida por subsectores diferentes aunque interrelacionados, que producen, desde las fibras hasta productos para el hogar. 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 tintes y otros compuestos químicos (ácidos, bases, sales, agentes humectantes, colorantes), cuyos productos son desechados en los efluentes, y pueden impactar en el ambiente.

Por esto, uno de los objetivos de los tratamientos textiles modernos es obtener el efecto deseado en las fibras, utilizando procesos que conlleven el mínimo impacto ambiental. Dentro de este contexto, se comenzaron a utilizar diversos procesos biotecnológicos, mediante el empleo de enzimas.  Éstas 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.

Esquema de empleo de biotecnología en procesos industriales
Adaptado de http://www.enq.ufsc.br/labs/probio/disc_eng_bioq/
trabalhos_pos2004/textil/introducao.htm
 

Uso de enzimas en la industria textil
En términos del proceso de fabricación, la industria textil puede dividirse en cuatro etapas principales: 1) producción de la hebra; 2) hilado, tejido; 3) acabado de los tejidos; y 4) fabricación del producto 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 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 el siguiente esquema, 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.

 

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* Stone wash: Tipo de lavado industrial utilizando piedras que le da al material un aspecto “usado” o “gastado”.

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), 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.
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
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 (que degradan esta sustancia) son utilizadas en el lavado alcalino del algodón. Numerosos estudios realizados muestran 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 su posterior utilización.

CATALASAS
En la industria textil la catalasa es utilizada para descomponer en oxígeno y agua el peróxido de hidrógeno (H202) residual después del blanqueo de las fibras de algodón. La remoción de este producto 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 produce 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 el proceso convencional, 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.

CELULASAS
Las fibras 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 microfibrillas) haciendo a los tejidos más lisos y blandos.
También son usadas para producir la apariencia “stonewashed” en los jeans. Tradicionalmente esta apariencia en los tejidos Denim (nombre de la tela con que se realizan los jeans) es otorgada por un proceso que utiliza piedra-pómez para desgastar el color localmente por roce. Este proceso presenta 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 causa gran degradación de la fibra como la piedra-pómez y el desgaste es más uniforme.
Las celulasas son utilizadas juntamente con las piedras o sustituyéndolas totalmente.
El procedimiento general para su aplicación consiste en:

introducción de los artículos de celulosa en la máquina
ajuste de las condiciones del baño de tratamiento con pH entre 5,5 y 8,0 y temperaturas de 50 a 60ºC
adición de la enzima y control de las condiciones de reacción (tiempo, temperatura, pH y agitación mecánica)
interrupción de la actuación de la enzima: agregando carbonato de sodio y/o aumentando la temperatura hasta 80ºC durante 10 minutos

Al culminar este proceso, se suele realizar un tratamiento de limpieza 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 blusas y faldas, porque el proceso enzimático les otorga una textura aterciopelada similar a la seda natural.
 
LACASAS
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.

Uso de enzimas en el tratamiento de efluentes

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 bioprocesamiento de fibras naturales, mientras que otras son fundamentales en el tratamiento de efluentes derivados de esos procesos (ver Cuaderno Nº 36 y 46).
La industria textil es una de las mayores productoras de efluentes líquidos, los cuales son tóxicos, contienen productos no biodegradables y también resistentes a la destrucción por métodos de tratamiento físico-químico. Los efluentes textiles poseen un elevado contenido de colorantes (10-15% de los colorantes no fijados son enviados al río) y aditivos que generalmente son compuestos orgánicos de estructuras complejas, no biodegradables.
Las enzimas aplicadas en la industria textil deben producirse a bajo costo, ser estables en las condiciones de pH y temperatura en que se realizan los tratamientos textiles, y de uso y manipulación segura. En esto, la biotecnología moderna juega un rol importante al producir enzimas recombinantes a gran escala por fermentación de microorganismos cuyo cultivo es conocido y controlado. Por ejemplo, existen enzimas alfa amilasa y lipasas y celulasas obtenidas a partir de microorganismos recombinantes (ver cuaderno Nº 73).
Actualmente, son estudiadas nuevas alternativas que utilizan microorganismos capaces de degradar de manera eficiente un gran número de contaminantes a un bajo costo operacional para el adecuado tratamiento de efluentes textiles. Un ejemplo es el Bacillus subtillis  que fue adaptado a un medio de cultivo artificial para biodegradar colorantes del tipo "azo" bajo condiciones anóxicas (con deficiencia de oxígeno). Estas bacterias utilizan el nitrato o nitrito como aceptor final de electrones, posibilitando la oxidación biológica de colorantes "azo”. También se utilizan bacterias, como Pseudomonas sp y Sphingomonas sp, particularmente útiles en la degradación de azo-colorantes.

Los hongos de descomposición blanca, como Phanerochaete chrysosporium, Pleorotus ostreatus, Trametes versicolor, Trametes hirsuta, Coriolus versicolor, Pycnoporus sanguineus, Pycnoporus cinnabarinus, Phlebia tremellosa, Neurospora crassa y Geotrichum candidum, son conocidos por degradar varios tipos de colorantes textiles. Estos hongos poseen la capacidad de mineralizar, además de la lignina, una variedad de contaminantes resistentes a la degradación. Esta característica se debe a la acción de las enzimas peroxidasas y lacasas  producidas por ellos.

 
 

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