Bài viết dưới đây giới thiệu một cách tổng quan các nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau về công nghệ sinh học có thể áp dụng trong công nghiệp dệt để có được các sản phẩm chất lượng
Trang 1(H2N2)-Trong bối cảnh toàn cầu hóa về thương mại như hiện nay, mối quan tâm ưu tiên của
các nhà sản xuất cũng như người tiêu dùng toàn cầu đang thay đổi mạnh mẽ Trong sự cạnh tranh toàn cầu, chất lượng và các qui trình xử lý, sản xuất thân thiện với môi trường có một vai trò quan trọng
Bài viết dưới đây giới thiệu một cách tổng quan các nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau
về công nghệ sinh học có thể áp dụng trong công nghiệp dệt để có được các sản phẩm chất lượng qua quá trình xử lý thân thiện môi trường Các tiến bộ trong lĩnh vực sản xuất và biến tính xơ, việc sử dụng các loại enzyme khác nhau trong xử lý dệt và việc quản lý chất thải dệt bằng cách sử dụng công nghệ sinh học cũng được đề cập đến
1 Giới thiệu chung
Công nghiệp dệt đang đối mặt với các thách thức về vấn đề chất lượng và hiệu quả do vấn đề toàn cầu hóa của thị trường thế giới Khi áp lực cạnh tranh ngày càng lớn và giới hạn sinh thái trở nên chặt chẽ hơn thì ý thức về chất lượng và sinh thái trở thành mối quan tâm chính của các cơ sở gia công dệt Điều này tạo nên sự tiến bộ và thay đổi trong quá trình gia công Kết quả là các chiến lược nghiên cứu và phát triển của các nhà gia công dệt sẽ được tập trung cao hơn và sẽ tác động đến nhiều thay đổi trong công nghiệp dệt Công nghệ sinh học là một lĩnh vực mà đang làm thay đổi việc gia công theo truyền thống sang việc gia công thân thiện với môi trường trong ngành dệt
Trang 2
Công nghệ sinh học là một ứng dụng của các sinh vật sống và thành phần của chúng trong sản xuất và gia công công nghiệp Vào năm 1981, Hiệp hội công nghệ sinh học châu Âu đã định nghĩa công nghệ sinh học là sự sử dụng kết hợp các nghiên cứu của sinh hóa, vi trùng học, và kỹ thuật hóa học để đạt được ứng dụng công nghệ về khả năng của vi khuẩn và các tế bào nuôi cấy mô Công nghệ sinh học cũng đã có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp dệt, đặc biệt trong quá trình xử lý dệt và quản lý dòng thải Sự hiểu biết, mong muốn cho vải có chất lượng tốt hơn và nhận thức về các vấn đề môi trường là hai hướng quan trọng cho công nghiệp dệt thông qua công nghệ sinh học trong các lĩnh vực khác nhau của chúng
2 Công nghệ sinh học trong gia công dệt
Các lĩnh vực ứng dụng chính của công nghệ sinh học trong công nghiệp dệt được chỉ ra dưới đây:
- Cải tiến nhiều loại cây được sử dụng trong sản xuất xơ dệt và trong các tính chất của xơ;
- Cải thiện xơ lấy từ động vật;
- Tạo ra các xơ mới từ polyme sinh học và từ vi sinh học biến đổi di truyền;
- Thay thế quá trình xử lý sử dụng các hóa chất độc hại và yêu cầu năng lượng bằng quá trình
xử lý enzyme trong gia công dệt;
- Các hướng thân thiện môi trường cho chất trợ dệt;
- Sử dụng các enzyme mới trong xử lý hoàn tất dệt;
- Phát triển các chất tẩy rửa trên cơ sở enzyme năng lượng thấp;
Trang 3
- Các công cụ chuẩn đoán mới để phát hiện sự pha trộn và kiểm soát chất lượng vật liệu dệt;
- Quản lý chất thải
3 Cải thiện xơ tự nhiên
