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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Prozess zum enzymatischen Bleichen
natürlicher
auf Cellulose basierender Nichtbaumwoll-Stoffe. Insbesondere betrifft
die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bleichen von Leinen,
Flachs, Jute, Ramie und ähnlichen
Stoffen mit einem Enzym, das eine xylanolytische Aktivität aufweist.
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2. Stand der
Technik
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Die
enzymatische Behandlung von Cellulosestoffen hat in der Industrie
sehr viel Erfolg erzielt. Insbesondere haben die Baumwolltextil-
und insbesondere die Jeans-Industrie Cellulaseenzyme als Alternativen
für chemische
Prozesse in solchen Textilverarbeitungsschritten wie Stonewashing,
Biopolishing und Depilling eingeführt. Zusätzlich sind Amylaseenzyme zur
Verwendung als Entschlichtungsmittel eingeführt worden. Oxidoreduktaseenzyme
sind zur Verwendung in der Textilindustrie zu dem Zweck des Bleichens
und der Verringerung der Farbstoffübertragung vorgeschlagen worden.
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Die
Reinigungsindustrie hat ebenfalls Enzyme als nützliche Mittel beim Waschen
von verschmutzten Stoffen und Bekleidung eingeführt, wobei die derzeitigen
Technologien die weit verbreitete Verwendung von Protease, Cellulase
und Amylase in Detergensformulierungen einschließen. Beschrieben werden beispielsweise
Proteasezusammensetzungen, die bei der Entfernung von auf Protein
basierenden Flecken aus Stoffen nützlich sind. Zusätzlich wurden
Cellulase, Amylase, Cutinase, Lipase, Peroxidase, Oxidase und Xylanase (WO
98/39402) zur Verwendung in Waschdetergenzien zur Entfernung von
Flecken oder zur Bereitstellung von anderen wünschenswerten Attributen für den gewaschenen
Stoff vorgeschlagen.
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Xylane
sind komplexe Heteropolymere, die hauptsächlich aus Xylose und Arabinose
bestehen. Xylane aus Landpflanzen sind zusammengesetzt aus einer β-1,4-verknüpften D-Xylopyranosyl-Hauptkette, welche mit
Acetylresten und Resten von Arabinose und Methylglucuronsäure substituiert
sein kann. Xylane sind nach Cellulose die zweithäufigsten Kohlenhydrate in der
Bio masse. Eine Anzahl von Enzymen wird für die vollständige Hydrolyse
von Xylanen benötigt,
von welchen Hemicellulasen die am weitestgehend gewürdigten
sind.
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Beispielsweise
sind Hemicellulasen in der Zellstoff- und Papierindustrie zum Bleichen
von Zellstoffen verwendet worden, um die Dosen von Chemikalien beim
nachfolgenden Bleichen zu verringern oder um die Helligkeit des
Zellstoffs zu erhöhen
(Kantelinen et al., International Bleaching Conference, TAPPI Proceedings, 1–5 (1988);
Viikari et al., Paper and Timber 7: 384–389 (1991)). Von einer solchen
Verwendung wurde weiterhin angenommen, dass diese frei von einer
cellulolytischen Aktivität
ist, welche den Cellulosefasern schaden würde. Eine solche Verwendung
in der Zellstoff- und Papierindustrie wird weiterhin in den PCT-Schriften
Nr. WO 89/08738, WO 91/02791 und WO 91/05908 beschrieben. Hemicellulasen
wurden ebenfalls bei der Umwandlung von Biomasse in Brennstoffe
vorgeschlagen (Viikari et al., „Hemicellulases for Industrial
Applications", Bioconversion
of Forest and Agricultural Wastes, Saddler, J. Herausg., CAB International,
USA (1993)) und als Zusätze
zu Futter.
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Die
WO 99/32708 offenbart die Behandlung von Textilien mit Cellulasen
und gegebenenfalls Hemicellulasen beim Biopolishing.
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Wie
man sehen kann, wurde eine umfassende Arbeit auf dem Gebiet der
Textilien und der Kohlenhydrat-Xylan-Chemie geleistet. Jedoch sucht
die Textilindustrie immer noch nach verbesserten Verfahren zur Behandlung
von Cellulosestoffen mit im Hinblick auf die Umwelt günstigen
Zusammensetzungen, welche diesen Stoffen einen zusätzlichen
Wert verleihen. Insbesondere hat die Industrie einen lange bestehenden
Bedarf für die
Entwicklung von effizienteren und sauberen Verfahren zur Behandlung
von natürlichen
Nichtbaumwoll-Cellulose-Textilgarnen und Stoffen, um verbesserte
Produkte zu produzieren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein enzymatisches Verfahren zum
Bleichen von Nichtbaumwoll-Cellulose-Textilfasern, Garnen und/oder
Stoffen und damit erzeugte Textilien bereit zu stellen.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein alternatives Verfahren
zum Bleichen von Nichtbaumwoll-Cellulose-Textilfasern, Garnen und/oder
Stoffen und damit erzeugten Textilien bereit zu stellen, welches
nicht die Verwendung von im Hinblick auf die Umwelt gefährlichen
und unerwünschten
Chemikalien beinhaltet.
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Es
ist noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine einfache und effiziente
Weise zur Weißfärbung von
Flachs, Leinen, Jute und oder Ramie bereit zu stellen, welche mit
den Standard-Feuchtbearbeitungspraktiken
der Industrie kompatibel ist.
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren zum Bleichen einer Nichtbaumwoll-Cellulose-Textilfaser,
eines Garns oder Stoffes durch Inkontaktbringen der Textilfaser,
des Garns oder Stoffes mit einem Xylanaseenzym für einen Zeitraum und unter
Bedingungen, die geeignet sind, um eine Weißfärbung der Textilfaser, des Garns
oder Stoffes zu erzeugen, bereitgestellt. In einem besonders bevorzugten
Verfahren gemäß der Erfindung
umfassen die Textilfaser, das Garn oder der Stoff Flachs, Jute,
Ramie oder Leinen.
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In
einer Prozessausführungsform
der Erfindung findet der Bleichprozess der Erfindung vor der Herstellung
eines Textilprodukts statt. In einer anderen Prozessausführungsform
der Erfindung findet der Bleichprozess der Erfindung an einem sauberen,
nicht verschmutzten Textilprodukt statt.
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In
einer Prozessausführungsform
der Erfindung werden die Textilfaser, das Garn oder der Stoff, welche
wie hierin angegeben gebleicht wurden, anschließend zu einem fertigen Textilprodukt
verarbeitet. In einer anderen Prozessausführungsform der Erfindung werden
die Textilfaser, das Garn oder der Stoff in einem kontinuierlichen
Prozess mit einer Xylanase behandelt oder werden alternativ in einem
diskontinuierlichen Prozess mit einer Xylanase behandelt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung
wird ein Verfahren bereitgestellt zum Bleichen einer Nichtbaumwoll-Cellulose-Textilfaser,
eines Garns oder Stoffes durch Inkontaktbringen der Textilfaser,
des Garns oder Stoffes mit einem Xylanaseenzym für einen Zeitraum und unter
Bedingungen, die geeignet sind, um eine Weißfärbung der Textilfaser, des
Garns oder Stoffes zu erzeugen. In einem besonders bevorzugten Verfahren
gemäß der Erfindung
umfassen die Textilfaser, das Garn oder der Stoff Flachs, Jute,
Ramie oder Leinen.
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In
einer Prozessausführungsform
der Erfindung findet der Bleichprozess der Erfindung vor der Herstellung
eines Textilprodukts statt. In einer anderen Prozessausführungsform
der Erfindung findet der Bleichprozess der Erfindung an einem sauberen,
nicht verschmutzten Textilprodukt statt.
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In
einer Prozessausführungsform
der Erfindung werden die Textilfaser, das Garn oder der Stoff, welche
wie hierin angegeben gebleicht wurden, anschließend zu einem fertigen Textilprodukt
verarbeitet. In einer anderen Prozessausführungsform der Erfindung werden
die Textilfaser, das Garn oder der Stoff in einem kontinuierlichen
Prozess mit einer Xylanase behandelt oder werden alternativ in einem
diskontinuierlichen Prozess mit einer Xylanase behandelt.
