Zpracování keratinových odpadů a možnosti aplikací redukovaných forem keratinu

Ing. Ondřej KREJČÍ

Disertační práce

Keratin Waste Treatment and Application Possibilities of Reduced Forms of Keratin

Anotace:

Práce je zaměřena na přípravu keratinových hydrolyzátů z odpadní ovčí vlny, jejich následnou charakterizaci a možnosti jejich praktického využití. Pro přípravu keratinových hydrolyzátů byla vypracována a optimalizována alkalicko-enzymová hydrolýza, při které je v prvním stupni vlna hydrolyzována v roztoku alkálie s nízkou koncentrací a ve druhém kroku je přidán proteolytický enzym. Experimenty hydrolýz byly naplánovány a vyhodnocovány statistickými faktorovými pokusy, byl sledován vliv vybraných faktorů při hydrolýze na její účinnost. Nejvyšší účinnosti hydrolýzy (téměř 75 % rozložené vlny) bylo dosaženo při zpracování vlny v 1. stupni 0,6% KOH při 90°C po dobu 48 hodin a s přídavkem 5 % enzymu Savinase 6.0T při 60°C po dobu 24 hodin ve 2. stupni. Největší vliv na množství rozložené vlny měla koncentrace alkálie. Při charakterizaci připravených keratinových hydrolyzátů bylo zjištěno, že jejich molární hmotnosti se pohybují nejčastěji mezi 15-50 kDa, ale u některých hydrolyzátů byly zjištěny i frakce s molární hmotností >100 kDa. Složení keratinových hydrolyzátů se odlišuje od vlny zejména obsahem síry a popelovin, ale obsah dusíku se příliš nemění. Dialýzou lze u připravených hydrolyzátů dosáhnout snížení obsahu popelovin na přípustných 5 %. Dle optimalizovaných podmínek alkalicko-enzymové hydrolýzy bylo připraveno zásobní množství hydrolyzátu k dalším pokusům. Aplikační potenciál připravených keratinových hydrolyzátů byl testován na třech vybraných způsobech použití. Nejprve byly z hydrolyzátu připravovány filmy s aditivy (změkčovadlo, síťovadlo), u kterých byly hodnoceny fyzikálně-mechanické vlastnosti a složení. Bylo zjištěno, že filmy s přídavkem 30 % glycerolu a síťované glutardialdehydem měly nejoptimálnější vlastnosti. Dále byly připraveny kompozity ze dvou typů PE s přídavkem 5 a 10 % hydrolyzátu. Mechanické a tepelné vlastnosti těchto směsí se s přídavkem keratinového hydrolyzátu příliš neměnily. Přídavek hydrolyzátu snižuje u těchto kompozitů krystalinitu a tažnost. Poslední zkoušenou aplikací bylo použití hydrolyzátů jako nosičů aktivních látek. Z připravených kapslí se obsažená aktivní látka uvolňovala postupně v průběhu rozpouštění kapslí.

Abstract:

This thesis deals with preparation of keratin hydrolysates from waste sheep wool, characterization of these hydrolysates and their application possibilities. A method of alkali-enzymatic hydrolysis was developed and optimized for preparation of keratin hydrolysates, where in a first step wool was hydrolysed in a low-concentrated alkali solution and in a second step a proteolytic enzyme was added. Hydrolysis experiments were planned and evaluated by statistical factorial test and influence of chosen hydrolysis factors on effectivity of hydrolysis was observed. High efficiency of hydrolysis (almost 75 % of decomposed wool) was reached in experiment, where wool was treated in 0.6% KOH at 90°C for 48 hours in first step and 5 % enzyme Savinase 6.0T addition at 60°C for 24 hours in second step. Concentration of alkali solution has high influence to amount of decomposed wool. Molar weight of prepared keratin hydrolysates was mostly between 15-50 kDa, but in some experiments fractions with molar weight more than 100 kDa were found. Composition of hydrolysates was a little different in comparison with wool, especially in sulphur and ash content, but amount of nitrogen was almost unchanged. A reduction of ash content to acceptable 5 % in prepared keratin hydrolysates was achieved by a dialysis. A stock amount of the keratin hydrolysate was produced according to optimized conditions of alkali-enzymatic hydrolysis. The application potential of prepared keratin hydrolysates was tested for three chosen types of utilization. The fist utilization was a film preparation from the keratin hydrolysate with additives (plasticizer, cross-linking agent) and testing their physical-mechanical properties and composition. Properties of films with 30 % addition of the glycerol and cross-linked by the glutaraldehyde had the most optimal properties. In the second utilization composite desks from two types of PE with 5 or 10 % of hydrolysate addition were prepared. Mechanical and thermal properties of composite desks weren't negatively affected by hydrolysate. Addition of the keratin hydrolysate into PE led to decrease of crystallinity and elongation. The last utilization was testing the keratin hydrolysate as a carrier of active substances. The obtained active substance from prepared capsules was liberated gradually during a process of capsules dissolution.

Klíčová slova

Vlna, hydrolýza, keratinový hydrolyzát, složení, molární hmotnosti, dialýza, film, kompozit, nosič.

Jazyk práce: čeština

Datum vytvoření / odevzdání či podání práce: 11. 4. 2014

Zveřejnit od: 11. 4. 2014

Obhajoba závěrečné práce

• Obhajoba proběhla 17. 6. 2014

Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně

Fakulta technologická

Doktorský studijní program / obor:
Chemie a technologie materiálů / Technologie makromolekulárních látek