Nghiên cứu phát triển công nghệ sinh học

NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN (H2N2)-Trong bối cảnh toàn cầu hóa về thương mại như hiện nay, mối quan tâm ưu tiên của các nhà sản xuất cũng như người tiêu dùng toàn cầu đang thay đổi mạnh mẽ. Trong sự cạnh tranh toàn cầu, chất lượng và các qui trình xử lý, sản xuất thân thiện với môi trường có một vai trò quan trọng. Bài viết dưới đây giới thiệu một cách tổng quan các nghiên cứu trong các lĩnh vực khác nhau về công nghệ sinh học có thể áp dụng trong công nghiệp dệt để có được các sản phẩm chất lượng qua quá trình xử lý thân thiện môi trường. Các tiến bộ trong lĩnh vực sản xuất và biến tính xơ, việc sử dụng các loại enzyme khác nhau trong xử lý dệt và việc quản lý chất thải dệt bằng cách sử dụng công nghệ sinh học cũng được đề cập đến.   1. Giới thiệu chung Công nghiệp dệt đang đối mặt với các thách thức về vấn đề chất lượng và hiệu quả do vấn đề toàn cầu hóa của thị trường thế giới. Khi áp lực cạnh tranh ngày càng lớn và giới hạn sinh thái trở nên chặt chẽ hơn thì ý thức về chất lượng và sinh thái trở thành mối quan tâm chính của các cơ sở gia công dệt. Điều này tạo nên sự tiến bộ và thay đổi trong quá trình gia công. Kết quả là các chiến lược nghiên cứu và phát triển của các nhà gia công dệt sẽ được tập trung cao hơn và sẽ tác động đến nhiều thay đổi trong công nghiệp dệt. Công nghệ sinh học là một lĩnh vực mà đang làm thay đổi việc gia công theo truyền thống sang việc gia công thân thiện với môi trường trong ngành dệt. 1 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN Công nghệ sinh học là một ứng dụng của các sinh vật sống và thành phần của chúng trong sản xuất và gia công công nghiệp. Vào năm 1981, Hiệp hội công nghệ sinh học châu Âu đã định nghĩa công nghệ sinh học là sự sử dụng kết hợp các nghiên cứu của sinh hóa, vi trùng học, và kỹ thuật hóa học để đạt được ứng dụng công nghệ về khả năng của vi khuẩn và các tế bào nuôi cấy mô. Công nghệ sinh học cũng đã có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp dệt, đặc biệt trong quá trình xử lý dệt và quản lý dòng thải. Sự hiểu biết, mong muốn cho vải có chất lượng tốt hơn và nhận thức về các vấn đề môi trường là hai hướng quan trọng cho công nghiệp dệt thông qua công nghệ sinh học trong các lĩnh vực khác nhau của chúng. 2. Công nghệ sinh học trong gia công dệt Các lĩnh vực ứng dụng chính của công nghệ sinh học trong công nghiệp dệt được chỉ ra dưới đây: - Cải tiến nhiều loại cây được sử dụng trong sản xuất xơ dệt và trong các tính chất của xơ; - Cải thiện xơ lấy từ động vật; - Tạo ra các xơ mới từ polyme sinh học và từ vi sinh học biến đổi di truyền; - Thay thế quá trình xử lý sử dụng các hóa chất độc hại và yêu cầu năng lượng bằng quá trình xử lý enzyme trong gia công dệt; - Các hướng thân thiện môi trường cho chất trợ dệt; - Sử dụng các enzyme mới trong xử lý hoàn tất dệt; - Phát triển các chất tẩy rửa trên cơ sở enzyme năng lượng thấp; 2 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN - Các công cụ chuẩn đoán mới để phát hiện sự pha trộn và kiểm soát chất lượng vật liệu dệt; - Quản lý chất thải.   3. Cải thiện xơ tự nhiên Công nghệ sinh học có thể có vai trò quyết định trong sản xuất xơ tự nhiên với các tính chất được cải thiện và biến đổi bên cạnh việc cung cấp các cơ hội cho sự phát triển của các nguyên liệu polyme mới. Các xơ tự nhiên đang được nghiên cứu là bông, len và tơ. 3.1 Bông Bông tiếp tục chiếm ưu thế trong thị trường xơ tự nhiên. Nó có tiềm năng kinh tế và kỹ thuật lớn nhất cho việc biến đổi bởi các phương tiện công nghệ. Các nghiên cứu kỹ thuật di truyền học trên cây bông để giải quyết các vấn đề chính liên quan