"이젠 바이오테크놀로지시대다”
효소 기술의 섬유가공 응용 현황

고부가가치화와 국제 경쟁력 확보를 위해서 섬유산업의 middle stream에 위치하는 염색가공 분야에 효소 기술을 도입하여 제품의 차별화 및 공정의 환경친화적 개선을 이룰 수 있다. 효소 공정의 섬유산업에의 응용은 여러 가지 면에서 장점을 지닌다. 환경적 측면에서 그 사용이 바람직하며 처리 시간이 짧고, 반응온도가 낮아 에너지 절약에도 기여할 수 있다.
그러나 이러한 환경적, 경제적인 측면보다도 효소이용의 가장 큰 장점은 처리시 섬유 자체에 손상을 입히지 않아 섬유 고유의 특성을 보존할 수 있다는 것이다. 최근에는 천연섬유 가공뿐만 아니라, 폴리에스테르, 나일론, 아크릴 등의 합성섬유 가공에도 연구가 활발히 진행되고 있다. 섬유산업에의 바이오테크놀러지 응용은 효소를 생산하는 생명공학 분야와의 협력이 필요하다. 특히 외산에 의존하고 있는 textile enzyme이 국내에서 개발되어야 효소 공정의 경제효과가 기대된다.

2.2 셀룰라아제를 이용한 bio-polishing 후가공

셀룰라아제는 직물의 표면에 있는 잔털을 제거하여 표면을 매끄럽게 하고 색상을 선명하게 할 뿐 만 아니라 보푸라기 형성을 억제하여 필링 방지 효 과를 나타내는데, 이 잔털 제거 공정을 bio-polishing이라 한다. 셀룰라아제 는 산성에서 활성을 보이는 산성 셀룰라아제와 중성에서 활성을 보이는 중성 셀룰라아제가 있는데, 그 활성에는 차이가 있어 용도에 맞는 선택이 필요하다. 일반적으로 산성 셀룰라아제는 활성이 매우 강해 짧은 시간에 효 과를 볼 수 있는 반면 반응조절이 어려우며 중성 셀룰라아제는 천천히 반 응하여 처리시간이 길어지나 반응조절이 용이하다.

2.3 셀룰라아제를 사용한 데님 워싱

인디고 염료는 배트염료중에서 섬유에 대한 친화력이 가장 적은 염료로 사의 표면에만 염색되나 반대로 이 성질이 의류 패션에 이용되고 있다. 즉, 상온 및 짧은 시간의 염색으로 ring-dyeing을 하여 진의 낡은 효과를 창출하는데, 셀룰라아제가 직물 표면의 면섬유 절단 시 색제거가 동시에 일어남을 이용하여 종래의 부석에 의한 abrasion과 유사한 색상차 효과를 낼 수 있다.

셀룰라아제를 사용한 데님 워싱은 종래의 화학 약제를 사용한 stone wash 효과를 내기 위하여, 데님으로 의류를 만든 후 otary drum machine에 효 소를 가하여 수세하는 가먼트 기술이라고 할 수 있다. 산성형 셀룰라아제를 사용하여 20-45분간 짧게 처리하거나 중성형 셀룰라아제로 처리 시간을 늘이는 처방을 쓰고 있는데 두 종류의 셀룰라아제의 성능에 있어 중요한 차이점은 backstaining의 정도인데 이 재오염은 효소의 활성이 클수록 잘 일어나 stone wash를 마친 진의 외관에 영향을 미친다.

최근에는 데님의 염색에 사용되는 인디고 염료를 분해함으로써 데님을 워싱하는 새로운 방법이 시도되고 있다. 이 공정에 사용하는 효소는 라카아제로 이 효소는 인디고 염료를 분해하는데 효과적인 것으로 알려졌다. 라카아제를 사용하여 데님 워싱(표백)을 할 경우 셀룰라아제와는 달리 셀룰로오스에는 손상을 입히지 않아 직물의 강도를 저하시키는 것을 방지할 수 있다.

2.4 카탈라아제에 의한 잔류 과산화수소의 제거

면직물의 전처리 공정의 마지막 단계인 표백은 과산화수소를 사용하여 알 칼리 조건에서 행해진다. 산업체 현장에서는 대부분 과량의 과산화수소를 사용하게 되는데, 표백 후 염색을 위해서는 잔류한 과산화수소는 반드시 제 거되어야 하므로 다량의 용수를 이용하여 표백한 직물을 세척한다. 따라서 많은 양의 용수가 사용될 뿐 만 아니라 폐수량도 증가된다.

