i. introducción - FCBI - Universidad de los Llanos

i. introducción - FCBI - Universidad de los Llanos

Tecnología Para El Acabado De Tela Jean Usando Enzimas Lacasas: Una Revisión
Elsa Sulay Mora Muñoz
Astrid Stefanía Duarte Trujillo
Julio Amilcar Pineda Insuasti
Universidad de Los Llanos (UNILLANOS)
Pablo Marcelo Puente Carrera
Villavicencio, Colombia
José María Huaca Pinchao
Carlos Alfonso Santillán de la Torre
Rubén Darío Guzmán Torres
Facultad de Ingeniería en Ciencias
Aplicadas (FICA)
Ingenio Azucarero del Norte (IANCEM)
Ibarra, Ecuador
Universidad Técnica del Norte (UTN)
Ibarra, Ecuador
Nelson Homero Vaca Vásquez
Nelson Francisco Santiago Vispo
Centro Ecuatoriano de Biotecnología y
Ambiente (CEBA)
Universidad Yachay Tech
Ibarra, Ecuador
Urcuquí, Ecuador
Resumen. Las tecnologías enzimáticas
aplicadas a la industria textil son viables en
términos ambientales. Las enzimas lacasas y
peroxidasas son de especial interés porque
son capaces de iniciar la oxidación del índico
en los procesos de acabado de los jeans. Solo
dos autores han aplicado esas enzimas para el
blanqueo del denim, a pesar de que haya
investigaciones
que
demuestran
la
bioactividad de los microorganismos y de sus
metabolitos en el tinte índigo. Se evidencia
un problema de escalado, que impide el
empleo de estas enzimas a escala industrial.
Palabras
clave:
biotextil,
biopulido, biodiversidad
enzimas,
Abstract. Enzymatic technologies applied to
the textile industry is viable in environmental
parameters. Laccases and peroxidases are of
special interest because they are able to
initiate oxidation of indigo in the finishing
process of jeans. Only two authors have
applied these enzymes to fading of denim
although there are researches that prove the
bioactivity of the microorganisms and their
metabolites on the indigo dye. Therefore
inefficient scaling limit the implementing of
laccases to the production process of jeans.
Keywords: bio-textile, enzymes, biopolish,
biodiversity
I. INTRODUCCIÓN
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 [1]. En el Ecuador la
industria textil tiene gran impacto
socioeconómico porque genera 50 000
empleos directos y 200 000 indirectos,
llegando a ser el segundo sector
manufacturero que más mano de obra
emplea, después del sector de alimentos,
bebidas y tabacos. Las provincias con mayor
número de industrias dedicadas a esta
actividad son: Pichincha, Imbabura,
Tungurahua, Azuay y Guayas [2].
La
industria
textil
se
clasifica
principalmente en tres categorías: Fibras de
celulosa (algodón, rayón, lino, ramio,
cáñamo y lyocell), fibras de proteínas (lana,
angora, mohair, cachemira y seda) y fibras
sintéticas (Poliéster, nylon, spandex, acetato,
acrílico, Ingeo y polipropileno) [3]. En las
diferentes etapas de cada categoría se emplea
una amplia variedad de tintes y otros
compuestos químicos como ácidos, bases,
sales, agentes humectantes, fijadores,
desengomantes,
entre
otros,
cuyos
remanentes salen en el agua residual,
impactando negativamente el medio
ambiente [1], [2], [4]. El tipo de tintes y
productos químicos varían de acuerdo con el
tipo de telas a fabricar. Algunos de los
colorantes utilizados para teñir fibras de
celulosa son los colorantes reactivos
(Remazol, Procion MX, Cibacron F), los
directos (congo rojo, amarillo directo50 y
marrón direct 116), los tintes de naftol
(rápido amarillo GC, escarlata rápida R, azul
rápido B) y añiles (añil blanco, púrpura de
Tiro e índigo carmín)[5], [6].Los tintes índigo
son empleados comúnmente para teñir los
jeans y los derivados del denim,
produciéndose cerca de 80 mil toneladas por
año [7], lo que corresponde alrededor del
11% del mercado mundial de tintes textiles
[3].
