DE3785255T2

DE3785255T2 - Färbeverfahren unter Verwendung einer Indigo oder ein Derivat davon enthaltenden Biomassse.

Info

Publication number: DE3785255T2
Application number: DE87810340T
Authority: DE
Inventors: Werner Koch
Original assignee: Sandoz AG
Current assignee: Sandoz AG
Priority date: 1986-06-23
Filing date: 1987-06-15
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2007-06-16
Also published as: EP0252002A2; ATE87957T1; EP0252002B1; CA1276121C; KR950009322B1; EP0252002A3; KR880000646A; US4752301A; HU200199B; DE3785255D1; DE3620915A1; CN1021335C; HUT46717A; CN87104436A; JPS633065A

Description

Die Erfindung betrifft eine Indigo oder ein Derivat davon enthaltende Biomasse, welche durch Bakterienzellen erzeugt wurde. Eine derartige Biomasse ermöglicht es, die so erzeugte Indigo-Verbindung im Färbebad kommerziell zu nutzen, ohne daß es dafür notwendig ist, den Indigo in reiner Form zu isolieren.
Gemäß der Erfindung ist eine Methode zum Färben eines Substrates vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß auf das Substrat eine Indigo (oder ein Derivat davon) enthaltende Biomasse angewendet wird, in welcher der Farbstoff durch einen Mikroorganismus erzeugt worden ist, ohne daß der Farbstoff vor dem Färben vom Rest der festen Biomasse abgetrennt wird.
Es ist bekannt, Indigo aus Indol oder aus Tryptophan über Indol durch mikrobiologische Quellen herzustellen und zu isolieren. Solche Biosynthesen sind beispielsweise beschrieben im U.S. Patent 4,520,103; in Science, Band 222, 1983, Seiten 167 bis 169; und in BIOTECHNOLOGY, Band 4, 1986, Seiten 321 bis 324.
In all diesen Zitaten wird die Isolierung des wasserunlöslichen Indigos, der innerhalb oder außerhalb der Zellen erzeugt wurde, beschrieben als ein Prozeß der wiederholten Extraktion mit siedendem Chloroform. Ein solches Vorgehen ist aber vom kommerziellen Standpunkt aus betrachtet zu zeitaufwendig und zu teuer; und dasselbe gilt für alternative Isolierungsmethoden, die angewendet werden könnten. Dies würde aber die kommerzielle Nutzung des Färbens mit auf mikrobiologischem Wege hergestelltem Indigo, der vom Rest der Biomasse abgetrennt wurde, unmöglich machen.
Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung ist nämlich, daß man den mikrobiologisch erzeugten Indigo-Farbstoff auf ein Substrat kommerziell anwenden kann, ohne daß es nötig ist, den Farbstoff vom Rest der Biomasse abzutrennen, oder den Farbstoff vor dem Einsatz zum Färben zusätzlich zu reinigen oder zu konzentrieren.
Gemäß der Erfindung ist die Methode zum Färben eines Substrates dadurch gekennzeichnet, daß
Indigo oder ein Derivat davon durch einen Mikroorganismus unter Bildung einer Biomasse erzeugt wird;
die Zellen der Biomasse aufgeschlossen werden;
die Biomasse getrocknet wird; und
das Substrat mit der festen Biomasse gefärbt wird, ohne daß der Indigo oder ein Derivat davon vom Rest der festen Biomasse abgetrennt wird.
Der Aufschluß der Zellmembran kann durch bekannte mechanische oder vorzugsweise nicht-mechanische Methoden erfolgen, beispielsweise durch
a) Säure-Base-Reaktion (wie in Beispiel 1 beschrieben)
b) milde Druckreaktion
c) Osmolyse oder
d) enzymatische Reaktion.
Vorzugsweise kann in einer Methode gemäß der Erfindung, unabhängig vom gewählten Lysierungsprozeß, die Biomasse noch weiter behandelt werden, um sicherzugehen, daß alle Zellen der Biomasse denaturiert worden sind (was aus ökologischen Gründen wünschenswert ist); die Behandlung erfolgt mit wäßriger Natronlauge, um den pH alkalisch zu stellen (bevorzugt auf etwa pH 12), gefolgt von einer Neutralisation, z. B. durch Einwirkung von einem Hydrogenphosphat, um den pH auf 7 zu stellen.
Nach der Methode gemäß der Erfindung wird die feste Biomasse nach der Biosynthese, jedoch vor dem Färben getrocknet. Das Trocknen der Biomasse kann in üblicher Weise ausgeführt werden, beispielsweise kann die Biomasse auf einem Metallblech, in einem Vakuumofen oder mittels eines Vakuum-Schaufeltrockners, der mit einem rührenden Zylinder ausgestattet ist, um das Wasser abzudestillieren, getrocknet werden. Bevorzugt erfolgt das Trocknen durch Zerstäubung. Für diese Zerstäubungstrocknung läßt man die Biomasse zunächst durch ein Sieb bestimmter Maschenweite passieren, und die Masse wird dann unter Anwendung eines üblichen Zerstäubungstrockners, beispielsweise eines Büchi-Zerstäubers, zu einem Pulver getrocknet, oder die Biomasse wird in einem Wirbelschichtgranulator unter Bildung von granulatartigem Material getrocknet. Dieser Trocknungsschritt kann in Gegenwart zusätzlicher Hilfsmittel, wie Lösungsvermittler oder Stellmittel, wie sie für den anschließenden Färbeprozeß von Nutzen sind, durchgeführt werden.
