DE4211719A1

DE4211719A1 - Verfahren zur Herstellung von technisch reinem Indigo aus pflanzlichem Ausgangsmaterial

Info

Publication number: DE4211719A1
Application number: DE4211719A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Rosner
Original assignee: ROSNER WOLFGANG DIPL ING FH
Current assignee: ROSNER WOLFGANG DIPL ING FH
Priority date: 1992-04-08
Filing date: 1992-04-08
Publication date: 1993-10-14

Description

Technisches Gebiet

Indigo wird als einer der ältesten bekannten Farbstoffe schon seit Jahrtausenden eingesetzt.

Die Verwendung erfolgt auch heute noch in großem Umfang in verschiedenen Bereichen der Färbetechnik, insbesondere für das Färben von Textilien.

Stand der Technik

Seit dem 19. Jahrhundert sind chemisch-synthetische Herstellungsverfahren bekannt, nach denen zur Zeit die überwiegende Menge des eingesetzten Farbstoffes erzeugt wird.

Durch verschiedene Reagentien (z. B. durch Verküpen mit Natriumdisulfit) wird der Farbstoff in eine wasserlösliche Form gebracht. Durch Umkehren des Prozesses während des Färbens lagert sich der Farbstoff auf den Fasern an.

Die genannten Verfahren benutzen teilweise toxische Roh stoffe und sind mit einem hohen Energieaufwand verbunden. Die entstehenden Färberei-Abwässer sind umweltbelastend.

In der letzten Zeit sind deshalb verschiedene Wege, Indigo aus pflanzlichen Rohstoffen herzustellen, wiederentdeckt und weiterentwickelt worden. Hervorzuheben ist insbesondere die Fermentation von Blättern des Färberwaids (Isatis tinc toria). Es konnte gezeigt werden, daß dies durch Bakterien erfolgt, die das Enzym Indoxyl-β-D-glucosidase produzieren (Ortwin Meyer und Mitarbeiter, ausgestellt auf der Leipzi ger Frühjahresmesse 1992).

Dabei werden in den Pflanzen enthaltene Vorstufen wie Indoxyl-β-D-glucosid (Indican), gespalten, wodurch Indoxyl entsteht, das nach Oxidation zu Indigotin dimerisiert.

Dabei entsteht jedoch - ähnlich wie bei den historischen Verfahren, ein Gemisch aus Indigotin und übrigen Pflanzen bestandteilen, das für den technischen Einsatz nur bedingt geeignet ist. Eine Extraktion mit organischen Lösungsmit teln ist möglich, führt jedoch wieder zu Energieaufwand und Chemikalieneinsatz.

Problemstellung

Der beschriebenen Erfindung liegt die Absicht zugrunde. Bei der Herstellung und Anwendung des Farbstoffes auf den Ein satz umweltbelastender Chemikalien vollständig zu verzich ten und die Prozeßschritte: "Abtrennen der Pflanzenmasse" sowie "Plazierung auf der Textilfaser" dementsprechend zu modifizieren.

Wesen der Erfindung

Es wurde erkannt, daß der Übergang vom gut wasserlöslichen Ausgangsstoff Indoxyl-Glucosid zum wasserunlöslichen Fermentationsprodukt Indigotin ein geeignetes Trennkri terium darstellt. Es werden deshalb die wasserlöslichen Vorstufen in Lösung gebracht und soweit vorgereinigt, daß alle nicht benötigten Pflanzenbestandteile, die auf ein geeignetes nach der Fermentation eingesetztes mechanisch physikalisches Verfahren zur Indigoabtrennung ansprechen würden, entfernt sind.

Sowohl zum Reinigen der Vorstufe als auch zum Abtrennen des Indigotins eignen sich insbesondere Techniken, die auf Sedimentation, Filtration, Zentrifugalkraft, Adhäsion oder einer Kombination dieser Effekte beruhen.

Das Abscheiden des Indigotins kann auch direkt durch Umspu len des zu färbenden Gutes während der Fermentation erfol gen, an der sich ein Teil des Farbstoffs anlagert.