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„Hemicellulasen" wie hierin verwendet
bedeutet Enzyme, welche den Abbau und/oder die Modifikation von
Hemicellulosen katalysieren, wobei diese Xylanase, Mannanase, Xylosidase,
Mannosidase, Glucosidase, Arabinosidase, Glururonidase und Galactosidase
einschließen.
Die Xylanase wird so verstanden, dass diese irgendein Xylan abbauendes
Enzym bedeutet, welches entweder natürlich vorkommt oder rekombinant
erzeugt wurde. Im Allgemeinen sind Xylan abbauende Enzyme Endo-
und Exoxylanasen, welche Xylan in einer endo- oder exo-Weise hydrolysieren
und solche Enzyme wie z.B. Endo-1,3-?-xylosidase, Endo-β-1,4-xylanasen
(1,4-β-Xylan-xylanohydrolase;
EC 3.2.1.8), 1,3-?-D-Xylan-xylohydrolase und β-1-4-Xylosidasen (1,4-β-Xylan-xylohydrolase;
EC 3.2.1.37) (EC Nr. 3.2.1.32, 3.2.1.72, 3.2.1.8, 3.2.1.37) umfassen.
Bevorzugte Xylanasen sind jene, welche von einem filamentösen Pilz
oder einer Bakterienquelle abgeleitet sind, einschließlich beispielsweise
den Pilzen der Gattungen Aspergillus, Disportrichum, Penicillium,
Humicola, Neurospora, Fusarium, Trichoderma und Gliocladium oder
von dem Bakterium Bacillus, thermotoga, Streptomyces, Microtetraspora,
Actinmadura, Thermomonospora, Actinomyctes und Cepholosporum.
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Das
Enzym kann ein Xylanaseenzym sein, das manipuliert wurde, um spezifische
Eigenschaften wie z.B. Stabilität,
Aktivität
oder Bindungsfähigkeiten
aufzuweisen, welche nützlich
sind, oder kann ein Enzym sein, das anfangs eine geringe oder keine
Aktivität
als eine Xylanase aufweist, welches aber unter Verwendung der Prinzipien
der gerichteten Evolution oder des Proteinengineerings modifiziert
wurde, um zu einem Enzym mit signifikanter Xylanaseaktvität zu führen.
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„Bleichen" wie hierin verwendet
bedeutet den Prozess der Behandlung einer Textilfaser, eines Stoffes und/oder
Garns, um bei der Textilfaser, dem Stoff oder Garn eine hellere
Farbe zu erzeugen. Beispielsweise bedeutet Bleichen, wie es hierin
verwendet wird, die Weißfärbung des Stoffes
durch Entfernung, Modifikation oder Maskierung von eine Farbe verursachenden
Verbindungen in der Cellulose-Textilfaser.
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„Nichtbaumwoll-Cellulose-Textilfaser,
Garn oder Stoff" bedeutet
Textilfasern, Garne oder Stoffe, welche hauptsächlich aus einer auf Cellulose
basierenden Zusammensetzung, die von Baumwolle verschieden ist,
zusammengesetzt sind. Beispiele für solche Zusammensetzungen
umfassen Leinen, Ramie, Jute, Flachs und andere ähnliche Zusammensetzungen,
welche von Nichtbaumwoll-Cellulosematerialien abgeleitet sind.
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In
einer Ausführungsform
umfasst das Bleichen gemäß der vorliegenden
Erfindung das Herstellen einer wässrigen
Lösung,
welche eine effektive Menge einer Xylanase oder einer Kombination
von Xylanasen, zusammen mit anderen fakultativen Bestandteilen,
die beispielsweise einen Puffer oder ein Tensid einschließen, enthält. Eine
effektive Menge einer Xylanaseenzym-Zusammensetzung ist eine Konzentration
des Xylanaseenzyms, die für
ihren beabsichtigen Zweck ausreicht. Somit ist beispielsweise eine „effektive
Menge" der Xylanase
in einer Zusammensetzung, die dazu gedacht ist, ein Bleichen über eine
Reihe von Wäschen
hinweg gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erzeugen, die Menge, welche die gewünschte Wirkung, z.B. die Farbeigenschaften
des Cellulose-haltigen Nichtbaumwoll-Textilgegenstands im Vergleich
mit einem ähnlichen
Verfahren, das keine Xylanase verwendet, zu verbessern, liefern
wird. Die Menge der eingesetzten Xylanase ist ebenfalls abhängig von
der eingesetzten Ausrüstung,
den eingesetzten Prozessparametern, z.B. der Temperatur der Xylanase-Bleichlösung, der
Expositionsdauer an die Xylanaselösung und der Xylanaseaktivität (z.B. wird
eine bestimmte Lösung
eine geringere Konzentration an Xylanase benötigen, wenn eine aktivere Xylanasezusammensetzung
im Vergleich zu einer weniger aktiven Xylanasezusammensetzung verwendet
wird). Die genaue Konzentration der Xylanase in der wässrigen
Bleichlösung
kann leicht auf der Basis der obigen Faktoren wie auch des gewünschten
Ergebnisses von einem Fachmann bestimmt werden.