trồng bông, đó là cải thiện khả năng kháng sâu bọ, bệnh tật, thuốc diệt cỏ, giúp cải thiện chất lượng và năng suất cao hơn; còn cách tiếp cận dài hạn của việc phát triển xơ bông với việc thay đổi tính chất như là cải thiện độ bền, chiều dài, ngoại quan, độ chín và mầu sắc 3.2 Bông biến đổi gen Mỗi năm, hàng nghìn giờ nghiên cứu và hàng trăm nghìn đô la đã được tiêu cho việc bảo vệ bông khỏi sâu bướm. Những người trồng bông cố gắng tìm tòi để sản xuất một sản phẩm có thể bán được khi sử dụng pheromones (loại hormones giao phối của sâu bọ). Việc sử dụng quá mức thuốc trừ sâu đe dọa nghiệm trọng cho hình ảnh mầu xanh của bông. Sau nhiều năm nghiên cứu, một loại công cụ hoàn toàn mới đã được hoàn thiện cho những người trồng bông tránh được sâu bông hồng, một trong những loài phá hoại chính của cây bông. 3 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN Khoảng mười năm trước, tại Monsanto, một công ty hóa chất toàn cầu, các nhà khoa học đã thu được một gen độc từ các vi khuẩn ở đất được gọi là BT (Tên gọi tắt của Bacillus Thuingiensis) và đưa nó vào cây bông để tạo một loài chống lại sâu bướm. Gen là một DNA giúp sản xuất các protein độc. Độc tính sẽ giết sâu bướm bằng cách làm tê liệt hệ tiêu hóa của sâu bướm khi chúng ăn phải chất độc này. Các cây có gen độc BT sẽ tự sản sinh ra chất độc và do đó có thể giết sâu bướm ở tất cả các mùa mà không cần phun thuốc trừ sâu. Bởi vì chất độc làm chết sâu bướm nhưng không có hại tới các tổ chức khác nên nó an toàn cho con người và môi trường. Monsanto đã đăng ký công nghệ gen BT của họ cho bông biến đổi gen dưới nhãn hiện thương mại là Bollgard và các công ty hạt giống được lựa chọn ủy quyền để phát triển các loại bông mang gen đã được cấp bản quyền. Ổn định hơn, bền vững hơn, và hiệu quả hơn, các loại gen BT đang được phát triển để ngăn chặn các loại sâu đo và các loại sâu khác trên cây bông. Việc chống lại sâu bệnh vẫn đang được phát triển theo hướng sử dụng một tổ chức gen gây tổn thương có khả năng phát ra một liều lượng độc tố lớn nhưng khoanh vùng ở mức độ cao trong vòng 30-40 giây khi côn trùng cắn. 3.3 Bông mầu Việc phát triển xơ có chứa ánh màu mong muốn trong các màu đậm và bền màu có thể thay đổi bộ mặt của toàn thể ngành công nghiệp xử lý. Bông mầu đang được sản xuất không chỉ 4 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN bởi theo cách lựa chọn di truyền thông thường mà còn bởi kỹ thuật DNA trực tiếp. Mặc dù có thể làm thay đổi mầu tự nhiên của bông bằng các phương pháp gây giống truyền thống nhưng không thể tạo được mầu xanh lơ bằng các cách này. Do mầu xanh lơ được yêu cầu nhiều trong công nghiệp dệt, đặc biệt cho các sản phẩm jean nên cần sử dụng các thuốc nhuộm vải tổng hợp. Tuy nhiên, thành phần của các thuốc nhuộm tổng hợp này thường độc hại và chất thải của chúng gây ô nhiễm môi trường. Hơn nữa, mất rất nhiều thời gian và năng lượng để xử lý chúng trên vải. Bông mầu xanh lơ tự nhiên sẽ không có sự bất lợi này do đó sẽ có tiềm năng thương mại lớn. Công ty Monsanto hy vọng sẽ sớm có được bông mang mầu xanh lơ có giá trị thương mại. 3.4 Bông lai Một đột phá chính khác là khả năng sản xuất bông có chứa polyeste tự nhiên bên trong lõi rỗng của xơ, chẳng hạn như polyhydroxybutyrat (PHB), do đó sẽ tạo ra xơ polyeste/bông tự nhiên. Đã đạt được hàm lượng polyeste khoảng 1% và tăng lên 8 -9% trong xử lý nhiệt các loại vải dệt từ các loại sợi này. Các polyme sinh học khác bao gồm các protein, có thể cũng được đưa vào bên trong lõi bông theo cách tương tự. Các xơ này sẽ được “sản xuất theo phương pháp may đo” đúng với nhu cầu cần thiết của công nghiệp dệt. Các đặc tính mới có thể bao gồm tăng độ bền xơ, tăng