Bevorzugt wird vor dem Trocknen der Überschuß an flüssiger Phase, die kein Indigo enthält, von der festen Biomasse durch bekannte technische Maßnahmen, wie Zentrifugieren, Dekantieren und/oder Grobfiltration, abgetrennt.
Nach einer bevorzugten Methode gemäß der Erfindung wird die Biomasse nach der Biosynthese und einer allfälligen Abtrennung, jedoch vor dem Trocknen, auf übliche Weise homogenisiert, vorzugsweise bei pH 7, zum Beispiel durch intensives Rühren (mit einem Polythron-Rührer), unter Anwendung eines Verdünnungsmittels oder durch einen Mahl-Prozeß (z. B. mit Glasperlen) gewünschten falls in Gegenwart eines Dispergiermittels, vorzugsweise eines anionaktiven Dispergators, und mehr bevorzugt eines Dispergators, der geeignet ist, die Dispergierbarkeit des Indigo (oder eines Derivates davon) in dem betreffenden Färbebad, in welchem der Farbstoff zur Anwendung gelangen soll, zu erhöhen. Das hat die Wirkung, daß die Ausmaße allfälliger fester Agglomerationen von Indigo, die sich außerhalb der Zellen gebildet haben, vermindert werden.
Gemäß der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung einer Indigo oder ein Derivat davon enthaltenden Biomasse, die für den Zusatz zum Färbebad geeignet ist, vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß
Indigo oder ein Derivat davon durch einen Mikroorganismus erzeugt wird;
die Zellen der so erhaltenen Biomasse aufgeschlossen werden; und
die erhaltene Biomasse getrocknet wird, wobei der Indigo-Farbstoff vor dem Zusatz zum Färbebad vom Rest der Biomasse nicht abgetrennt wird.
Vorzugsweise kann in dem Verfahren zur Herstellung der Biomasse gemäß der Erfindung vor der Trocknungsstufe eine Abtrennung und/oder Homogenisierung der Biomasse, wie oben beschrieben, durchgeführt werden.
Ein Vorteil, daß die Biomasse vor dem Einsatz im Färbebad getrocknet wird, ist darin zu sehen, daß der anhaftende stechende Geruch im wesentlichen beseitigt wird.
Die mikrobiologisch erzeugte Indigo-Verbindung, die erfindungsgemäß angewendet wird, entspricht bevorzugt einer Verbindung der Formel I,
worin jedes R&sub1;, unabhängig voneinander, Wasserstoff oder C&sub1;&submin;&sub4;Alkyl; und jedes R&sub2;, unabhängig voneinander, Wasserstoff, Fluor, Chlor, Brom, C&sub1;&submin;&sub4;Alkyl, C&sub1;&submin;&sub4;Alkoxy, Hydroxy, Cyano, Amino oder Nitro bedeuten.
Von dieser Formel sind sowohl symmetrisch wie auch asymmetrisch substituierte Analoge des Indigo eingeschlossen.
Gemäß den oben beschriebenen Biosynthesen wird Indigo aus Indol durch klonierte rekombinante Escherichia coli Bakterien erzeugt. Wird anstelle von Indol ein substituiertes Indol oder ein Indolgemisch eingesetzt, so können die symmetrisch oder asymmetrisch substituierten Indigoderivate erhalten werden, die zum Färben von Baumwolle verwendet werden können.
Die erfindungsgemäß in Form einer Biomasse erhaltenen Indigo-Verbindungen eignen sich zum Färben von hydroxygruppen- oder stickstoffhaltigen organischen Substraten, wie Wolle, Baumwolle oder Leinen, in einem Küpenfärbeprozeß, bevorzugt unter Anwendung des Tauchverfahrens analog einer Indigo-Färbeanlage mit Luftgang. Dabei wird der ungereinigte Küpenfarbstoff durch Reduktion in seine wasserlösliche Form gebracht und auf das Substrat appliziert, wo er durch Oxidation fixiert wird. Man erhält eine Färbung mit den gewohnten Echtheitseigenschaften, wie sie der Aktivsubstanz zugeschrieben werden.
Es wurde überraschenderweise gefunden, daß das Färben mit dem rohen Indigo, der noch Reste der Biomasse enthält, dennoch zu einer reinen, nuancenechten Färbung führt. Tatsächlich erscheint es so, als ob ein Reinigungsprozeß des Farbstoffes auf dem Substrat selbst stattfindet, welcher eine Reinigung auf einer früheren Stufe unnötig macht.
Die nachfolgenden Beispiele illustrieren die Erfindung. In den Beispielen bedeuten alle Teile Gewichts- oder Volumteile und alle Prozente Gewichts- oder Volumprozente, und die Temperaturen sind in Celsiusgraden angeführt, sofern nichts anderes angegeben ist.