Công nghệ sinh học có thể có vai trò quyết định trong sản xuất xơ tự nhiên với các tính chất được cải thiện và biến đổi bên cạnh việc cung cấp các cơ hội cho sự phát triển của các
nguyên liệu polyme mới Các xơ tự nhiên đang được nghiên cứu là bông, len và tơ
3.1 Bông
Bông tiếp tục chiếm ưu thế trong thị trường xơ tự nhiên Nó có tiềm năng kinh tế và kỹ thuật lớn nhất cho việc biến đổi bởi các phương tiện công nghệ Các nghiên cứu kỹ thuật di truyền học trên cây bông để giải quyết các vấn đề chính liên quan trồng bông, đó là cải thiện khả năng kháng sâu bọ, bệnh tật, thuốc diệt cỏ, giúp cải thiện chất lượng và năng suất cao hơn; còn cách tiếp cận dài hạn của việc phát triển xơ bông với việc thay đổi tính chất như là cải thiện độ bền, chiều dài, ngoại quan, độ chín và mầu sắc
3.2 Bông biến đổi gen
Mỗi năm, hàng nghìn giờ nghiên cứu và hàng trăm nghìn đô la đã được tiêu cho việc bảo vệ bông khỏi sâu bướm Những người trồng bông cố gắng tìm tòi để sản xuất một sản phẩm có thể bán được khi sử dụng pheromones (loại hormones giao phối của sâu bọ) Việc sử dụng quá mức thuốc trừ sâu đe dọa nghiệm trọng cho hình ảnh mầu xanh của bông Sau nhiều năm nghiên cứu, một loại công cụ hoàn toàn mới đã được hoàn thiện cho những người trồng bông tránh được sâu bông hồng, một trong những loài phá hoại chính của cây bông
Trang 4
Khoảng mười năm trước, tại Monsanto, một công ty hóa chất toàn cầu, các nhà khoa học đã thu được một gen độc từ các vi khuẩn ở đất được gọi là BT (Tên gọi tắt của Bacillus
Thuingiensis) và đưa nó vào cây bông để tạo một loài chống lại sâu bướm Gen là một DNA giúp sản xuất các protein độc Độc tính sẽ giết sâu bướm bằng cách làm tê liệt hệ tiêu hóa của sâu bướm khi chúng ăn phải chất độc này Các cây có gen độc BT sẽ tự sản sinh ra chất độc
và do đó có thể giết sâu bướm ở tất cả các mùa mà không cần phun thuốc trừ sâu Bởi vì chất độc làm chết sâu bướm nhưng không có hại tới các tổ chức khác nên nó an toàn cho con người
và môi trường
Monsanto đã đăng ký công nghệ gen BT của họ cho bông biến đổi gen dưới nhãn hiện thương mại là Bollgard và các công ty hạt giống được lựa chọn ủy quyền để phát triển các loại bông mang gen đã được cấp bản quyền Ổn định hơn, bền vững hơn, và hiệu quả hơn, các loại gen
BT đang được phát triển để ngăn chặn các loại sâu đo và các loại sâu khác trên cây bông Việc chống lại sâu bệnh vẫn đang được phát triển theo hướng sử dụng một tổ chức gen gây tổn thương có khả năng phát ra một liều lượng độc tố lớn nhưng khoanh vùng ở mức độ cao trong vòng 30-40 giây khi côn trùng cắn
3.3 Bông mầu
Việc phát triển xơ có chứa ánh màu mong muốn trong các màu đậm và bền màu có thể thay đổi bộ mặt của toàn thể ngành công nghiệp xử lý Bông mầu đang được sản xuất không chỉ
Trang 5bởi theo cách lựa chọn di truyền thông thường mà còn bởi kỹ thuật DNA trực tiếp Mặc dù có thể làm thay đổi mầu tự nhiên của bông bằng các phương pháp gây giống truyền thống nhưng không thể tạo được mầu xanh lơ bằng các cách này Do mầu xanh lơ được yêu cầu nhiều trong công nghiệp dệt, đặc biệt cho các sản phẩm jean nên cần sử dụng các thuốc nhuộm vải tổng hợp
