Interacção de ultra-sons com sistemas enzimáticos para aplicações têxteis

Abstract

Ultrasound is sound with a frequency greater than the upper limit of human hearing. The application of ultrasound to liquid media is characterized by the occurrence of cavitation phenomena that results from the formation, growth and collapse of gas bubbles, subjected to alternating cycles of rarefaction and compression of waves. Cavitation promotes a number of physical and chemical processes, resulting from the release of high amounts of energy. These include local extremes of temperature and pressure and the formation and release of extremely reactive free radicals. In addition to this, the migration of the wave in the media and the formation of microjets due to bubble collapse, increase the mass transfer within the process. The textile industry is responsible for producing large amounts of effluents with a high pollutant charge. Consequently, the development and introduction of technologies that make textile processes more environmental friendly is the goal of many studies, namely by the application of enzymatic treatments to process textile fibres. Therefore, this PhD thesis is aimed mainly at the study of the interaction of ultrasound with enzymatic systems for textile applications. The enzyme used in the work was laccase (EC 1.10.3.2) from Trametes villosa. All the research was conducted at the best catalytic conditions for the enzyme, namely pH 5 and temperatures between 50 and 60ºC. It was observed that the laccase half-life time was reduced by 80% for the conditions of intensity/frequencies tested: 50 W/20 kHz, 72 W/150 kHz e 47 W/500 kHz. Enzyme deactivation might be explained by the exposure of cystine residues that might further react with free radicals formed, driving to protein aggregation, which in turn can hinder completely the enzyme active site while at the same time decreasing enzyme stability. The known deactivation of enzyme subjected to ultrasound would limit their simultaneous application. To mitigate that, the addition of polyethylene glycol (PEG) or polyvinyl alcohol (PVA) to the enzymatic solutions was studied. Polyols made the enzyme more stable, and a considerable increase in half-life time was attained, in comparison with the enzyme without additives, for all the conditions tested. The combination of enzymatic processes with ultrasound in several textile applications was evaluated, namely in the decolourization of indigo carmim dye, in the pre-treatment to cotton bleaching and in wool coloration with polycatechol polymers. When combining ultrasound and laccase stabilized with PVA, it was verified that the decolourization of indigo carmim, in one hour of treatment, varied between 65% and 77%, values that are high when comparing with the decolourization degree attained with laccase alone (20%). It was also observed that the highest decolourization degree was attained for a power input of 72 W and frequency of 150 kHz, a fact that was explained by two antagonist phenomena: the production and the release of free radicals to the reaction media. Another application was studied with the intention of minimization of environmental problems arising from cotton fabric bleaching with hydrogen peroxide. When a pretreatment step with laccase was included, a significant reduction in hydrogen peroxide concentration was achieved in the following bleaching stage. The transformation of cotton coloured matter into other compounds, due to enzymatic action, which might be more susceptible to peroxide oxidation and hence, easily degraded, is one possible explanation for this observation. Additionally, the pre-treatment enzyme/ultrasound performed increased fabric white index after peroxide bleaching. This could be due to the increased rate of the heterogeneous enzyme/fibre reaction or by the action of free radicals formed in cavitation. When studying the sono-enzymatic synthesis of polycatechol, low frequency ultrasound (20 kHz) applied until a maximum power input of 50 W, increased the diffusion process and could have a positive effect in enzyme active centre, in the case of catechol polymerization. The hydroxyl radicals produced by ultrasound can react with the molecules produced by enzyme, increasing the degree of polymerization. Using chromatography techniques, it was concluded that the polymers formed by enzymatic reaction in the presence of ultrasound have higher molecular weight. Additionally, the efficient coloration of wool fabrics anticipates the possibility to develop coating techniques from the oxidation of phenolic compounds in moderate conditions of pressure and temperature. In face of what is stated above, it is possible to conclude that sono-biotechnological processes might be a way of studying and developing more environmentally friendly processes, as an alternative or complementing the conventional textile processes.