Los jeans y productos del denim, por lo
general son sometidos a procesos de
envejecido, que constan de macerado de las
telas con piedras, lo que se denomina Stonewash, y desteñido del color índigo [8]. Los
procesos convencionales de desteñido
emplean por lo general químicos como cloro
y peróxido de hidrógeno, que resultan
contaminantes persistentes al verterse en las
aguas residuales a las fuentes hídrica. Los
tratamientos de textiles modernos ofrecen
alternativas de desteñido de telas mediante el
uso de enzimas, las cuales resultan amigables
con el medio ambiente (debido a que son
biodegradables) y actúan sobre moléculas
específicas [1]. Sin embargo, el uso de esta
tecnología enzimática no está muy difundido
a nivel industrial, por tanto es necesario
analizar minuciosamente el sector para
identificar las limitaciones que permiten su
implementación a gran escala. El objetivo de
este trabajo es describir los avances en la
ingeniería enzimática aplicada al desteñido
textil mediante una amplia búsqueda
bibliográfica que permita identificar las
limitaciones tecnológicas que impiden su
implementación a nivel industrial.
II.
EL DENIM
Los jeans son una prenda de vestir universal,
atemporal y vigente. Empleados por la
mayoría de las personas sin distinción de
género, rango etario y clase social. No sólo es
un textil sino un fenómeno social que ha
resistido revoluciones sociales, crisis
económicas y guerras mundiales. Además,
tuvo y tiene diferentes significados, desde ser
un símbolo de explotación de los obreros o de
protesta hippie, hasta un fetiche de la
industria de la moda, y finalmente, la prenda
más accesible, básica y común a todas las
sociedades. Los jeans se elaboran con un
tejido de algodón resistente llamado denim o
mezclilla [9]. La tela denim se empleó
inicialmente para fabricar tiendas de acampar
y toldos de carretas; ya en 1853 Levi Strauss
y su cuñado David Stern abrieron su primera
tienda de ropa, donde empezaron a vender
pantalones de denim por pedido. En un
principio los jeans eran sencillos y de color
marrón, luego incursionaron en los
pantalones azules y agregaron remaches en
las zonas de mayor tensión. Para el año 1873
recibieron la patente No. 139.121, naciendo
la primera marca de jeans, que recibió el
nombre de Levi Strauss & Co. A partir de
entonces, se siguieron desarrollando
tecnologías de producción, estilos de
pantalones denim (entubados, bota ancha…)
y colores; luego se incursionó en el uso de
esta tela para elaboración de otras prendas de
vestir como chaquetas, sombreros y blusas
[10], [11].
III.
LOS TINTES ÍNDIGO
El color índigo (2,2´-bis-índigo), (CI Vat
Blue I) o índigo tina, con fórmula química
C12H10O2N2 según figura 1, es un polvo
cristalino azul oscuro [12], [13], cuyo punto
de fusión está está entre 390 a 392°C. Es
soluble en cloroformo, nitrobenceno o ácido
sulfúrico
concentrado,
presentando
coloración azul en solución, e insoluble en
agua, alcohol o éter, presentándose como un
monómero [14]. Junto con los sulfurosos
representan alrededor del 31% del mercado
mundial de colorantes industriales [15]. Su
estructura es aromática con anillos aril, los
cuales tienen electrones deslocalizados
capaces
de
absorber
radiación
electromagnética de diferentes longitudes de
onda, siendo los responsables de la
coloración característica. Estos anillos aril
reciben el nombre de grupos cromóforos y
consisten de un simple doble enlace entre
carbonos substituidos por dos donadores NH
y dos aceptores CO [16], [17].
Fig. 1. Molécula de índigo (a) y molécula de
índigo carmín (b) (Quintero & Cardona,
2010)
El índigo se obtiene naturalmente de
la savia del arbusto Indigofera tinctoria. Su
producción comercial por vías sintéticas
inició en 1897 a partir de anhídrido ftálico,
pero en 1901 empezó a emplearse la anilina
como materia prima, por ser más económico.
