Enzymatic treatment of acrylic and cellulose acetate fibres

Abstract

The background theme of the present thesis is the multidisciplinary area of textile biotechnology, which is of major importance for the textile industry and its sustainable development. The work here described was devoted to the treatment with enzymes of two manmade fibres - acrylic and cellulose acetate. The thesis is divided in several chapters being the first one a general introduction. Biocatalysis is addressed, especially in the context of textile industry and surface modification of polymers, followed by a general description on the properties and applications of both fibres. The enzymes used throughout the work – nitrilase (EC 3.5.5.1) and cutinase (EC 3.1.1.74), are briefly mentioned as well as the major methods to manipulate and improve enzymes. The general aim of the work is the formation of reactive and/or hydrophilic groups at the surface of acrylic and cellulose acetate fibres by enzymatic hydrolysis of their pendent groups. As follows, the purpose is to preserve the desirable bulk properties of the fibres acting only at the surface by using eco-friendly catalysts. In chapter 2, the modification of the surface of acrylic fabric with a commercial nitrilase is reported. The enzymatic conversion of nitrile groups into the carboxylic groups, on the fibre surface, was monitored for 36 hours by the release of ammonia to the media and by the improvement in the affinity of the treated fabric for a basic dye. The steady release of ammonia along the enzymatic treatment showed that the adsorption of nitrilase to the acrylic led to an increase in its operational stability, resembling the immobilization procedures used to stabilize proteins. A maximum affinity for the basic dye was observed for a treatment period of 8 hours, which corresponded to a relative K/S of 135% when the colouration of acrylic was performed at 70 ºC. A surface erosion phenomenon took place causing the “oscillatory” behaviour of the amount of dye uptake with the time of treatment. Polyacrylic acid was determined in solution as a non desirable, secondary product of the modification of acrylic with nitrilase. These results showed that the outcome of nitrilase application is closely dependent on reaction parameters like time, enzyme activity and media formulation. The chapter 3 describes the modification of the comonomer vinyl acetate of the acrylic used with two enzymes: cutinase from the fungus Fusarium solani pisi and a commercial esterase (Texazym PES). The effect of acrylic solvents and stabilizing polyalcohols on cutinase operational stability in solution was studied. The influence of these additives and mechanical agitation on the enzymatic modification of acrylic fabric was also investigated. The hydroxyl groups produced on the fibre surface reacted with the dye Remazol Brilliant Blue R, C.I. 61200, increasing the colour of treated fabric. The best colour level was obtained with a high level of mechanical agitation and with the addition of 1% (v/v) N,N-dimethylacetamide. Under these conditions, the increase in the acrylic fabric colour depth was around 30% for cutinase and 25% for Texazym, comparing to the respective controls. The crystallinity degree, determined by wide angle X-ray scattering, was not significantly changed between control samples and samples treated with cutinase. The results showed, once more, that the success of the application of enzymes, in this case cutinase and a commercial esterase, depends closely on the conditions in which the treatment takes place. Cutinase was also chosen to modify the surface of cellulose diacetate and triacetate fibres. This work is reported in chapter 4. The enzymatic hydrolysis of acetyl groups on the fibre surface was evaluated by the release of acetic acid and by the specific chemical colouration of the fabrics with Remazol Brilliant Blue R. The treatment for 8 hours, at 30 ºC and pH 8, resulted in an acetyl esterase activity of 0.010 U and 0.0072 U on cellulose diacetate and triacetate, respectively. The colour levels for samples treated with cutinase for 24 hours increased 25% for cellulose diacetate and 317% for cellulose triacetate, comparing to the controls. Cross-sections of both fibres were analysed by fluorescence microscopy and the superficial action of cutinase was confirmed. Comparing to other enzymes described in literature, cutinase is a catalyst to consider for the superficial regeneration of cellulose hydrophilicity and reactivity on highly substituted acetates. For further improvement of cutinase activity on cellulose modified fibres, chimeric cutinases were produced, by recombinant DNA technologies, and used to treat cellulose acetate fabrics, as described in chapter 5. Two distinct carbohydrate-binding modules were fused independently to the C-terminal of cutinase: the carbohydrate-binding module of cellobiohydrolase I, from the fungus Trichoderma reesei, and the carbohydrate-binding module of endoglucanase C, from the bacterium Cellulomonas fimi. Both chimeric cutinases had a more efficient performance than the wild type enzyme, but the interaction of these bifunctional enzymes with cellulose acetate needs to be further characterized for a better assessment of the nature and yield of the observed modifications. The chapter 6 is dedicated to the general discussion, final remarks and future perspectives. In this thesis, evidences are presented showing that enzymes, more specifically, nitrilase and cutinase are important tools for the acrylic and cellulose acetate surface functionalization. This work also evidenced that this is only the first step towards the efficient utilization of these resources that Nature provide us.