khả năng nhuộm, cải thiện sự ổn định kích thước, giảm xu hướng co và nhàu, thay đổi tính hút nước. Độ bền cao sẽ cho phép tốc độ kéo sợi cao hơn và cải thiện độ bền sau khi xử lý chống nhăn. Hoạt tính được cải thiện sẽ cho phép sử dụng thuốc nhuộm hiệu quả hơn. Do đó giảm được lượng mầu trong dòng thải. Để giảm chất thải phát sinh trong công đoạn nấu và tẩy, các xơ sẽ có ít chất pectin và chất sáp hơn và chứa các enzyme có thể phân hủy vi sinh các chất gây ô nhiễm môi trường. Các xơ này có thể được đặt trong các màng lọc nước nhiễm bẩn. 4. Các xơ mới Việc sử dụng công nghệ sinh học có khả năng kiểm soát và tính đặc hiệu trong việc tổng hợp polyme rất khó khăn, hoặc không có thể tổng hợp được trong các hệ thống hóa học. Các nguyên liệu mới được sản xuất theo hướng sinh học tiến tiến sẽ là tương lai của ngành dệt. 5 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN 4.1 Các protein polyme Các hệ thống sinh học có thể tổng hợp các chuỗi protein trong đó khối lượng phân tử, hóa học lập thể, cấu thành amino axit và trình tự được xác định về mặt di truyền học ở mức DNA. Lĩnh vực nghiên cứu hiện nay là hiểu các đặc tính của protein polyme mang lại độ bền kéo giãn tốt, mođun cao và các tính năng thuận lợi khác. Khi hiểu rõ các đặc trưng này thì các công cụ của công nghệ sinh học sẽ hoàn toàn có thể tạo ra các mô hình mới cho việc tổng hợp và sản xuất các protein polyme kỹ thuật. Nếu chúng có thể thực hiện được dưới góc độ kinh tế thì các hướng mới này sẽ giúp giảm bớt sự phụ thuộc vào dầu mỏ và xa hơn nữa sẽ có thể sản xuất các loại nguyên liệu mà có thể phân hủy vi sinh. Việc sử dụng các loại cây trồng biến đổi gen cho sản xuất qui mô lớn các protein polyme và các loại protein tổng hợp khác đang được khảo sát. Mọi nỗ lực trong việc tổng hợp sinh học đã được thực hiện theo hướng chuẩn bị các polymer được xác định cách chính xác ở ba dạng như sau: (1) Các protein tự nhiên như tơ tằm, elastin, chất keo tụ, chất kết dính sinh học từ các loài động vật thân mềm dưới nước; (2) Các dạng biến đổi của các polyme sinh học trên chẳng hạn như chu trình lặp được đơn giản hóa của protein tự nhiên (3) Các protein tổng hợp được thiết kế từ ban đầu không có tính tương tự tự nhiên gần gũi. Mặc dù sự tổng hợp này đòi hỏi các vấn đề kỹ thuật lớn, nhưng các khó khăn này đã được khắc phục hoàn toàn trong những năm gần đây. Cùng với việc sử dụng công nghệ này, người ta đang tạo ra một loại hoàn toàn mới của các protein tổng hợp với các tính năng tiến bộ và biết đến như các nguyên liệu kỹ thuật sinh học. 4.2 Tơ nhện 6 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN Tơ mạng nhện là một vật liệu kỹ thuật đa năng, có thể thực hiện cho một số chức năng yêu cầu. Các tính chất cơ học của tơ mạng nhện vượt trội hơn hẳn nhiều loại xơ tổng hợp khác. Tơ mạng nhện bền hơn thép ít nhất 5 lần, độ đàn hồi gấp hai lần nylon, không thấm nước và có khả năng kéo dãn. Hơn nữa, nó thể hiện đặc điểm khác thường đó là độ bền kéo đứt thực tế tăng lên cùng với việc tăng của biến dạng. 4.3 Các nguồn xơ mới khác Còn có nhiều nữa các polyme sinh học mà đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng cho vệ sinh và băng bó vết thương, bao gồm xenlulo vi khuẩn và các polisaccarit như chất chitin, alginat, dextrin và hyaluronic axid. Dưới đây là một vài loại trong nhóm này: 4.3.1 Các chitin và chitosan Cả chitin và chitosan đều có thể tạo sợi bền. Chitin được tìm thấy trong vỏ của loài giáp xác như cua, tôm hùm, tôm...Tương tự như xenlulo, chitin gồm các phân tử polyme dài dạng thẳng là glycan được nối tại vị trí beta 1-4. Nguyên tử carbon tại vị trí số 2 được tạo nhóm amin và acetyl. Vải dệt từ chúng có tính