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In
einer Ausführungsform
des Bleichens kann ein Puffer derart in der Behandlungszusammensetzung eingesetzt
werden, dass die Konzentration des Puffers ausreicht, um den pH
der Lösung
innerhalb des Bereichs zu halten, in dem die eingesetzte Xylanase
die gewünschte
Aktivität
zeigt. Der pH, bei welchem die Xylanase Aktivität zeigt, hängt von der Art der eingesetzten
Xylanase ab. Die genaue Konzentration des eingesetzten Puffers wird
von mehreren Faktoren abhängen,
welche ein Fachmann leicht berücksichtigen
kann. Beispielsweise werden in einer bevorzugten Ausführungsform
der Puffer wie auch die Pufferkonzentration so ausgewählt, dass der
pH der endgültigen
Xylanaselösung
innerhalb des pH-Bereichs gehalten wird, der für die optimale Xylanaseaktivität benötigt wird.
Die Bestimmung des optimalen pH-Bereichs der Xylanase der Erfindung
kann gemäß wohlbekannten
Techniken ermittelt werden. Geeignete Puffer bei einem pH innerhalb
des Aktivitätsbereichs
der Xylanase sind den Fachleuten auf dem Gebiet ebenfalls wohlbekannt.
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Zusätzlich zu
der Xylanase und einem Puffer kann die Behandlungszusammensetzung
ein Tensid, d.h. ein kationisches, nichtionisches oder anionisches
Tensid, enthalten. Geeignete Tenside umfassen jegliches Tensid,
das mit der Xylanase, die verwendet wird, und dem Stoff kompatibel
ist, einschließlich
beispielsweise anionischer, nichtionischer und ampholytischer Tenside.
Geeignete anionische Tenside umfassen lineare oder verzweigte Alkylbenzolsulfonate;
Alkyl- oder Alkenylethersulfate mit linearen oder verzweigten Alkylgruppen oder
Alkenylgruppen; Alkyl- oder
Alkenylsulfate; Olefinsulfonate; Alkansulfonate und dergleichen,
sind aber nicht darauf beschränkt.
Geeignete Gegenionen für
anionische Tenside umfassen Alkalimetallionen wie z.B. Natrium und
Kalium; Erdalkalimetallionen wie z.B. Calcium und Magnesium; das
Ammoniumion; und Alkanolamine mit 1 bis 3 Alkanolgruppen der Kohlenstoffzahl
2 oder 3, sind aber nicht darauf beschränkt. Amphopytische Tenside
umfassen z.B. quaternäre
Ammoniumsalzsulfonate und ampholytische Tenside vom Betaintyp. Solche
ampholytischen Tenside weisen sowohl positiv als auch negativ geladene
Gruppen in demselben Molekül
auf. Nichtionische Tenside umfassen im Allgemeinen Polyoxyalkylenether,
wie auch höhere
Fettsäurealkanolamide
oder ein Alkylenoxid-Addukt
von diesen, und Fettsäure-Glycerin-Monoester.
Mischungen von Tensiden können
ebenfalls in einer Weise, die den Fachleuten bekannt ist, eingesetzt
werden.