Tuy nhiên, thành phần của các thuốc nhuộm tổng hợp này thường độc hại và chất thải của chúng gây ô nhiễm môi trường Hơn nữa, mất rất nhiều thời gian và năng lượng để xử lý chúng trên vải Bông mầu xanh lơ tự nhiên sẽ không có sự bất lợi này do đó sẽ có tiềm năng thương mại lớn Công ty Monsanto hy vọng sẽ sớm có được bông mang mầu xanh lơ có giá trị thương mại
3.4 Bông lai
Một đột phá chính khác là khả năng sản xuất bông có chứa polyeste tự nhiên bên trong lõi rỗng của xơ, chẳng hạn như polyhydroxybutyrat (PHB), do đó sẽ tạo ra xơ polyeste/bông tự nhiên Đã đạt được hàm lượng polyeste khoảng 1% và tăng lên 8 -9% trong xử lý nhiệt các loại vải dệt từ các loại sợi này Các polyme sinh học khác bao gồm các protein, có thể cũng được đưa vào bên trong lõi bông theo cách tương tự
Các xơ này sẽ được “sản xuất theo phương pháp may đo” đúng với nhu cầu cần thiết của công nghiệp dệt Các đặc tính mới có thể bao gồm tăng độ bền xơ, tăng khả năng nhuộm, cải thiện
sự ổn định kích thước, giảm xu hướng co và nhàu, thay đổi tính hút nước Độ bền cao sẽ cho phép tốc độ kéo sợi cao hơn và cải thiện độ bền sau khi xử lý chống nhăn Hoạt tính được cải thiện sẽ cho phép sử dụng thuốc nhuộm hiệu quả hơn Do đó giảm được lượng mầu trong dòng thải Để giảm chất thải phát sinh trong công đoạn nấu và tẩy, các xơ sẽ có ít chất pectin
và chất sáp hơn và chứa các enzyme có thể phân hủy vi sinh các chất gây ô nhiễm môi trường Các xơ này có thể được đặt trong các màng lọc nước nhiễm bẩn
4 Các xơ mới
Việc sử dụng công nghệ sinh học có khả năng kiểm soát và tính đặc hiệu trong việc tổng hợp polyme rất khó khăn, hoặc không có thể tổng hợp được trong các hệ thống hóa học Các nguyên liệu mới được sản xuất theo hướng sinh học tiến tiến sẽ là tương lai của ngành dệt
Trang 6
4.1 Các protein polyme
Các hệ thống sinh học có thể tổng hợp các chuỗi protein trong đó khối lượng phân tử, hóa học lập thể, cấu thành amino axit và trình tự được xác định về mặt di truyền học ở mức DNA Lĩnh vực nghiên cứu hiện nay là hiểu các đặc tính của protein polyme mang lại độ bền kéo giãn tốt, mođun cao và các tính năng thuận lợi khác Khi hiểu rõ các đặc trưng này thì các công cụ của công nghệ sinh học sẽ hoàn toàn có thể tạo ra các mô hình mới cho việc tổng hợp và sản xuất các protein polyme kỹ thuật Nếu chúng có thể thực hiện được dưới góc độ kinh tế thì các hướng mới này sẽ giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ và xa hơn nữa sẽ có thể sản xuất các loại nguyên liệu mà có thể phân hủy vi sinh Việc sử dụng các loại cây trồng biến đổi gen cho sản xuất qui mô lớn các protein polyme và các loại protein tổng hợp khác đang được khảo sát
Mọi nỗ lực trong việc tổng hợp sinh học đã được thực hiện theo hướng chuẩn bị các polymer được xác định cách chính xác ở ba dạng như sau:
(1) Các protein tự nhiên như tơ tằm, elastin, chất keo tụ, chất kết dính sinh học từ các loài động vật thân mềm dưới nước;
(2) Các dạng biến đổi của các polyme sinh học trên chẳng hạn như chu trình lặp được đơn giản hóa của protein tự nhiên
(3) Các protein tổng hợp được thiết kế từ ban đầu không có tính tương tự tự nhiên gần gũi
