Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/1822/9500

TítuloModification of cellulosic fibres using oxidoreductases
Autor(es)Kim, Suyeon
Orientador(es)Paulo, Artur Cavaco
Data25-Jun-2009
Resumo(s)Laccases catalyse the oxidation of various phenolic compounds resulting in the formation of dark brown and high molecular weight compounds. The process of laccase reaction with phenolic products generates the previous formation of o-quinones that are high reactive and able to polymerise, forming coloured high molecular weight compounds. This potentiality of laccase is subject of many researches leading to an increase of interest in new bio-polymers production, namely “environmentally friendly” processes. Enzyme catalysing processes are performed under milder condition requiring less chemical consumption than chemical processes. The coloured polymers enzymatically produced have been studied to introduce in the textile and cosmetic fields by means of colour coatings on fibres and hair. The main objective of this work is the surface modification of cellulosic fibres by means of polymer coating. The polymer production catalysed by laccase was studied using various phenolic substrates. The first attempt to produce suitable polymers was performed with catechol which was easily oxidised by laccase and showed dark colour appearence. In order to attach the polymers “in situ” onto cotton fabrics surface, the functionalisation was preceded. The aminisation was made with a reactive dye forming aromatic amine groups at the cellulose surface, therefore providing a higher ability for polymers coupling. Cotton fabrics coated with the new polymers presented a dark visible colour and high resistance to hydrolysis by cellulase. Non-toxic and non-harmful phenolic substrates such as flavonoids (rutin, morin and quercetin) were further introduced in the laccase reaction medium as potential products for lignocellulosic fabrics colouration. The optimum conditions for polymer production and colouration of fabrics were studied considering several reaction parameters. The level of mechanical agitation and incubation temperature were the decisive factors of colour absorption on fibres. Besides the incubation conditions, the interaction between flavonoids in the reaction medium and the natural flavonoids existing on fibres was also a positive factor proved by higher colour strength and colour resistance through scoured fabrics. Among the used flavonoids, rutin presented the lower polymerisation rate and poor affinity to the fabrics. When the two steps method was used, the polymers were intensively absorbed at high temperature (90°C) due to the enhancement of molecular vibrations both in fibres and in the components of flavonoid solution. The polymers synthesised from flavonoids applied to cotton fabrics showing a good washing fastness (4-5) when incubated at high temperature (90°C) and an excellent friction fastness (5) in all the reaction conditions used. Nevertheless, the weathering fastness was very poor (60% of colour vanishing after 64 hours of light exposure). The elimination of the bleaching step was positively proposed from the conventional textile processes leading to a decrease of pollutant effluents and cost saving. Finally, lignosulfonates were studied as phenolic substrates of laccase. Dynamic instrumental techniques were used to monitor the laccase functions on reaction medium and the physical and chemical substrate changes. The double function of laccase catalysis i.e. polymerisation and depolymerisation was confirmed by Zeta potential and UV-Vis spectrum analysis. The molecular weight increase caused by laccase polymerisation was confirmed by SEC/GPC analysis (MW increased 1700 Da). FT-IR analysis were also performed in order to monitor the structural changes occurred by enzymatic polymerisation. The colouration of flax fabrics with polymerised lignosulfonates was also carried out. The samples coloured with the new compounds, polymerised for 7 days, presented an increase of colour uptake, measured in terms of K/S. The obtained results propose a new concept of bio-polymer production and their practical application on lignocellulosic fibres modification. However, colour fastness is still a limitary factor to take into account on further industrial applications.