En el proceso inicial utilizado para producir
índigo a partir de anilina, se hacía reaccionar
durante 5-6 h en una atmósfera inerte para
formar indoxilo. Finalmente, el indoxilo se
oxida con el aire a 80-90°C para formar
índigo y se purifica [17],. Tras sulfonación
del índigo se obtiene el índigo carmín (ver
figura 1), que también es otro colorante de
tina ampliamente utilizado [19].
A. Mecanismos de fijación del índigo a las
telas
El índigo se fija a los textiles durante el teñido
mediante óxido-reducción compleja debido a
su insolubilidad en agua y a la no afinidad con
las fibras celulosas. Puede ser reducido por
agentes como el ditionito de sodio (Na2S2O4),
la hidroxiacetona, el hidrógeno o por
métodos electroquímicos en medio alcalino
alto (pH 11-14) [20]. El agente reductor dona
hidrógenos para sustraer el oxígeno o
adicionar electrones al índigo, ahí es oxidado.
El índigo reducido, en forma de anión leuco
enolato, solubilizarse en agua (de modo que
la solución se aclara), aumentar su afinidad
por la celulosa y entrar a los espacios abiertos
de las fibras del textil. Mientras se seca el
textil, el índigo se oxida por el oxígeno del
aire y retorna a su forma insoluble, pero sin
desprenderse de las fibras por los enlaces
mecánicos establecidos. Sólo se desprende el
tinte que no fue fijado [17]. Después del
teñido se realiza una reacción de oxidación
con peróxido de hidrógeno u oxígeno
atmosférico a pH alto para remover el exceso
de reactantes. Posterior a la oxidación, los
Reducción
Oxidación
Índigo
Hidrólisis
Forma insoluble
Forma soluble
Fig. 2. Reacción redox del índigo en el proceso de teñido de textiles.
con ácido cloroacético a una temperatura de
100°C para formar n-fenilglicina. Hacia 1920
la ruta se cambió por la reacción de anilina
con formaldehído (CH2O), cianuro de
hidrógeno
(HCN),
álcali
cáustico
(KOH/NaOH) y agua [18]. La n-fenilglicina
producida se fusiona con sodamida (NaNH2)
y álcali cáustico (KOH / NaOH) 220°C
tintes tina se someten a tratamiento térmico
en una solución alcalina proporcionada por
detergentes para obtener el textil final, según
figura 2 [20].
B. Degradación del índigo en el denim
Se reportan métodos de decoloración
innovadores como el uso de plasmas de baja
temperatura y cátodos en campos magnéticos
(Ghoranneviss et al., 2007; 2006); contacto
con un gas o vapor oxidante en presencia de
humedad [22]; ciclos de lavado con
detergente y emulsionante, aclarado con
agua, blanqueo con cloro y un suavizante de
tejidos del tipo amonio cuaternario, aclarado
y adición de suavizante [23]; contacto con un
agente reductor en solución o inmovilizado
en piedras absorbentes [24]; sumergimiento
en ácido hipocloroso [25]; lavado en ciclos
con permanganato de potasio, aclarado con
agua, y neutralización con un monodentado o
multidentado agente quelante de ácido
carboxílico o sal o combinación de los
mismos con peróxido de hidrógeno [26];
entre otros, que suelen ser costosos,
contaminantes y degradan las telas.
La degradación enzimática del colorante
en exceso resulta más favorable en términos
de impacto ambiental y degradación de las
telas, ya que las enzimas son biodegradables,
actúan de forma específica y se pueden
inactivar fácilmente para evitar su acción
prolongada sobre el denim. Las lacasas son
enzimas capaces de decolorar el índigo, por
tanto son apropiadas para emplearse en los
procesos de acabado del denim en compañía
de un mediador en medio acuoso. La lacasa
oxida al mediador generando radicales libres
que a su vez oxidan el índigo [27], [28]. Se ha
determinado por microscopia electrónica de
barrido que la combinación de las lacasas
con celulasas ayudan a mejorar la
luminosidad y disminuir manchas [28]. Las
peroxidasas como Manganeso-peroxidasa y
lignin-peroxidasa, son también enzimas
capaces de degradar el índigo, por su
actividad inespecífica sobre compuestos de
estructura polifenólica. A diferencia de las
lacasas, requieren de peróxido de hidrógeno
para iniciar la reacción de oxidación [29].