Os sons de frequência acima da resposta da audição humana designam-se por ultrasons. A aplicação de ultra-sons a meios líquidos caracteriza-se pela ocorrência de fenómenos de cavitação acústica, que resultam da formação, do crescimento e do colapso de bolhas gasosas, sujeitas à alternância dos ciclos de rarefacção e de compressão da onda. As condições verificadas na zona de cavitação favorecem um número considerável de fenómenos físicos e químicos, resultantes da libertação de elevadas quantidades de energia, do aumento da pressão e da formação e libertação de radicais livres, extremamente reactivos. Por outro lado, a propagação da onda no meio e a formação de microjactos, resultantes do colapso da bolha, propicia o aumento da transferência de massa. A indústria têxtil é responsável por gerar grandes quantidades de efluentes com elevada carga poluente. Consequentemente, o desenvolvimento e a introdução de tecnologias que tornem os processos têxteis ambientalmente mais favoráveis têm sido o âmbito de muitos estudos, nomeadamente na aplicação de tratamentos enzimáticos para o processamento de fibras têxteis. Assim sendo, este trabalho de doutoramento teve como principal objectivo a interacção dos ultra-sons com sistemas enzimáticos para aplicações têxteis. A enzima utilizada nos trabalhos desenvolvidos nesta tese foi a lacase (EC 1.10.3.2) de Trametes villosa. Os estudos foram efectuados nas melhores condições de eficiência catalítica da enzima, nomeadamente pH 5 e temperaturas de 50 a 60ºC. Verificou-se que a sonificação de soluções de lacase reduziu em cerca de 80 % o tempo de meia vida da enzima, para as condições de intensidade/frequência testadas: 50 W/20 kHz, 72 W/150 kHz e 47 W/500 kHz. A desactivação da enzima pode ser explicada pela exposição dos resíduos cisteína que poderão reagir com os radicais livres formados, levando à agregação da proteína, podendo bloquear completamente o centro activo, e ao mesmo tempo, diminuir a estabilidade da enzima. A desactivação de enzimas sujeitas a ultra-sons limitaria a sua aplicação simultânea. Para obviar este facto, testou-se o efeito da adição de polietilenoglicol (PEG) ou poliálcool vinílico (PVA) às soluções enzimáticas. Os polióis tornaram a enzima mais estável, verificando-se um aumento considerável no tempo de meia vida, comparando com a enzima sem estabilizador, para todas as condições de ultra-sons testadas. A combinação de processos enzimáticos com ultra-sons em várias aplicações têxteis foi avaliada posteriormente, nomeadamente na descolorização do corante índigo carmim, no pré-tratamento ao branqueio de tecidos de algodão e na coloração de tecidos de lã com polímeros de policatecol. Combinando ultra-sons e lacase estabilizada com PVA, verificou-se que a percentagem de descolorização do corante índigo carmim, numa hora de tratamento, variou entre 65% e 77%, valores elevados comparativamente a descolorização só com lacase, que foi de 20%. Verificou-se ainda que a percentagem de descolorização mais significativa foi para a intensidade de 72 W e frequência de 150 kHz, explicada por dois fenómenos antagónicos: a produção e a libertação de radicais livres para o meio reaccional. Outra aplicação estudada visava minimizar os problemas ambientais que advém do branqueio de tecidos de algodão com peróxido de hidrogénio. A realização de um prétratamento do tecido com lacase mostrou uma redução significativa na concentração de peróxido de hidrogénio a utilizar no branqueio subsequente. A transformação da matéria colorada do algodão noutros compostos, devido à acção da enzima, sendo estes mais susceptíveis à oxidação com peróxido e mais facilmente degradados, é uma hipótese possível para explicar este fenómeno. Por outro lado, o pré-tratamento enzima/ultra-sons aumentou o grau de branco do tecido após o branqueio com peróxido. Tal facto poderá ser explicado pela aceleração da reacção heterogénea enzima-fibra e pela acção dos radicais livres formados quando da cavitação. Verificou-se no estudo da síntese sono-enzimática do policatecol que os ultra-sons de baixa frequência (20 kHz), aplicados até à intensidade máxima de 50 W, aumentam os processos de difusão e podem apresentar efeitos positivos no centro activo da lacase no caso da polimerização do catecol. Além disso, os radicais hidróxido produzidos por ultra-sons poderão reagir com as moléculas produzidas pela enzima, aumentando o grau de polimerização. Por cromatografia foi possível concluir que os polímeros formados pela reacção enzimática e na presença de ultra-sons apresentam maior peso molecular. Adicionalmente, a eficaz coloração de tecidos de lã antevê a possibilidade de desenvolver técnicas de revestimento a partir da oxidação de compostos fenólicos, em condições moderadas de temperatura e pH. Face aos trabalhos realizados pode-se concluir que os processos sonobiotecnológicos poderão ser uma via para o estudo e desenvolvimento de processos ambientalmente mais favoráveis, alternativos ou complementares aos processos têxteis convencionais.