Beispiel 1

Herstellung der Indigo-Biomasse

Der in Beispiel 5 des U.S. Patentes 4,520,103 beschriebene klonierte rekombinante Escherichia coli Stamm HB 101 wird im Fermenter unter optimalen Bedingungen, was pH, Temperatur, Zusammensetzung des Nährmediums, Belüftung etc. anbelangt, gezüchtet.
Aus der nach Abdekantieren der Fermentationsbrühe erhaltenen feuchten Fermenterpaste wird durch Zentrifugieren weitere Flüssigkeit entfernt. Anschließend werden die Zellen durch eine Säure-Base-Reaktion lysiert. Der pH wird durch Zusatz von wäßriger Natronlauge alkalisch gestellt und dann durch Zufügen von Dinatrium-hydrogenphosphat auf pH 7 gesenkt. Nach erfolgtem Zellaufschluß wird die Biomasse nochmals mit wäßriger Natronlauge bei pH 12 behandelt, und abschließend wird der pH durch Zusatz von Dinatrium-hydrogenphosphat auf 7 eingestellt. Es wird eine wäßrige Suspension mit unangenehmem Geruch erhalten, welche neben Indigo als Aktivsubstanz Zellfragmente, Natriumphosphat, Fermentationsnebenprodukte wie auch Reste von Nährlösung enthält.
Analog der in Beispiel 1 beschriebenen Methode können weitere Indigo- Verbindungen hergestellt werden (indem von entsprechend substituierten Indolderivaten ausgegangen wird).

Beispiel 2

Trocknung der Indigo-Suspension zu Pulver

Vorbereitungen für die Zerstäubungstrocknung können nach einer der folgenden Methoden a)-d) getroffen werden:
a) Die gemäß Beispiel 1 erhaltene wäßrige Suspension wird nach dem Homogenisieren mit einem Polythron-Rührer tel quel durch ein Sieb von 0,1 mm Maschenweite passiert. Die Suspension läuft ohne Schwierigkeit durch, es bleibt ein lediglich unbedeutender Rückstand.
b) Die Partikel-Agglomerationen enthaltende wäßrige Suspension wird mittels eines Dissolvers (einer Vorrichtung, die mit einer hochtourig laufenden gezahnten Scheibe ausgestattet ist) behandelt, wobei die in der Suspension verteilten Partikel zerkleinert werden.
c) Die gemäß Beispiel 1 erhaltene wäßrige Suspension wird einer Perlmahlung (ohne weitere Zusätze) unterworfen.
d) Die wäßrige Suspension aus Beispiel 1 wird in Gegenwart eines anionaktiven Dispergiermittels einer Perlmahlung unterzogen. Als Dispergiermittel geeignet ist das Natriumsalz des Kondensationsproduktes erhalten aus der Reaktion von wäßriger β-Naphthalinsulfonsäure mit Formaldehyd.

Beispiel 3

a) Die Trocknung auf einem Büchi-Zerstäuber kann folgendermaßen durchgeführt werden:
Die nach einer der oben angeführten Vorbehandlungsmethoden von Beispiel 2a-2d erhaltene Indigo-Suspension wird durch eine Zweistoffdüse mit einem Heißluftstrom von 130º zerstäubt. Die Temperatur der zugeführten Heißluft kühlt sich ab, für die Abluft wird eine Temperatur von 75º gemessen. Es wird ein dunkles Pulver erhalten, das frei ist von unangenehm riechenden Bestandteilen.
b) Die Trocknung der Indigo-Suspension zu Granulatform kann folgendermaßen durchgeführt werden:
Die Vorbehandlung erfolgt nach einer der Methoden aus Beispiel 2. Die entsprechend vorbehandelte Indigo-Suspension wird in einem Wirbelschicht-Granulator in üblicher Weise versprüht. Es resultieren dunkle Granulate, die frei sind von übelriechenden Bestandteilen.