O tema de fundo deste trabalho é a área multidisciplinar da biotecnologia têxtil que tem vindo a afirmar-se como uma área de grande importância para a indústria têxtil e para o seu desenvolvimento sustentável. O trabalho aqui apresentado consistiu no tratamento com enzimas de duas fibras, a acrílica e o acetato de celulose. A tese encontra-se dividida em vários capítulos consistindo o primeiro numa introdução geral a diversos tópicos abordados pelo trabalho. A biocatálise é referida, especialmente, no contexto da indústria têxtil e modificação superficial de polímeros, seguida de uma descrição geral das propriedades e aplicações das duas fibras. As enzimas utilizadas ao longo do trabalho – nitrilase (EC 3.5.5.1) e cutinase (EC 3.1.1.74), são mencionadas de forma sucinta assim como os métodos principais de manipulação da actividade enzimática. O objectivo geral do trabalho assentou no desenvolvimento de metodologias não poluentes conducentes à formação de grupos reactivos/hidrofílicos à superfície das fibras, via hidrólise dos grupos laterais dos respectivos polímeros de forma a preservar as propriedades nucleares e desejáveis das fibras. No capítulo 2 é reportada a modificação da superfície da fibra acrílica por uma nitrilase comercial. A conversão enzimática dos grupos nitrilo em grupos carboxílicos à superfície da fibra foi avaliada durante 36 horas através da libertação de amoníaco para a solução e através do aumento da afinidade do tecido tratado para um corante básico. O aumento linear do amoníaco, libertado durante o tratamento, mostrou que a adsorção da nitrilase à fibra acrílica conduziu a um aumento da sua estabilidade operacional assemelhando-se aos procedimentos de imobilização usados para estabilizar enzimas. Um valor máximo de K/S foi observado para um período de incubação de 8 horas, o que corresponde a um K/S relativo de 135% quando se fez uma coloração a 70 ºC. Teve lugar um fenómeno de erosão superficial que determinou o comportamento oscilatório da quantidade de corante fixada com o tempo de tratamento. Foi determinado ácido poliacrílico nas soluções de tratamento como produto secundário não desejado da modificação da acrílica pela nitrilase. Estes resultados revelam que o efeito final da aplicação da nitrilase no tratamento da acrílica está intimamente dependente dos parâmetros da reacção como o tempo, a actividade da enzima e a composição do meio. O capítulo 3 descreve a modificação do comonómero acetato de vinilo da fibra acrílica usada pela acção da cutinase do fungo Fusarium solani pisi e de uma esterase comercial (Texazym PES). Foi estudado o efeito de solventes da acrílica e de poli-álcoois na estabilidade operacional da cutinase em solução, bem como o impacto desses aditivos e da agitação mecânica na modificação enzimática do tecido de acrílica. Os grupos hidroxilo produzidos na superfície da fibra reagiram com o corante Remazol Brilliant Blue R, C.I. 61200, aumentando a cor do tecido tratado. O melhor nível de coloração foi obtido com elevada agitação mecânica e com a adição de 1% (v/v) de N,N-dimetilacetamida. Sob estas condições, o aumento da intensidade de cor, em relação aos controlos, foi de 30% para o tratamento com a cutinas e 25% para a Texazym. O grau de cristalinidade determinado por difracção de raios-X não foi alterado significativamente entre amostras controlo e amostras tratadas com cutinase. Uma vez mais, os resultados mostraram que o sucesso da aplicação de enzimas, neste caso a cutinase e uma esterase comercial, depende muito das condições em que se realiza o tratamento. A cutinase foi escolhida para modificar também a superfície de fibras de diacetato e triacetato de celulose, trabalho este que é abordado no capítulo 4. A hidrólise enzimática dos grupos acetilo na superfície da fibra foi monitorizada pela libertação de ácido acético e pela coloração específica dos tecidos com o corante Remazol Brilliant Blue R. O tratamento do tecido durante 8 horas a 30 ºC e pH 8 resultou numa actividade acetil esterase de 0.010 U e 0.0072 U tendo como substrato a fibra de diacetato e triacetato de celulose, respectivamente. Os níveis de cor das amostras tratadas com cutinase durante 24 horas aumentaram 25% para o diacetato e 317% para o triacetato, comparando com os controlos. Foram analisadas secções transversais de ambas as fibras, por microscopia de fluorescência, e confirmou-se a acção superficial da cutinase. Por comparação com outras enzimas já descritas, a cutinase é um catalizador a ter em consideração para a regeneração superficial da hidrofilicidade e reactividade da celulose em acetatos com grau de substituição elevado. Para melhorar a actividade da cutinase nas fibras modificadas de celulose foram produzidas, através de tecnologias de ADN recombinante, cutinases quiméricas que foram, posteriormente, usadas no tratamento dos tecidos de acetato de celulose descrito no capítulo 5. Dois módulos distintos de ligação a carbohidratos foram fundidos, independentemente, ao terminal carboxílico da cutinase: o módulo da celobiohidrolase I, do fungo Trichoderma reesei e o da endoglucanase C, da bactéria Cellulomonas fimi. Ambas cutinases quiméricas tiveram uma performance mais eficiente que a cutinase nativa, mas a interacção destas enzimas bifuncionais com os acetatos de celulose carece de mais estudos para melhor caracterizar a natureza e extensão destas modificações. O capítulo 6 é dedicado a uma discussão geral, observações finais e perspectivas futuras. Nesta tese são apresentadas evidências que mostram que as enzimas, mais concretamente, a nitrilase e a cutinase são ferramentas importantes para a funcionalização da superfície das fibras acrílicas e de acetato de celulose. Com este trabalho também fica claro que apenas se deu o primeiro passo num percurso que eventualmente nos conduzirá a um aproveitamento eficiente destes recursos que a Natureza nos providencia.e