Mặc dù sự tổng hợp này đòi hỏi các vấn đề kỹ thuật lớn, nhưng các khó khăn này đã được khắc phục hoàn toàn trong những năm gần đây Cùng với việc sử dụng công nghệ này, người
ta đang tạo ra một loại hoàn toàn mới của các protein tổng hợp với các tính năng tiến bộ và biết đến như các nguyên liệu kỹ thuật sinh học
4.2 Tơ nhện
Trang 7
Tơ mạng nhện là một vật liệu kỹ thuật đa năng, có thể thực hiện cho một số chức năng yêu cầu Các tính chất cơ học của tơ mạng nhện vượt trội hơn hẳn nhiều loại xơ tổng hợp khác Tơ mạng nhện bền hơn thép ít nhất 5 lần, độ đàn hồi gấp hai lần nylon, không thấm nước và có khả năng kéo dãn Hơn nữa, nó thể hiện đặc điểm khác thường đó là độ bền kéo đứt thực tế tăng lên cùng với việc tăng của biến dạng
4.3 Các nguồn xơ mới khác
Còn có nhiều nữa các polyme sinh học mà đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng cho vệ sinh và băng bó vết thương, bao gồm xenlulo vi khuẩn và các polisaccarit như chất chitin, alginat, dextrin và hyaluronic axid Dưới đây là một vài loại trong nhóm này:
4.3.1 Các chitin và chitosan
Cả chitin và chitosan đều có thể tạo sợi bền Chitin được tìm thấy trong vỏ của loài giáp xác như cua, tôm hùm, tôm Tương tự như xenlulo, chitin gồm các phân tử polyme dài dạng thẳng
là glycan được nối tại vị trí beta 1-4 Nguyên tử carbon tại vị trí số 2 được tạo nhóm amin và acetyl Vải dệt từ chúng có tính kháng khuẩn và thích hợp cho các sản phẩm băng quấn vết thương và làm tất chống nấm Chitosan cũng có các ứng dụng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực hoàn tất vải bao gồm nhuộm và chống co cho len Nó còn có ích trong các hệ thống lọc và thu hồi kim loại quí, kim loại nặng và thuốc nhuộm từ nước thải
Vật liệu băng vết thương làm từ xơ canxi alginat được Courtaulds bán ra với tên thương mại là Sorbsan Hiện nay việc cung cấp các polysacarit này dựa trên chất chiết từ một số loài vi khuẩn Dextran, được sản xuất bởi quá trình lên men đường bằng vi khuẩn Leuconostoc
mesenteroide hoặc một vài loại vi khuẩn khác, đang được phát triển dưới dạng vật liệu không dệt cho các mục đích sử dụng đặc biệt chẳng hạn như làm vật liệu băng vết thương Các polyme sinh học ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và trở thành các mặt hàng thương mại trên thị trường
4.2.2 Xenlulo vi khuẩn
Trang 8
Xenlulo, sản xuất cho mục đích công nghiệp, thường có được từ các nguồn thực vật hoặc có thể được sản xuất bởi hoạt động của vi khuẩn Acetobacter xylinium là một trong những vi khuẩn quan trọng nhất cho sản xuất xenlulo có thể thực hiện được với số lượng lớn cho sản xuất công nghiệp Vi khuẩn Acebacter có khả năng tổng hợp xenlulo từ rất nhiều vật liệu
Xenlulo sản xuất bởi vi khuẩn Acebacter là chất hóa học tinh khiết không có chất gỗ (lignin) và hemixenlulo
Xenlulo được sản xuất như một polysaccarit ngoại bào theo dạng hình dây giống như trùng hợp,
có độ bền kéo giãn cao, tính chống xé rách và khả năng thấm nước tốt làm cho nó có tính khác biệt hẳn so với các dạng khác của xenlulo Xenlulo vi khuẩn này đang được công ty Sony Corporation sử dụng màng âm cho các thiết bị phát thanh Chúng còn được sử dụng trong sản xuất tấm vải từ xơ carbon hoạt tính dùng để hấp thụ khí độc Trong lĩnh vực y học, do tính thấm hút nước và các đặc tính cơ học của xenlulo vi khuẩn mà nó được sử dụng tạm thời thay thế cho da người hoặc dùng làm băng gạc để băng vết thương