kháng khuẩn và thích hợp cho các sản phẩm băng quấn vết thương và làm tất chống nấm. Chitosan cũng có các ứng dụng đầy hứa hẹn trong lĩnh vực hoàn tất vải bao gồm nhuộm và chống co cho len. Nó còn có ích trong các hệ thống lọc và thu hồi kim loại quí, kim loại nặng và thuốc nhuộm từ nước thải. Vật liệu băng vết thương làm từ xơ canxi alginat được Courtaulds bán ra với tên thương mại là Sorbsan. Hiện nay việc cung cấp các polysacarit này dựa trên chất chiết từ một số loài vi khuẩn. Dextran, được sản xuất bởi quá trình lên men đường bằng vi khuẩn Leuconostoc mesenteroide hoặc một vài loại vi khuẩn khác, đang được phát triển dưới dạng vật liệu không dệt cho các mục đích sử dụng đặc biệt chẳng hạn như làm vật liệu băng vết thương. Các polyme sinh học ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và trở thành các mặt hàng thương mại trên thị trường. 4.2.2 Xenlulo vi khuẩn 7 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN Xenlulo, sản xuất cho mục đích công nghiệp, thường có được từ các nguồn thực vật hoặc có thể được sản xuất bởi hoạt động của vi khuẩn. Acetobacter xylinium là một trong những vi khuẩn quan trọng nhất cho sản xuất xenlulo có thể thực hiện được với số lượng lớn cho sản xuất công nghiệp. Vi khuẩn Acebacter có khả năng tổng hợp xenlulo từ rất nhiều vật liệu. Xenlulo sản xuất bởi vi khuẩn Acebacter là chất hóa học tinh khiết không có chất gỗ (lignin) và hemixenlulo. Xenlulo được sản xuất như một polysaccarit ngoại bào theo dạng hình dây giống như trùng hợp, có độ bền kéo giãn cao, tính chống xé rách và khả năng thấm nước tốt làm cho nó có tính khác biệt hẳn so với các dạng khác của xenlulo. Xenlulo vi khuẩn này đang được công ty Sony Corporation sử dụng màng âm cho các thiết bị phát thanh. Chúng còn được sử dụng trong sản xuất tấm vải từ xơ carbon hoạt tính dùng để hấp thụ khí độc. Trong lĩnh vực y học, do tính thấm hút nước và các đặc tính cơ học của xenlulo vi khuẩn mà nó được sử dụng tạm thời thay thế cho da người hoặc dùng làm băng gạc để băng vết thương. 4.2.3 Xơ ngô Một loại xơ tổng hợp hoàn toàn mới chuyển hóa từ thực vật là Lactron. Xơ ngô thân thiện môi trường này được liên kết phát triển bởi Kanebo Spinning và Kanebo Gohsen của Nhật. Lactron, loại xơ polylactic acid, được sản xuất từ a xít lactic thu được qua quá trình lên men của tinh bột ngô. Độ bền kéo dãn và các đặc tính khác của Lactron có thể so sánh với các loại xơ hóa dầu chẳng hạn như nylon và polyeste. Do nguyên liệu thích hợp với cơ thể con người nên nó đang được sử dụng cho các ứng dụng bảo vệ sức khỏe và đồ dùng gia đình. Ngoài quần áo, công ty còn thúc đẩy các ứng dụng khác, ví dụ như các ứng dụng trong xây dựng, nông nghiệp, sản xuất giấy, bọc ghế xe ô tô, và các ứng dụng trong gia đình. Năng lượng yêu cầu cho sản xuất xơ ngô thấp và xơ có khả năng thoái biến sinh học. Hơn nữa, không có khí độc tạo ra khi đốt xơ và lượng calo yêu cầu cho đốt cháy chỉ bằng 1/3 hoặc 1/2 yêu cầu cho polyethylen hoặc polypropylen. Xơ phân hủy một cách an toàn thành carbon dioxit, hidro và nước khi ở trong đất. Lactron đang được sản xuất ở nhiều dạng chẳng hạn như vải dệt thoi, chỉ và vải không dệt 4.2.4 Xơ polyeste 8 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN Người ta biết từ năm 1926 rằng các polyeste nào đấy được tổng hợp và được làm đọng trong xenlulo ở dạng hạt bằng các vi khuẩn. Một số trong các nguyên liệu này được tạo thành xơ. Polyhydroxybutyrat (PHB) là một vật liệu trữ năng lượng được sản xuất bởi rất nhiều loại vi khuẩn trong sự đối phó lại với căng thẳng môi trường. Xơ này được sản xuất thương mại từ loài vi khuẩn Alcaligene eutrophus bởi công ty Zeneca Bioproducts và bán