카탈라아제는 과산화수소를 물과 산소로 빠른 속도로 분해시키는 효소로, 표백 후 잔류하는 과산화수소를 제거할 수 있어서, 수세 횟수를 줄일 수 있다. 따라서 여러 번의 수세에 소요되는 에너지, 용수, 시간을 절약할 수 있어 경제적이다. 카탈라아제의 최적 활성조건은 20-50℃, 중성 pH인데 표백용액은 고온의 강한 알칼리 상태이어서 표백 용액을 효소를 사용하여 처리하기 위해서는 이 표백용액에 효소가 적응할 수 있도록 하는 조치가 필요하다. 그 한 가지 방법은 효소를 지지체에 고정하는 방법으로 이 방면에 다양한 연구가 이루어지고 있는데, 그 중 카탈라아제를 알루미나에 공유결합으로 고정시킨 것이 효소의 안정화에 큰 효과가 있는 것으로 나타났다.

2.5 펙티나제 이용 면섬유 정련

현재 사용되고 있는 면섬유의 알칼리 정련은 수산화나트륨과 같은 강한 알칼리 용액을 사용하여 100℃ 고온 처리하여, 섬유가 취화되어 강력이 저하되고 천의 무게도 감소하며, 특히 고온 알칼리에 약한 섬유와의 혼용이 되어 있는 경우 정련이 미비하게 행해지고 있다. 알칼리 정련은 고온에서 수행되기 때문에 에너지의 소모가 많으며, 정련 후 여러 번 수세를 해야 되므로 용수의 사용이 많은 것도 문제점으로 지적되고 있으며, 정련폐수는 COD, BOD 및 염 함량이 높다.

바이오 정련(bioscouring)은 기존의 고전적 알칼리 정련을 대체할 수 있는 새로운 저온 약알칼리 효소 기술로, 펙티나아제가 면섬유의 1차벽에서 접착 제 역할을 하고 있는 펙틴을 절단시키면, 다른 소수성 불순물인 왁스도 쉽게 제거되므로, 차후 공정인 표백 및 염색에 적합한 흡수성이 면섬유에 부 여되는 원리이다.
기존 알칼리 정련 대비 효소 정련 공정도를 비교하였으며, 효소 공정은 다음과 같은 품질, 경제성 및 환경 측면에서의 장점이 있어 실용화 초기 단계 에 있다 :
▲공정 시간 단축에 의한 생산성 향상▲공정으로 인한 원단손실 무게 감소 ▲레이욘·울·실크·린넨과 면혼방물에 안전 ▲수세 용수 절약 ▲수세 시 산중화 생략 ▲폐수 오염 부하 감소 ▲softer hand ▲유연제 사용량 감소 ▲에너지 절약

2.6 프로테아제를 사용한 견의 정련 (degumming of silk)

견섬유는 세리신과 피브로인으로 구성되어있는데, 견 특유의 광택과 유연성을 얻기 위해서는 세리신을 제거하여야 한다. 세리신은 기존에 세제와 화학 약품을 통해 제거되어왔는데 이는 세리신을 제거할 뿐 만 아니라 피브로인에도 손상을 입혀 과중한 감량과 아울러 환경 적인 측면에서도 바람직하지 않다. 효소를 이용하여 견을 정련할 경우 낮은 온도에서 짧은 시간에 세리신만을 제거할 수 있어 경제적이며 지나친 중량감소도 줄일 수 있다.

2.7 프로테아제를 사용한 모섬유의 축융방지가공과 리파아제를 이용한 염색성의 증가

모섬유는 천연적으로 그 표면에 스케일(scale)을 갖고 있어 잦은 마찰과 세탁으로 수축을 일으킨다.
모직물의 수축을 방지하기 위해서는 chlorine 등의 약제를 사용하여 이 스 케일을 제거하거나 실리콘 등을 사용하여 코팅을 한다. 화학약품을 써서 스 케일을 제거할 경우 촉감이 거칠어지는 단점이 있으며 코팅의 경우에는 고가의 특별한 설비가 필요하다. 프로티아제는 단백질의 peptide 결합을 분해하여 천연 케라틴을 제거하는 효소로 모섬유의 스케일을 제거하여 수축을 방지할 뿐 만 아니라 표면을 매끄럽게 함으로서 광택도 증가시키는 효과를 나타낸다. 또한 질이 낮은 모섬유의 경우 프로테아제 처리로 촉감을 개선하여 캐시미어와 같은 제품을 생산할 수도 있다.

모섬유는 그 표면이 소수성 리피드로 덮여있기 때문에 수용성 염료 친화력이 낮은 단점이 있다. 모섬유를 리파아제로 처리하면 이 소수기가 분해되어 염료 친화력이 증가됨을 볼 수 있다. 또한 프로테아제는 섬유 표면 뿐 만 아니라 섬유 내부에도 작용하여 단백 질을 어느 정도 분해함으로 섬유 내 염료 확산을 용이하게 하여 염색 성을 증가시킨다. 그러나 지나친 효소 사용은 모섬유의 강도를 떨어뜨릴 수 있는 단점이 있다.

발 췌 : 한국섬유신문 2006년 8월 18일