As lacases catalisam a polimerização de vários compostos fenólicos, dando origem à formação de compostos de cor castanha escura. A reacção das lacases com compostos fenólicos conduz à formação de o-quinonas, altamente reactivas com a possibilidade de polimerizarem, formando-se desta forma compostos corados de elevado peso molecular. Esta potencialidade das lacases tem sido tema de vários trabalhos de investigação, levando a um aumento do interesse na produção de novos bio-polímeros, nomeadamente no que diz respeito à sua utilização em processos “amigos do ambiente”. Os processos de catálise enzimática decorrem tipicamente em condições suaves, exigindo um menor consumo de produtos químicos, comparadamente com os processos por via química. A utilização de polímeros corados, produzidos enzimaticamente, em aplicações têxteis e cosméticas tem sido estudada, nomeadamente no que diz respeito à sua utilização para a obtenção de revestimentos corados em fibras e cabelos. O principal objectivo deste trabalho é a modificação superficial de fibras celulósicas através de revestimentos poliméricos. Inicialmente, foi estudada a produção de polímeros por acção catalitica da lacase, utilizando diferentes compostos fenólicos como substratos. Numa primeira abordagem foi utilizado catecol, o qual é facilmente oxidado pelas lacases, para a produção de polímeros, resultando na obtenção de compostos com uma cor intensa. Para promover a ligação dos polímeros à superfície dos tecidos procedeu-se a uma funcionalização prévia do tecido de algodão. Para a aminização dos tecidos recorreu-se a um corante reactivo, promovendo-se a formação de grupos amina aromáticos à superfície da celulose, favorecendo desta forma o acoplamento do polímero. Os tecidos de algodão revestidos com os novos polímeros apresentam uma cor escura e uma elevada resistência à hidrólise. Numa segunda fase foram introduzidos no meio reaccional da lacase compostos fenólicos não tóxicos e não prejudiciais, tais como flavonóides (rutina, morina e quercetina), como potenciais substratos para a coloração das fibras lignocelulósicas. Foram estudadas as condições óptimas para a produção de polímero e coloração do tecido, tendo em consideração vários parâmetros reaccionais. A agitação mecânica e a temperatura foram os factores decisivos para a absorção de cor pelas fibras. Para além das condições de incubação, a interação entre os flavonóides presentes no meio reaccional e os flavonóides naturais presentes nas fibras foi também um factor positivo, comprovado por uma coloração mais intensa e mais resistente à abrasão nos tecidos. Entre os flavonóides utilisados, a rutina apresenta o menor grau de polimerização e uma fraca afinidade para os tecidos. Quando foi utilizado o método de dois passos os polímeros foram fortemente absorvidos a alta temperatura (90°C) devido ao aumento das vibrações moleculares tanto nas fibras como nos flavonóides presentes na solução. Os polímeros sintetisados a partir dos flavonóides e aplicados aos tecidos de algodão apresentam uma boa resistência à lavagem (4-5) quando a incubação ocorre a alta temperatura (90°C) e uma excelente resistência à fricção em qualquer das condições reaccionais utilizadas. No entanto a resistência às condições atmosféricas é muito baixa, tendo-se verificado uma perda de cor de 60% depois de uma exposição à luz durante 64 horas. Deste trabalho surge a possibilidade de eliminar o passo de branqueio dos processos convencionais da indústria têxtil, levando a uma diminuição da produção de efluentes poluentes e uma consequente diminuição dos custos operacionais. Por último foram estudados alguns lignosulfonatos enquanto substratos fenólicos para a lacase. Para monitorizar as funções da lacase no meio reaccional e as alterações fisico-químicas no substrato foram utilizadas técnicas instrumentais dinâmicas. A dupla função catalítica da lacase, polimerização e despolimerização, foi confirmada pela medição do potencial Zeta e por espectroscopia de UV-Vis. O aumento no peso molecular dos substratos, causado pela polimerização catalisada pela lacase, foi confirmado por SEC/GPC (o peso molecular aumentou 1700 Da). Foi efectuada uma análise de FT-IR para monitorização das alterações estruturais que ocorreram devido à polimerização enzimática e ao mesmo tempo amostras de linho foram tingidas com lignosulfonatos polimerizados. As amostras tingidas com os novos compostos, polimerizados por um período de 7 dias, apresentam um aumento do coloração, medido em termos de K/S. Os resultados obtidos sugerem um novo conceito de produção de bio-polímeros e a sua aplicação prática na modificação de fibras lignocelulósicas. No entanto o facto de a coloração ser pouco resistente ao longo do tempo, nomeadamente quando os tecidos são expostos à luz, é ainda um factor limitante a ter em consideração em aplicações industriais futuras.
TipoTese de doutoramento
DescriçãoTese de doutoramento em Engenharia Têxtil
URIhttps://hdl.handle.net/1822/9500
AcessoAcesso restrito UMinho
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento

Ficheiros deste registo:
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Final thesis_Suyeon Kim_ 12 09.pdf
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