KÖRNYEZETVÉDELEMBEN ÉS VÍZGAZDÁLKODÁSBAN ALKALMAZOTT BIOTECHNOLÓGIÁK Mikrobiális textilkikészítés anaerob kultúrákkal: szennyvíztisztítás és termelés integrálása Tárgyszavak: textilipar; textilkikészítés; segédanyag; írezőszer; pektin; enzimes bontás; lipáz; szennyvíztisztítás. A mai textilkikészítés többnyire nedves vegyi eljárásokon alapul, kevés biotechnikai lépést alkalmaz, kivéve az enzimes írtelenítést, amelynek során amilázokkal csökkentik a keményítőalapú írezőszer polimerizációs fokát. Ugyanakkor a textilkikészítésben ritkán alkalmaznak biológiai szennyvíztisztítást, mivel ezeknek gyakran előfeltétele az üzem korszerű vízgazdálkodása. A legelterjedtebb módszer Németország textiliparában a hígított szennyvíz befogadóba vezetése, ami azonban drága és nem hatékony módszer. Megoldás lehetne a mikrobiális biotechnikai módszerek alkalmazása. A továbbiakban egy kiválasztott írezőanyag (karbamátkeményítő) és egy szálkísérő anyag (pektin) anaerob lebonthatóságát vizsgálják, valamint az anaerob biomassza által felszabadított enzimet (lipáz a zsírbontáshoz), és annak alapvető tulajdonságait.
Klasszikus és modern mikrobiális eljárások a textilkikészítésben A legrégebbi ismert biotechnikai eljárás a len áztatása. Itt a mikroorganizmusok elválasztják a háncsot a körülvevő rostanyagtól. Az eljárás végezhető közvetlenül a helyszínen vagy az ún. hideg vizes rothasztás során a lenszalmát folyóvízbe (patakba) merítik hetekre. Ez a patak a mikroorganizmusok erjedési termékét közvetlenül elviszi, ami természetesen szennyezi a patak vizét az időjárási viszonyoktól függően. Az ajánlott mikrobiális biotechnikai eljárás a következő: célzottan vezérelt erjesztőtartályba dúsított anaerob vegyes kultúrákat helyeznek a szálkísérő anyagok zsírsavakká és alkoholokká alakításához. Az erjesztett oldatot ezután egy biogázreaktorban meg lehet szabadítani a szerves frakciótól, így megvalósítható a víz visszavezetése, és létrejöhet a zárt vízkörforgás.
Ígéretes eljárás a pamutszövetek kezelése (1. ábra). Erjesztő mikroorganizmusok extracelluláris enzimeket szabadítanak fel, ezek hidrolizálják mind az írezőanyagot, mind a szálkísérő anyagokat. A keletkező monomereket és rövid láncú oligomereket a sejtek felveszik, és zsírsavvá alakítják. A mikroorganizmusok egy másik csoportja megrövidíti a zsírsavak lánchosszát, amelynek során acetát keletkezik. A szerves savakban feldúsult technológiai vizet metánreaktorba juttatják, és a szerves frakciót metanogén mikroorganizmusok segítségével a gázfázisba juttatják, és a megtisztított vizet visszavezetik a textilkikészítéshez (a vízkörfolyamat zárása). 1. reaktor: savasító reaktor a szálkísérő anyagok és az írezőanyagok leoldása a szálakról és a köztes termékek savasodása írezőszerfilm
2. reaktor: metánreaktor az illékony szerves savak átalakulása biogázzá
szál
pektin, hemicellulóz, viaszok/zsírok, proteinek
(6) biogáz (metán, szén-dioxid)
(2)
(3) (1)
fermentáló mikroorganizmusok
technológiai víz
cukor, aminosavak, zsírsavak metanogén mikroorganizmusok
acetát, propionát, butirát stb. acetát acetogén mikroorganizmusok (4)
acetát
(5)
1. ábra A mikrobiális textilkikészítés egyszerűsített és idealizált vázlata a pamut példáján (az oldott anyagcseretermékek ábrázolásával)
Mérési elv és a kísérlet felépítése Kísérleti reaktorok A kísérletekhez szükséges kultúrát 2 l-es üvegreaktorban, 37 °C-on, 5,5 pH-n tenyésztették, és 5–8 g/l burgonyakeményítőt adagoltak naponta. Az aktivitás növelésére az ülepített biomasszát visszatáplálták a reaktorba.
A lebontás értékelésére 300 ml-es, gázfelfogó berendezéssel ellátott bioreaktoron vezették át az anyagot. A tesztrendszerben 3,3 g/l anaerob, tisztított iszap volt, és 830 mg/l tesztanyag. A lebontást (mineralizációt) a szubsztrátum széntartalma és a metánban, szén-dioxidban és karbonátban levő öszszes szén viszonyával fejezték ki. Tesztanyagként karbamátkeményítőt és pektint használtak. A biomassza egy sörfőzde anaerob szennyvíztisztítójából származott, és az adott szintetikus szennyvizekben tenyésztették. Analitikai módszerek A bioreaktorból származó mintákat 0,45 µm-es cellulóz-acetát szűrőn szűrték át az iszap eltávolítására. A szerves és szervetlen Shimadzu TOC 5050 készülékkel határozták meg az etanolt és a szerves savakat gázkromatográfiásan, kapilláris oszlopon. A keményítő szövetről való leoldásának mérésére pamutszövetet használtak, amelyet az amiláz meghatározására fejlesztettek ki. A szövetre színezett kukoricakeményítőt vittek fel. Az enzimaktivitás következtében a keményítő részben oldódik, és fotometriásan 460 nm-nél mérhető. A lipáztesztet centrifugált mintákon, 37 °C-on inkubációs hőmérsékleten végezték.