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In
einigen Ausführungsformen
kann es wünschenswert
sein, die oben diskutierten Parameter zu dem Zweck einzustellen,
den enzymatischen Abbau zu steuern. Beispielsweise kann der pH an
gewissen Zeitpunkten eingestellt werden, um die Aktivität der Xylanase
auszulöschen
und einen unerwünschten übermäßigen Abbau
zu verhindern. Alternativ können
andere im Stand der Technik anerkannte Methoden zur Auslöschung der
Enzymaktivität,
z.B. chemische Behandlung, Proteasebehandlung und/oder Wärmebleichung,
durchgeführt
werden.
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Die
folgenden nicht beschränkenden
Beispiele sind dazu gedacht, die Erfindung, wie sie oben beschrieben
wurde, weiter zu beschreiben.
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BEISPIELE
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A.
Techniken, die zur Bestimmung spezifischer Aktivitäten verwendet
wurden:
Azo-Birchwood Xylanase Assay
BCA Protein Assay
RBB
Azo-CM-Cellulose Assay
Elektrophorese
Densitometrie
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– Testverfahren:
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Materialien
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- a.1. Stoffe:
- – Oyster,
Natürlicher
Leinenstoff (L-51) (Lot# 699-8) von Testfabrics, Inc.
- a.2. Reagenzien:
- – 50
mM Acetatpuffer, pH 4,5
- – 50
mM Phosphatpuffer, pH 7,0
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Enzyme:
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- – GC
140, Xylanaseenzym aus T. reesei, im Entwicklungsstadium
- – Xylanase
52617 – aus
Pilzen, betriebsintern
- – GC
260, Xylanase zur Weizen-Stärke-Trennung
aus Bacillus pumulis, im Entwicklungsstadium
- – Xylanase
720, bakterielle Xylanase
- – Xylanase
990391 aus Bacillus subtilis
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– Anwendungsverfahren:
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- (1) Das Tergotometer wurde auf die folgenden
Parameter eingestellt: 40 Grad Celsius, 90 UpM Rührgeschwindigkeit, 60 Minuten
Waschzeit.
- (2) Das Wasserbad des Tergotometers wurde so eingestellt, dass
es auf 40 Grad Celsius heizte, dann wurde eine geeignete Menge destilliertes
Wasser zugegeben, um ein Gesamtvolumen von 1 Liter Waschflüssigkeit
zu erhalten.
- (3) 250 ml 0,2 M Phosphatpuffer, pH 7,0, oder 0,2 M Acetatpuffer,
pH 4,5, um eine Endpufferkonzentration von 50 mM (1 Liter Gesamtvolumen)
zu erzeugen, wurden zugegeben und der pH überprüft.
- (4) Eine geeignete Menge an Enzymen wurde zugegeben, und der
pH der Waschflüssigkeit
wurde überprüft.
- (5) Vier Stoffproben aus Oyster-Leinen pro Topf wurden zugegeben,
und der Timer wurde auf 60 Minuten Wäsche eingestellt.
- (6) Nach 30 und 60 Minuten wurde der pH der Waschflüssigkeit überprüft.
- (7) Nach 60 Minuten wurden die Stoffproben aus jedem Topf in
Netzbeuteln in einer Waschmaschine bei den folgenden Bedingungen
gespült:
Spülzyklus,
kalte Temperatur, niedriger Wasserstand und reguläre Geschwindigkeit.
- (8) Die Stoffproben wurden getrocknet, indem eine Dampfpresse
bei einer mittleren Wärmestufe
für 10–15 Sekunden
verwendet wurde.
- (9) Die CIELAB L*-, a*-, b*-Werte der Stoffproben wurden erhalten,
indem das HunterLab Mini Scan Spektrokolorimeter verwendet wurde.
(Die L*-, a*-, b*-Werte
der Stoffproben wurden vor dem Waschen zum Vergleich abgelesen).
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Beide
Xylanaseenzyme zeigten eine deutliche Bleichwirkung auf rohe natürliche Leinenstoffe.
Die Stoffproben aus rohem Leinen, welche vor der Wäsche eine
gebrochen weiße
Farbe zeigten, wurden nach 1 Zyklus von 60 Minuten Wäsche bei
pH 7,0 und 40°C
mit Xylanase weiß.
Beide Xylanasen zeigten einen sinkenden b*-Farbskalenwert bei Stoffproben
aus rohem Leinen nach Behandlung mit diesen Enzymen für 60 Minuten
bei Waschbedingungen von 40°C
und pH 7,0.