Estudios adicionales han demostrado que
estas enzimas que decoloran el denim pueden
ser producidas por bacterias como Bacillus
spp [30], Paenibacillus larvae [31],
Scytalidium
thermophilum
[32],
γ-
Proteobacterium y hongos de pudrición
blanca como Trametes hirsuta, Sclerotium
rolfsii
[33],
Coprinopsis
cinérea,
Gongronella sp [34], Corilopsis rigida [35],
Ceriporiopsis subvermispora [36], Pleurotus
spp [37], Phanerochaete chrysosporium [38],
Piptoporus betulinus, Trametes versicolor
[39].
C. Mecanismos de degradación del índigo
Estudios han demostrado que los principales
metabolitos de degradación del índigo carmín
son la isatina y el ácido sulfónico isatina,
generados después de la ruptura del doble
enlace C=C y la formación del grupo
cetónico C=O a través de vías oxidativas. Sin
embargo, bacterias como Bacillus sp.
generan un efecto contrario, mediante
reducción de los enlaces C=C y C=O a –CH
para la producción del ácido sulfónico
indolina, como metabolito de degradación
según muestra la figura 3 [30]. La indolina y
sus derivados tales como el ácido indolina-2carboxílico, pentopril e isonicotinamida han
sido objeto de interés para los químicos
orgánicos sintéticos por su uso potencial en la
industria farmacéutica [40].
La relación molar entre el índigo y el oxígeno
molecular es de 1. Según la figura 4, el primer
producto formado es el dehidroíndigo (leíble
a 440 nm), un compuesto fácilmente atacado
por nucleófilos como el agua que le incorpora
átomos de oxígeno [33]. La actividad
catalítica de las lacasas implica una oxidación
mediante abstracción de cuatro electrones
desde el sustrato para reducir el oxígeno
molecular a agua y oxidar el índigo a isatina.
A partir de allí sigue una hidrólisis sin
mediación de la enzima. Como producto
intermedio se forma el ácido isático, que es
inestable y se descompone espontáneamente
a través de la descarboxilación produciendo
ácido antranílico como el producto de
degradación final [33], [40].
Oxidación
Isatina
Indigo carmín
Ácido sulfónico isatina
Reducción
Ácido sulfónico indolina
Indigo carmín
Fig. 4. Mecanismos de degradación del índigo carmín [30].
Dehidroíndigo
Isatina
Ácido isático
Ácido antranílico
Fig. 3. Degradación del índigo vía oxidativa paso a paso [33]
Varios factores pueden influir en la velocidad
global de la degradación enzimática de índigo
tales como fenómenos de adsorción,
limitaciones de transporte y la accesibilidad y
potencial redox de la enzima y el sustrato
[33].
IV. CONCLUSIONES
El uso de enzimas ligninolíticas en los
procesos de acabado del denim, constituyen
una alternativa amigable con el medio
ambiente y eficiente, que ha sido muy poco
explotado. Sólo se reportan dos trabajos que
hablen del empleo de lacasas en la industria
del denim; el resto de investigación son más
básicas, es decir,
que sólo emplean el
microorganismo o su s enzimas para actuar
sobre una solución coloreada con índigo, o
sobre el colorante puro. Por tanto, las
investigaciones son poco aplicadas ya que
se quedan exclusivamente a escala
laboratorio, evidenciándose que la limitación
tecnológica de la tecnología enzimática para
la decoloración del denim en los procesos de
envejecido es la falta de escalado de la
bioprospección
realizada
a
los
microorganismos potenciales.
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