Gewerbliche Anwendbarkeit

Das beschriebene Verfahren ermöglicht es in großtechnischem Umfang, Indigo in technischer Qualität aus nachwachsenden Rohstoffen mit umweltschonenden Methoden herzustellen. Es ist damit bekannten Verfahren in diesen Bereichen über legen.

Das direkte Färben im Fermentationsbad verringert die mit bekannten Verfahren verbundenen Abwasserprobleme.

Vorteile des Verfahrens

- Im gesamten Prozeß werden keinerlei Hilfsstoffe synthetischen Ursprunges zugeführt, so daß ein hohes Maß an ökologischer Verträglichkeit gewährleistet ist.
- Die Abfallprodukte entsprechen in Art und Menge nahezu der natürlichen Pflanzenmasse, so daß ein Ausbringen auf landwirtschaftlich genutzte Flächen ohne Bedenken erfolgen kann.
- Prozeßenergie wird im wesentlichen neben dem Betrieb der mechanischen Aggregate nur für die erste Extrak tion benötigt, wozu die ansonsten ungenutzte Abwärme des Motors in der Erntemaschine eingesetzt werden kann.
- Da der Prozeß mit ungetrockneter Grünmasse erfolgt, wird kein oder nur sehr wenig Prozeßwasser benötigt.
- Trotz der geringen ökologischen Belastung entsteht ein Produkt mit hoher Reinheit und somit günstigen tech nischen Eigenschaften.
- Da an mehreren Stellen im Prozeß definierte Fraktionen der Pflanzenmasse vorliegen, kann die Gewinnung von weiteren interessierenden Inhaltsstoffen mit verrin gertem Aufwand erfolgen. So etwa könnte Indoxyl als Vorstufe für weitere Farbstoffvarianten nach der enzymatischen Spaltung, aber vor der Oxidation abgetrennt werden.

Ausführungsbeispiel

Ein geeignetes Verfahren zur Realisierung des Konzepts wird im Folgenden beschrieben und in Fig. 1 schematisch dargestellt:

Die geernteten Pflanzenteile werden ohne vorhergehende Trocknung in einer geeigneten Vorrichtung - etwa einer Hammermühle (1) - zerkleinert und erhitzt (2), wodurch die Vorstufen gemäß Anspruch 1 in Lösung gehen. Um zu vermei den, daß die Gärung während des Transports des Erntegutes einsetzt - was dazu führen würde, daß Indigo bei den Reini gungsschritten verloren geht - kann das Zerkleinern und Erhitzen gemäß Anspruch 3 direkt auf der Erntemaschine erfolgen. Dabei kann die Abwärme des Antriebsmotors (3) zum Heizen genutzt werden.

Durch Filtration und Sedimentation erfolgt die in Anspruch 1 genannte und in Anspruch 4 näher bestimmte Abtrennung suspendierter und kolloidaler Pflanzenbestandteile. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, daß ein Dekanter (4) eine grobe Trennung in flüssige und feste/schwerere Bestandteile vornimmt. Der Feststoffanteil wird in einer Filterbandpresse (5) weiter entwässert. Die Flüssigfraktion von Nr. (4) und (5) werden nach einer Vorfiltration (6) einer Ultrafiltration (7) gemäß Anspruch 4 zugeführt. Die Retentate können jeweils an geeigneter Stelle nochmals in den Prozeß zurückgeführt werden.

Eine anschließende Umkehrosmose (8) nach Anspruch 5 kann bei Bedarf durch Aufkonzentration die Fermentationsbedin gungen verbessern und die zu verarbeitenden Volumina redu zieren.

Im Fermenter (9) werden unter geeigneten Bedingungen ein Enzym zum Spalten des Indoxylglucosides sowie ein Oxidans für den weiteren Reaktionsverlauf zugegeben.

Es entsteht wasserunlösliches Indigotin, das ausfällt und somit nach Anspruch 4 - etwa durch erneute Ultrafiltration (10) - abgetrennt werden kann. Die Trenngrenze ist dabei nach Anspruch 1 weniger scharf als bei (7) zu wählen, so daß durch (10) keine Verunreinigungen zurückgehalten werden, die die Stufe (7) passieren konnten. Somit ist gewährleistet, daß im Retentat neben dem Indigo nur wasser lösliche Bestandteile und kleinste Mengen des zugesetzten Enzymes vorhanden sind.