dưới tên thương mại là Biopol. Do PHB có khả năng thoái biến sinh học, nên nó rất phù hợp cho việc sử dụng làm bao gói để giảm tác động của túi rác thải đến môi trường Do vậy, nó được ứng dụng trong thương mại để làm các túi đựng đặc biệt. Do có khả năng tương thích miễn dịch với mô con người nên PHB còn được ứng dụng làm kháng sinh, giải phóng thuốc, làm chỉ khâu và làm xương nhân tạo. 4.2.5. Vải sinh học Sự phát triển của các loại vải chống khuẩn đã được dựa trên ý tưởng của các loại vải hoạt hóa với các chất hóa học phản ứng để tác động tới các đặc tính mong muốn. Tuy nhiên nghiên cứu gần đây nhất hướng đến việc sản xuất vải có chứa các dòng vi khuẩn và tế bào được biến đổi di truyền để sản xuất các chất hóa học trong vải dệt, như vậy sẽ tạo ra các chất hóa học tự bổ xung trên vải. Một dự án hợp tác giữa nhóm nghiên cứu khoa học dệt thuộc trường đại học tổng hợp Masachusett, Dartmouth và các kỹ sư sinh học tại trường y thuộc đại học Harvard đã quan tâm đến việc sản xuất một loại vải với các tính năng đặc biệt được gọi là vải sinh học. Vải sinh học sẽ chứa các xơ có hoạt tính sinh học và môi trường sinh học được tạo nên ở dạng siêu nhỏ. Các loại vải này sẽ có các tế bào và vi khuẩn được biến đổi di truyền được kết hợp chặt vào vải mà sẽ cho phép chúng sinh trưởng và thay thế các lớp phủ hóa học và các thành phần hoạt tính hóa học. Các ứng dụng ngách cho vải hoạt tính sinh học hiện có trong công nghiệp y tế và quốc phòng, ví dụ như băng gạc giải phóng thuốc hoặc quần áo bảo vệ có bộ phận cảm biến tế bào có độ nhạy cảm cao, nhưng vải sinh học có thể tạo thành nền tảng cho dòng sản phẩm hoàn toàn mới trong các sản phẩm dân dụng cũng như tạo ra các loại vải khử mùi bằng vi khuẩn được biến đổi di truyền, vải tự làm sạch và vải liên tục tái tạo nước và chống bẩn. Để những hướng nghiên cứu trên thành công, các công nghệ sẽ phải được phát triển để tạo ra các dụng cụ siêu nhỏ có khả năng duy trì cuộc sống của tế bào hoặc vi khuẩn trong các chu kỳ kéo dài, chịu được nhiệt độ, độ ẩm và tiếp xúc với tác nhân giặt cũng như chịu được kéo dãn cơ học trên vải như độ kéo căng, vò nhàu và nén. 9 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN 5. Các enzym trong hoàn tất dệt Lĩnh vực hoàn tất dệt đòi hỏi nhiều loại hóa chất khác nhau và có hại cho môi trường. Thỉnh thoảng chúng có thể ảnh hưởng đến vật liệu dệt nếu không sử dụng hợp lý. Để thay thế cho việc sử dụng các hóa chất như vậy chúng ta có thể sử dụng các enzym. Việc hoàn tất quần áo denim đã có những tiến bộ vượt bậc từ khi áp dụng xử lý bằng enzym. Các enzym rất đặc hiệu trong hoạt động khi chúng được sử dụng dưới các điều kiện yêu cầu. Các công đoạn mà có thể sử dụng enzym là rũ hồ, nấu, tẩy, giặt sinh học, chuội... Amylaza, pectinaza, và gluco oxidaza là các enzym được sử dụng cho công đoạn rũ hồ, nấu và tẩy trong công đoạn gia công chuẩn bị bằng enzyme. Các mẫu được nấu với pectinaza sẽ ướt ngay lập tức và đồng đều. Lượng keo pectin và các chất khác thải ra trong các mẫu nấu từ xử lý theo cách cổ truyền và xử lý enzym được đo cùng với độ bền mẫu và chỉ số độ trắng. Mẫu tẩy với gluco oxidaza đạt được chỉ số trắng là 15-20 và độ bền giảm ít. Việc chuẩn bị theo cách truyền thống cho vải bông yêu cầu nhiều chất kiềm và do đó thải ra lượng lớn nước. Thay thế cho xử lý này là sử dụng kết hợp các hệ thống enzym phù hợp. Amyloglucosidaza, pectinazas và gluco oxidaza đã được lựa chọn là tương thích với khoảng nhiệt độ và độ pH hoạt động của chúng. Người ta đã phát triển một quá trình cho phép kết hợp hai hoặc ba bước chuẩn bị với một lượng tối thiểu hóa chất xử lý và nước sử dụng. Người ta đã đánh giác các đặc tính như độ trắng, tính hút nước, khả năng nhuộm, độ bền căng của vải. Việc sử dụng xúc tác sinh học trong công nghiệp dệt là một lĩnh vực mới nhất trong xử lý bông. Việc nghiên cứu và phát triển lĩnh vực này được tập chung chủ yếu vào: Tối ưu hóa và tạo thông lệ sử dụng các enzyme kỹ thuật trong các quá trình đã được thiết lập trong công nghiệp dệt hiện nay; Chuẩn bị các công thức pha chế thuốc nhuộm, chất trợ và các hỗn hợp hóa chất tương thích với enzym; Tạo ra các đặc tính mới hoặc được cải thiện cho sản phẩm dệt bằng xử lý enzym; Cung cấp các thuốc nhuộm, các chất trợ được sản xuất theo công nghệ sinh học, phù hợp cho sản xuất công nghiệp, và có thể có khả năng tổng hợp tại chỗ. 6. Các vi khuẩn extremophil Rất nhiều loại vi khuẩn có thể sống trong các điều kiện môi trường khác nhau và khắc nghiệt, chẳng hạn như trong môi trường nhiệt độ cao, trong điều kiện môi trường a xít và kiềm, trong môi trường muối. Các vi khuẩn extremophil này sống tại các vùng khắc nghiệt nhất trên trái 10 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN đất. Nơi mà các vi khuẩn khác không thể sống được thì người ta vẫn tìm thấy chúng trong các vùng biển sâu nhất với áp suất trên 100 bar, trong miệng núi lửa có nhiệt độ trên 100oC, trong các vùng băng giá, trong các hồ muối (với nồng độ lên đến 30%) và trong môi trường với giá trị pH cực kỳ khắc nghiệt (pH9). Thành phần tế bào (các enzym, màng nhầy) của vi khuẩn extremophil được biến đổi để thích nghi một cách tối ưu trong các điều kiện môi trường khắc nghiệt và có các đặc tính như bền vững, tính năng đặc biệt và có tính hoạt động. Những điểm này đã làm các vi khuẩn này rất phù hợp cho các ứng dụng công nghệ sinh học. Tại trường đại học Tổng hợp công nghệ Hamburg- Đức, một nghiên cứu tổng thể về vi khuẩn extremophil để phân lập các vi khuẩn extemophil (ví dụ tinh bột, protein, hemixenlulo) đã được thực hiện để có thể tạo ra các enzyme phân hủy các polyme sinh học, các ancan, các polyaromatic carbonhydrat (PAK) cùng với các chất béo và dầu. Trong phần chính của các nghiên cứu này, một nhóm các enzym có liên quan đến công nghệ sinh học như men phân giải tinh bột amilaza, xylanaza, proteaza, lipaza và các polymeraza DNA đã được làm giầu và mô tả đặc tính. 6.1 Chuyển đổi các polyme tự nhiên bằng các extremozym Tinh bột là một trong các polyme sinh học quan trọng nhất trên trái đất. Đại phân tử được tạo nên từ các nhóm gluco, đóng một vai trò nổi bật trong công nghiệp thực phẩm. Tinh bột biến tính có mặt trong rất nhiều loại thực phẩm. Ví dụ men phân giải tinh bột amilaza và các enzyme phân nhánh được sử dụng để biến tính tinh bột. Với sự trợ giúp của các enzym biến tính tinh bột chịu nhiệt, các quá trình xử lý sau cùng cho tinh bột có thể được thực hiện có ý nghĩa và hiệu quả hơn, ví dụ trong môi trường nhiệt độ cao để cải thiện tính hòa tan của tính bột. Các enzymechịu nhiệt và kiềm (hoạt động trong môi trường pH>8 và 600oC) được sử dụng trong các tác nhân giặt và giũ để loại bỏ tích tụ tinh bột bám dính đồng thời giảm khối lượng chất tẩy rửa. 6.2 Các enzyme đóng vòng Xyclodextrin có thể được sản xuất từ tinh bột với sự trợ giúp của các enzym đóng vòng có tên gọi là xyclodextringlycosyl-transferas(CGTase) từ vi khuẩn Anaerobranca gottschalkii chịu nhiệt và kiềm được phân lập gần đây. Các chất hoạt động kỵ nước hoặc các mùi dễ bay hơi có thể được bao trọn trong các viên vi nang xyclodextrin này Các đặc tính của xyclodextrins bị thay đổi tùy theo loại hóa chất (chất dẫn xuất). Mục đích của nhiều nghiên cứu là cố định một dẫn xuất hoạt tính xyclodextrin lên xơ xenlulo hoặc xơ protein theo dạng một chất kết dính hóa 11 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN học mới trên xơ. Các phân tử đều có một khoảng không rất phù hợp cho hấp thu nhiều chất chẳng hạn như mùi. Rất nhiều ứng dụng có khả năng và có thể nâng cao hiệu quả từ các phức chất này, chẳng hạn như: Tăng tính tan trong nước; Biến đổi các đặc tính sinh học; Tạo khả năng bền vững đối với tia cực tím, thoái biến nhiệt, oxy hóa, thoái biến thủy phân; Giảm các mùi khó chịu; Hấp thu các sản phẩm chống khuẩn. 