4.2.3 Xơ ngô
Một loại xơ tổng hợp hoàn toàn mới chuyển hóa từ thực vật là Lactron Xơ ngô thân thiện môi trường này được liên kết phát triển bởi Kanebo Spinning và Kanebo Gohsen của Nhật
Lactron, loại xơ polylactic acid, được sản xuất từ a xít lactic thu được qua quá trình lên men của tinh bột ngô Độ bền kéo dãn và các đặc tính khác của Lactron có thể so sánh với các loại xơ hóa dầu chẳng hạn như nylon và polyeste Do nguyên liệu thích hợp với cơ thể con người nên
nó đang được sử dụng cho các ứng dụng bảo vệ sức khỏe và đồ dùng gia đình
Ngoài quần áo, công ty còn thúc đẩy các ứng dụng khác, ví dụ như các ứng dụng trong xây dựng, nông nghiệp, sản xuất giấy, bọc ghế xe ô tô, và các ứng dụng trong gia đình Năng lượng yêu cầu cho sản xuất xơ ngô thấp và xơ có khả năng thoái biến sinh học Hơn nữa, không có khí độc tạo ra khi đốt xơ và lượng calo yêu cầu cho đốt cháy chỉ bằng 1/3 hoặc 1/2 yêu cầu cho polyethylen hoặc polypropylen Xơ phân hủy một cách an toàn thành carbon dioxit, hidro và nước khi ở trong đất Lactron đang được sản xuất ở nhiều dạng chẳng hạn như vải dệt thoi, chỉ và vải không dệt
4.2.4 Xơ polyeste
Trang 9
Người ta biết từ năm 1926 rằng các polyeste nào đấy được tổng hợp và được làm đọng trong xenlulo ở dạng hạt bằng các vi khuẩn Một số trong các nguyên liệu này được tạo thành xơ Polyhydroxybutyrat (PHB) là một vật liệu trữ năng lượng được sản xuất bởi rất nhiều loại vi khuẩn trong sự đối phó lại với căng thẳng môi trường Xơ này được sản xuất thương mại từ loài
vi khuẩn Alcaligene eutrophus bởi công ty Zeneca Bioproducts và bán dưới tên thương mại là Biopol Do PHB có khả năng thoái biến sinh học, nên nó rất phù hợp cho việc sử dụng làm bao gói để giảm tác động của túi rác thải đến môi trường Do vậy, nó được ứng dụng trong thương mại để làm các túi đựng đặc biệt Do có khả năng tương thích miễn dịch với mô con người nên PHB còn được ứng dụng làm kháng sinh, giải phóng thuốc, làm chỉ khâu và làm xương nhân tạo
4.2.5 Vải sinh học
Sự phát triển của các loại vải chống khuẩn đã được dựa trên ý tưởng của các loại vải hoạt hóa với các chất hóa học phản ứng để tác động tới các đặc tính mong muốn Tuy nhiên nghiên cứu gần đây nhất hướng đến việc sản xuất vải có chứa các dòng vi khuẩn và tế bào được biến đổi
di truyền để sản xuất các chất hóa học trong vải dệt, như vậy sẽ tạo ra các chất hóa học tự bổ xung trên vải Một dự án hợp tác giữa nhóm nghiên cứu khoa học dệt thuộc trường đại học tổng hợp Masachusett, Dartmouth và các kỹ sư sinh học tại trường y thuộc đại học Harvard đã quan tâm đến việc sản xuất một loại vải với các tính năng đặc biệt được gọi là vải sinh học Vải sinh học sẽ chứa các xơ có hoạt tính sinh học và môi trường sinh học được tạo nên ở dạng siêu nhỏ Các loại vải này sẽ có các tế bào và vi khuẩn được biến đổi di truyền được kết hợp chặt vào vải mà sẽ cho phép chúng sinh trưởng và thay thế các lớp phủ hóa học và các thành phần hoạt tính hóa học
Các ứng dụng ngách cho vải hoạt tính sinh học hiện có trong công nghiệp y tế và quốc phòng,