Eredmények Az írezőszerek és szálkísérő anyagok anaerob lebonthatósága A vizsgálathoz választott modellkomponensek: pektin mint szálkísérő anyag, és karbamátkeményítő (módosított keményítő) mint írezőszer. Mindkét anyag jól lebonthatónak bizonyult, kb. 90%-os mineralizációs fokot sikerült elérni (2. ábra). Az oldott oxigén koncentrációja (DOC) 184 óra után igen alacsony értékű lett, és végül nullára csökkent, jelezvén, hogy a víz a folyamatba visszavezethető. Erre az időpontra a közben keletkezett melléktermékek is lebomlottak. Enzimaktivitás az anaerob kísérleti reaktorban: a lipáz példája A zsírok és viaszok eltávolítása szempontjából az extracelluláris lipáz fontos enzim. Aktivitását kromofor szubsztrátum segítségével fotometriásan határozták meg. Összességében széles aktivitási spektrum volt észlelhető, mind a pH, mind a hőmérséklet szempontjából (3., 4. ábra). Hasonlóan széles tartományok mutatkoztak a keményítő lebomlásából is, ami a rendszer stabilitását tekintve igen előnyös. Ennek hátterében az lehet, hogy a különféle mikroorganizmusok vegyes tenyészetében egyidejűleg többféle lipáz termelődik.
100 írezőszer
mineralizálódás, %
80
pektin
60
40
20
0
0
100
200
300
400
500
600
700
idő, h
2. ábra A pektin szálkísérő anyag és egy írezőszer mineralizációja
lipázaktivitás (a max. %-ában)
100
90
80
70
60 5
6
7
8
9
pH-érték
3. ábra A lipázaktivitás pH-függése a maradékban
A szennyeződések lebonthatósága a szövetről, ill. a szálról Az írezőanyag leoldhatóságát kereskedelmi mosószerrel (amiláztartalmú) és tenzidoldattal vizsgálták a 28 °C-on centrifugált mintán (5. ábra). A legjobb
hatást a tenyészet túlérett maradványai mutatták, míg a tenzidoldat egyedül hatástalan volt.
lipázaktivitás (a max. %-ában)
100
90
80
70
60 5
6
7
8
9
hőmérséklet, °C
4. ábra A lipázaktivitás hőmérsékletfüggése a maradékban
anionos tenzid
kereskedelmi mosószer
reaktormaradék
abszorpció 460 nm-en
0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 nap
1 nap
2 nap
5. ábra Színezett keményítő leoldhatósága a tesztanyagról a tenyészet maradékában és összehasonlító közegekben (a leoldott festék mérése a maradékban)
Végkövetkeztetések A kísérlet példa a termelés (itt textilnemesítés) és a szennyvíztisztítás újszerű kombinálására, egyetlen folyamatban. A nemkívánatos melléktermékeket a folyamat kiküszöböli, ill. minimalizálja, és az anyagáramot közvetlenül a folyamatban biogázzá alakítják át, amely energetikailag hasznosítható. Plusz hulladékként kis mennyiségű fölös iszap keletkezik, ezzel szemben áll a textilipari segédanyagok egy részének megtakarítása, amelyek szerepét az anaerob mikroorganizmusok termékei veszik át. Gazdaságilag előnyös a zárt vízkörforgás. A továbbiakban döntő jelentőségű lesz, hogy a laboratóriumi eredmények hogyan, és milyen hatékonysággal vihetők át a gyakorlatba. (Szobor Albertné) Feitkenhauer, H.: Mikrobielle Textilveredlung mit anaeroben Mischkulturen: Integration von Abwasserreinigung und Produktion. = Chemie Ingenieur Technik, 74. k. 12. sz. 2002. p. 1777–1780. Gübitz, G. H.; Cavaco-Paulo, A.: Biotechnology in the textile industry – perspectives for the new millennium. = Journal of Biotechnology, 89. k. 2–3. sz. 2001. aug. 23. p. 89–90. Feitkenhauer, H.; Meyer, U.: Integration of biotechnological wastewater treatment units in textile finishing factories: from end of the pipe solutions to combined production and wastewater treatment units. = Journal of Biotechnology, 89. k. 2–3. sz. 2001. aug. 23. p. 185–192.
EGYÉB IRODALOM Jordán F.: A génektől a természetvédelemig. = Természet Világa, 134. k. 5. sz. 2003. p. 194–195. Chen Kou-Cheng; Wu Jane-Yii stb.: Decolorization of the textile dyes by newly isolated bacterial strains. (Textiltermékek színtelenítése újonnan izolált baktériumtörzzsel.) = Journal of Biotechnology, 101. k. 1. sz. 2003. febr. 27. p. 57–68. Rácz T.: Mérnöki biotechnika a vízrendezésben: egy olaszországi építési gyakorlat és néhány alkalmazás. = Hidrobiológiai Közlöny, 83. k. 2. sz. 2002. márc.–ápr. p. 93–98.