Beispiel 4

Eine Indigo-Färbung nach dem Tauchverfahren (simulierte Indigo-Färbeanlage) kann wie folgt ausgeführt werden:
a) Herstellung der Färbeflotte
Der Farbstoff wird nach dem Prinzip des Stammküpenverfahrens gelöst. Dazu werden 100 Teile des Pulvers oder der Granulate, wie sie in Beispiel 3a oder 3b erhalten wurden, mit 20 Teilen Natriumsulforicinoleat (80% Sulfonierungsgrad), einem handelsüblichen anionaktiven Dispergiermittel in flüssiger Form, sorgfältig angeteigt. Dieser Paste wird Weichwasser von 60º zugesetzt, und das Volumen wird auf 100 Teile aufgefüllt. Anschließend werden 0,75 Teile Natronlauge (36º B ) und 0,6 Teile einer konzentrierten wäßrigen Natriumhydrosulfitlösung zugefügt. Diese Mischung wird 15 Minuten lang bei 60º gehalten. Es wird eine hellgelbe Küpe erhalten, die auf 25º abgekühlt und als solche (d. h. der gesamte Ansatz) im folgenden Färbeprozeß verwendet wird.
b) Die Färbung kann folgendermaßen durchgeführt werden:
Das abgekochte und gut nutzbare Baumwollgewebe wird während 10 Sekunden in die gemäß Beispiel 4a hergestellte Färbeflotte eingetaucht. Danach wird das Baumwollgewebe auf einem Zweiwalzen-Foulard abgequetscht, so daß eine Flottenaufnahme von ca. 60% (berechnet auf Trockengewichtszunahme) resultiert.
Der vom Gewebe aufgenommene Küpenfarbstoff wird während drei Minuten an der Luft freihängend zum blauen Farbstoff oxidieren gelassen.
Bezogen auf eine Indigo-Färbeanlage bedeuten die obigen Operationen einen Zug. Es ist erforderlich, diese Operationen noch zweimal zu wiederholen, so daß für die Endfärbung insgesamt drei Züge ausgeführt werden.
Die resultierende Färbung wird dann mit kaltem Wasser gespült, bis sie alkalifrei ist. Durch Behandlung mit 1,5 ml/l Wasserstoffperoxid 40% während fünf Minuten bei 600 wird die Oxidation zu Ende geführt, und die Färbung wird dann mit warmem Wasser gespült. Dem schließt sich ein Seifungsprozeß an, bei welchem während fünf Minuten bei 800 mit 1 ml/l eines aliphatischen Polyglykoläthers, einem handelsüblichen nicht-ionogenen Dispergiermittel, geseift wird. Die Färbung wird wieder gespült, erst mit warmem, dann mit kaltem Wasser, und schließlich in üblicher Weise getrocknet.
Es wird eine intensiv blaue Indigofärbung von klarem und reinem Farbton erhalten. Die Echtheitseigenschaften dieser Baumwollfärbung entsprechen voll denjenigen, wie sie für eine Färbung, welche mit auf übliche Weise hergestelltem Indigo erhalten wurde, erwartet werden.

Claims

1. Methode zum Färben eines Substrates, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Substrat eine Indigo oder ein Derivat davon enthaltende Biomasse angewendet wird, in welcher der Farbstoff durch einen Mikroorganismus erzeugt wurde, die Zellen der Biomasse aufgeschlossen wurden und die Biomasse anschließend getrocknet wurde, ohne daß der Farbstoff vor dem Färben vom Rest der festen Biomasse abgetrennt wurde.

2. Methode nach Anspruch 1, in welcher als Substrat ein hydroxygruppen- oder stickstoffhaltiges organisches Substrat eingesetzt wird.

3. Methode nach Anspruch 2, in welcher als Substrat Baumwolle eingesetzt wird, wobei als Färbemethode die Küpenfärbemethode angewendet wird.

4. Verfahren zur Herstellung einer Indigo oder ein Derivat davon enthaltenden Biomasse, die als Zusatz zu einem Färbebad geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß man

- Indigo oder ein Derivat davon durch einen Mikroorganismus erzeugt;

- die Zellen der so erhaltenen Biomasse aufschließt; und

- die resultierende Biomasse trocknet, wobei der Indigo-Farbstoff vom Rest der Biomasse nicht abgetrennt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, in welchem das Trocknen durch einen Sprüher, wobei ein Pulver entsteht, oder in einem Wirbelschicht-Granulator erfolgt.