Wenn notwendig, kann dieses Produkt durch anschließendes Entwässern und Trocknen weiter aufbereitet werden.

Die Fermentation kann nach Anspruch 6 anstatt in einem eigenem Fermenter auch direkt in einer Färbeflotte, wie sie in der Textilverarbeitung eingesetzt wird, erfolgen. Dabei lagert sich ein Teil des entstehenden Indigotins direkt an der zu färbenden Faser an, der andere Teil kann wie oben beschrieben aufbereitet werden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von technisch reinem Indigo aus pflanzlichem Ausgangsmaterial, gekennzeichnet dadurch, daß

- als Ausgangssubstrat ein Material eingesetzt wird, das direkt aus der Frischmasse geeigneter Pflanzen gewonnen wird;
- die Pflanzenzellen mechanisch oder mittels Dampf aufgeschlossen werden;
- in diesem Substrat durch Erhitzen, Kochen oder Dampfbehandlung - gegebenenfalls unter Überdruck - wasserlösliche Indigovorstufen zur Lösung gebracht werden;
- daraus durch geeignete Verfahren vor der Fermenta tion suspendierte und/oder kolloidale Pflanzen bestandteile abgetrennt werden;
- dieses Substrat einer geeigneten Fermentation unterworfen wird, während der aus den Vorstufen Indigotin entsteht;
- aus dem Fermentationsprodukt das in suspendierter und/oder kolloidaler Form vorliegende Indigotin durch geeignete Verfahren abgetrennt wird;
- die jeweiligen Trennverfahren zur Reinigung und zum Abtrennen des Indigotins so aufeinander ab gestimmt werden, daß im zu fermentierenden Sub strat keine Pflanzenbestandteile mehr enthalten sind, die nachher mit dem Indigotin abgetrennt würden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß

- als Ausgangsmaterial die Indoxyl-β-d-Glucosid enthaltenden Blätter des Färberwaids Isatis tinc toria eingesetzt werden;
- während der Fermentation ein von Bakterien produ ziertes Enzym Indoxyl-β-d-Glucosidase das Indoxyl aus den Vorstufen abspaltet;
- das Indoxyl anschließend oxidiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 bis 2, gekennzeichnet dadurch, daß

- zum Vermeiden von Gärverlusten der Aufschluß und/oder das Erhitzen direkt auf der Erntemaschine durchgeführt werden;
- dabei zum Erhitzen die Abwärme des Antriebsmotors dieser Maschine eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß

- zum Reinigen des Fermentationssubstrates Geräte eingesetzt werden, die auf Sedimentation, Flieh kraft oder Filterwirkung beruhen, insbesondere Zentrifugen, Dekanter, Hydrozyklone sowie Filtra tionseinrichtungen verschiedener Bauart sowie Kom binationen dieser Verfahren;
- als letzter Reinigungsschritt eine Ultrafiltration mit einer Trenngrenze bei einem Molekulargewicht von ca. 400 atomaren Masseeinheiten oder größer eingesetzt wird mit einer bevorzugt für hydrophile Substanzen - insbesondere auch Indoxyl-Glucosid - durchlässigen Membran;
- zur Optimierung der Filtration schleimstoffab bauende Enzyme eingesetzt werden;
- das Abtrennen des Indigos ebenfalls durch Sedimen tation, Fliehkraft oder Filterwirkung mit den oben genannten oder anderen geeigneten Geräten erfolgt.

5. Verfahren nach 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß nach der Reinigung des Substrates eine Aufkonzentration der Indigovorstufe durch Umkehrosmose an einer dafür undurchlässigen Membran erfolgt.

6. Verfahren nach 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Fermentation auch direkt in Kontakt mit dem einzufärbenden Gut derart erfolgt, daß sich der Farbstoff direkt darauf anla gert, wenn die Oberfläche eine ausreichende Affinität zu Indigo aufweist.

7. Verfahren nach 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß einzelne Teilfraktionen aus dem Prozeß als Ausgangspunkt für die Isolation weiterer Pflanzeninhaltsstoffe dienen können.