6.3 Các xenlulo từ vi sinh vật extremophil Xenlulo cũng là một polyme sinh học tạo nên từ các nhóm gluco. Nó là một nguồn quan trọng trong công nghiệp dệt. Việc sử dụng xenlulaza trong chất tẩy rửa sẽ giúp hồi phục mầu (chất tẩy rửa cho vải mầu) và cải thiện việc loại bỏ các chất bẩn thực vật. Xenlulaza còn được sử dụng tất hiệu quả trong mài mòn sinh học (biostoning). Khác với xenluloaza thông thường được tạo nên từ nấm mesopholic, các enzym thủy phân xenlulo từ vi khuẩn extremophil có ưu điểm là có thể sử dụng trong môi trường nhiệt độ và độ pH cao. 6.4 Các enzym xylanolytic Các enzym xylanolytic tạo nên nhóm khác. Xylan là phân tử không đồng nhất (thành phần cơ bản: đường xylose), tạo nên phần lớn nhất trong hemixenlulo thành phần của thành tế bào thực vật. Vi khuẩn xylanolytic có tiềm năng công nghệ sinh học rất lớn. Trong những năm vừa qua, xylanaza đặc biệt được sử dụng nhiều để tẩy trắng giấy bằng enzym. Các nghiên cứu gần đây cho thấy rằng việc xử lý giấy bằng enzym là một phương pháp sinh học và kinh tế thay thế cho quá trình tẩy trắng bằng clo hiện đang được sử dụng ngày nay. Các enzym mà có thể phá hủy được mầu trên bông rất được quan tâm trong công nghiệp dệt. Khối lượng của soda và muối cần cho công đoạn tẩy peroxit có thể được giảm bớt nếu thực hiện tẩy bằng enzym như trên. Hiện nay, có thể sử dụng lại dung dịch tẩy sau khi tẩy hydro peroxit bằng sử dụng enzym catalaza sau khi tẩy. Enzym này phá hủy hydro peroxit còn dư, làm cho có thể sử dụng lại dung dịch tẩy cho công đoạn hoàn tất khác. Công ty Windel Textil GmbH & Co. (D) đã sử dụng quá trình làm sạch dung dịch tẩy mà trong đó các phần thừa của chất tẩy được loại bỏ khỏi sản phẩm dệt, kết quả là giảm được năng lượng, thời gian và các quá trình giặt nhiều nước với nhiệt độ cao. 12 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN Các dự án nghiên cứu tại viện nghiên cứu len Đức (DWI) tại Aachen đã tập trung vào việc sử dụng enzym trong xử lý len, bao gồm cả việc loại bỏ các tạp thực vật trong len, tăng độ trắng, cải thiện cảm giác sờ tay, cải thiện khả năng nhuộm bằng cách tăng cường độ mầu và cho hoàn tất chống co. Vấn đề thu hút sự quan tâm trong thực tiễn là hoàn tất phòng co của len. Một enzym chưa từng được sử dụng trước đây trong công nghiệp dệt đã làm biến đổi bề mặt giống như vẩy của xơ len để ngăn ngừa sự dính bết của các xơ. Ennzym Lanazym cho đến nay mới chỉ được sử dụng trong quá trình nhuộm không liên tục. 6.5 Khử màu thuốc nhuộm bằng sử dụng công nghệ sinh học Các thuốc nhuộm tổng hợp được sản xuất theo cách mà chúng trở nên bền vững đối với thoái biến vi khuẩn dưới các điều kiện ưa khí. Ngoài ra, khả năng hòa tan trong nước và phân tử lượng cao làm hạn chế sự thẩm thấu qua các màng tế bào sinh học. Các quá trình xử lý kị khí biến đổi phần lớn các chất gây ô nhiễm hữu cơ thành mêtan và carbon dioxit, chiếm không gian ít hơn thông thường, xử lý chất thải có COD lên tới 30000 mg/l, chi phí xử lý thấp hơn và tạo ra ít bùn hơn. Các loại thuốc nhuộm azo nhạy cảm với thoái biến sinh học kị khí nhưng sự biến đổi của các hợp chất azo có thể gây ra một số vấn đề về mùi. Các hệ thống sinh học, chẳng hạn như thiết bị lọc sinh học và hệ thống làm sạch sinh học, đã được ứng dụng