ví dụ như băng gạc giải phóng thuốc hoặc quần áo bảo vệ có bộ phận cảm biến tế bào có độ nhạy cảm cao, nhưng vải sinh học có thể tạo thành nền tảng cho dòng sản phẩm hoàn toàn mới trong các sản phẩm dân dụng cũng như tạo ra các loại vải khử mùi bằng vi khuẩn được biến đổi di truyền, vải tự làm sạch và vải liên tục tái tạo nước và chống bẩn
Để những hướng nghiên cứu trên thành công, các công nghệ sẽ phải được phát triển để tạo ra các dụng cụ siêu nhỏ có khả năng duy trì cuộc sống của tế bào hoặc vi khuẩn trong các chu
kỳ kéo dài, chịu được nhiệt độ, độ ẩm và tiếp xúc với tác nhân giặt cũng như chịu được kéo dãn
cơ học trên vải như độ kéo căng, vò nhàu và nén
Trang 10
5 Các enzym trong hoàn tất dệt
Lĩnh vực hoàn tất dệt đòi hỏi nhiều loại hóa chất khác nhau và có hại cho môi trường Thỉnh thoảng chúng có thể ảnh hưởng đến vật liệu dệt nếu không sử dụng hợp lý Để thay thế cho việc sử dụng các hóa chất như vậy chúng ta có thể sử dụng các enzym Việc hoàn tất quần áo denim đã có những tiến bộ vượt bậc từ khi áp dụng xử lý bằng enzym Các enzym rất đặc hiệu trong hoạt động khi chúng được sử dụng dưới các điều kiện yêu cầu Các công đoạn mà có thể
sử dụng enzym là rũ hồ, nấu, tẩy, giặt sinh học, chuội
Amylaza, pectinaza, và gluco oxidaza là các enzym được sử dụng cho công đoạn rũ hồ, nấu và tẩy trong công đoạn gia công chuẩn bị bằng enzyme Các mẫu được nấu với pectinaza sẽ ướt ngay lập tức và đồng đều Lượng keo pectin và các chất khác thải ra trong các mẫu nấu từ xử
lý theo cách cổ truyền và xử lý enzym được đo cùng với độ bền mẫu và chỉ số độ trắng Mẫu tẩy với gluco oxidaza đạt được chỉ số trắng là 15-20 và độ bền giảm ít Việc chuẩn bị theo cách truyền thống cho vải bông yêu cầu nhiều chất kiềm và do đó thải ra lượng lớn nước Thay thế cho xử lý này là sử dụng kết hợp các hệ thống enzym phù hợp Amyloglucosidaza, pectinazas
và gluco oxidaza đã được lựa chọn là tương thích với khoảng nhiệt độ và độ pH hoạt động của chúng Người ta đã phát triển một quá trình cho phép kết hợp hai hoặc ba bước chuẩn bị với một lượng tối thiểu hóa chất xử lý và nước sử dụng Người ta đã đánh giác các đặc tính như độ trắng, tính hút nước, khả năng nhuộm, độ bền căng của vải
Việc sử dụng xúc tác sinh học trong công nghiệp dệt là một lĩnh vực mới nhất trong xử lý bông Việc nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này được tập chung chủ yếu vào: Tối ưu hóa và tạo thông lệ sử dụng các enzyme kỹ thuật trong các quá trình đã được thiết lập trong công nghiệp dệt hiện nay; Chuẩn bị các công thức pha chế thuốc nhuộm, chất trợ và các hỗn hợp hóa chất tương thích với enzym; Tạo ra các đặc tính mới hoặc được cải thiện cho sản phẩm dệt bằng xử
lý enzym; Cung cấp các thuốc nhuộm, các chất trợ được sản xuất theo công nghệ sinh học, phù hợp cho sản xuất công nghiệp, và có thể có khả năng tổng hợp tại chỗ
6 Các vi khuẩn extremophil
Rất nhiều loại vi khuẩn có thể sống trong các điều kiện môi trường khác nhau và khắc nghiệt, chẳng hạn như trong môi trường nhiệt độ cao, trong điều kiện môi trường a xít và kiềm, trong môi trường muối Các vi khuẩn extremophil này sống tại các vùng khắc nghiệt nhất trên trái