để loại bỏ mùi và các hợp chất dễ bay hơi khác. Các loại thuốc nhuộm có thể được loại bỏ bằng thấm hút sinh học trên bột táo nghiền và rơm rạ. Các kết quả thực nghiệm cho thấy 1gm bột táo nghiền và 1gm rơm từ cây lúa mì sẽ hút bám phù hợp để loại bỏ thuốc nhuộm từ dòng thải. Qua nghiên cứu cho thấy bột táo nghiền có khả năng hút bám thuốc nhuộm hoạt tính tốt hơn so với rơm từ cây lúa mì. 6.6 Khử màu của dòng thải nhuộm bằng sử dụng các enzym Việc sử dụng loại nấm thối rữa trắng phân hủy lignin đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học do loại sinh vật này có thể phân hủy rất nhiều hợp chất hữu cơ bền vững chẳng hạn như polycyclic aromatic hydrocarbon, chlorophenol, và các loại thuốc nhuộm azo, thuốc nhuộm heterocyclic, thuốc nhuộm polymeric khác nhau. Phần lớn các enzym kết hợp với việc phân hủy lignin là laccaza, lignin peroxidaza và mangan peroxidaza. Laccaza là các enzyme multicopper mà tạo xúc tác cho quá trình oxy hóa các hợp chất phenola và phi phenola. Tuy nhiên, chất nền của laccaza có thể được mở rộng bằng việc sử dụng chất trung gian chẳng hạn như 2, 2-azoinobis-(3-ethylthiazoline-6-sulfonate), 1-hydroxybenzotriazole. Loại nấm Trametes Modesta đã được sử dụng để sản xuất laccaza và sử dụng làm khử mầu thuốc 13 / 14 NGHIÊN CỨU-PHÁT TRIỂN nhuộm tổng hợp. Các kết quả nghiên cứu đã cho thấy laccaza Treametes Modesta có tiềm năng rất lớn để biến thuốc nhuộm dệt thành các sản phẩm không mầu. Tốc độ laccaza khử mầu thuốc nhuộm tăng lên cùng với với việc tăng nhiệt độ lên đến một mức nào đó sau đó lại giảm đi hoặc không xảy ra nếu tiếp tục tăng nhiệt độ. Độ pH tối ưu cho laccaza khử mầu phụ thuộc vào loại thuốc nhuộm sử dụng. Các loại thuốc nhuộm có cấu trúc khác nhau sẽ bị khử mầu theo tỷ lệ khác nhau. Từ các kết quả nghiên cứu này có thể kết luận rằng cấu trúc của thuốc nhuộm cũng như của enzyme có vai trò chính trong việc khử mầu thuốc nhuộm và rõ ràng có thể sử dụng laccaza từ nấm Trametes Modesta để khử mầu của thuốc nhuộm, xử lý dòng thải và trị liệu sinh học hoặc như một chất tẩy. Một nghiên cứu khác được thực hiện bởi E.Abadulla đã cho thấy rằng các loại enzym Pleurotus ostreatus, Schizophyllum Commune, Sclerodium Rolfsii, Trametes Villosa, Myceliophtora Thermiphilia khử mầu có hiệu quả trên các loại thuốc nhuộm có cấu trúc khác nhau. Nghiên cứu này cũng cho thấy rằng tỷ lệ phản ứng phụ thuộc vào cấu trúc của thuốc nhuộm và enzym. Có thể sử dụng các hệ thống bùn hoạt hóa cũng để xử lý dòng thải nhuộm. Nhưng vấn đề khó khăn chính của các hệ thống bùn hoạt hóa là không có đủ thời gian tiếp xúc thực tế giữa vi khuẩn trong hệ thống với chất thải lơ lửng và không tan. Bộ phận phản ứng sinh học thu hồi vi khuẩn là nơi cần thiết để tăng sự tiếp xúc giữa vi khuẩn và chất thải mà không đi kèm với việc tạo ra quá nhiều các chất rắn sinh học, bằng cách sử dụng một loại chất nền rắn nhưng xốp giúp cho phép một lượng lớn hơn các vi khuẩn tham gia vào việc phân hủy chất thải. 7. Kết luận Các ứng dụng tiến bộ công nghệ sinh học trong xử lý dệt đã mở ra một chân trời rộng lớn cho việc sản xuất các sản phẩm dệt nhiều mầu sắc chất lượng cao và thân thiện với môi trường với sự hợp tác chặt chẽ của ngành sinh học và các ngành liên quan. Ngày nay, nền công nghiệp dệt lớn mạnh đang hướng tới các ứng dụng rộng lớn của công nghệ sinh học thân thiện với môi trường và không gây tổn hại đến mạng lưới lương thực hoặc chu trình sống của các thực thể sống khác. Nhận thức như vậy đang làm thay đổi dần yêu cầu về các xu hướng thời trang. Một bước phát triển lớn trong công nghiệp dệt là việc sẵn sàng ứng dụng các công nghệ sinh học này. Nguồn Vinatex/Hoahocngaynay.com 14 / 14