Indigo

Hintergrund

Indigo, oder Indigotin, ist ein Farbstoff, der ursprünglich aus den Sorten der Indigo- und Waidpflanzen gewonnen wurde. Indigo war in der gesamten antiken Welt für seine Fähigkeit bekannt, Stoffe tiefblau zu färben. Ägyptische Artefakte deuten darauf hin, dass Indigo bereits 1600 v. Chr. verwendet wurde, und man hat es in Afrika, Indien, Indonesien und China gefunden.

Der Farbstoff verleiht Stoffen einen leuchtend blauen Farbton. Beim Färbeprozess werden Baumwoll- und Leinenfäden in der Regel 15-20 Mal getränkt und getrocknet. Im Vergleich dazu müssen Seidenfäden über 40 Mal gefärbt werden. Nach dem Färben kann das Garn in der Sonne getrocknet werden, um die Farbe zu vertiefen. Indigo ist einzigartig in seiner Fähigkeit, Oberflächenfarbe zu verleihen, während es nur teilweise in die Fasern eindringt. Wenn mit Indigo gefärbtes Garn aufgedreht wird, kann man sehen, dass die inneren Schichten ungefärbt bleiben. Der Farbstoff verblasst auch, so dass ein charakteristisches Wom-Look entsteht, weshalb er häufig zum Färben von Denim verwendet wird. Ursprünglich wurde Indigo aus Pflanzen gewonnen, heute wird es in industriellem Maßstab synthetisch hergestellt. Am häufigsten wird es entweder als 100%iges Pulver oder als 20%ige Lösung verkauft. Bis Anfang der 1990er Jahre lagen die Indigopreise bei 44 $/lb (20 $/kg).

Geschichte

Der Name Indigo stammt von dem römischen Begriff indicum, der ein Produkt aus Indien bedeutet. Dies ist eine etwas falsche Bezeichnung, da die Pflanze in vielen Gebieten der Welt angebaut wird, darunter in Asien, Java, Japan und Mittelamerika. Ein anderer alter Begriff für den Farbstoff ist nil, von dem der arabische Begriff für Blau, al-nil, abgeleitet ist. Das englische Wort Anilin stammt aus der gleichen Quelle.

Der Farbstoff kann aus verschiedenen Pflanzen gewonnen werden, aber in der Vergangenheit wurde die Indigopflanze am häufigsten verwendet, da sie am weitesten verbreitet war. Sie gehört zur Familie der Hülsenfrüchte und es wurden über dreihundert Arten identifiziert. Indigo tinctoria und I. suifruticosa sind die am weitesten verbreiteten. In der Antike war Indigo ein kostbares Gut, denn die Blätter der Pflanze enthalten nur eine geringe Menge des Farbstoffs (etwa 2-4 %). Daher ist eine große Anzahl von Pflanzen erforderlich, um eine bedeutende Menge an Farbstoff zu produzieren. In vielen Teilen der Welt wurden Indigo-Plantagen angelegt, um eine kontrollierte Versorgung zu gewährleisten.

Die Nachfrage nach Indigo stieg während der industriellen Revolution dramatisch an, was zum Teil auf die Beliebtheit der blauen Denim-Jeans von Levi Strauss zurückzuführen war. Der natürliche Extraktionsprozess war teuer und konnte nicht die für die aufstrebende Bekleidungsindustrie erforderlichen Massenmengen produzieren. Daher begannen Chemiker mit der Suche nach synthetischen Methoden zur Herstellung des Farbstoffs. 1883 erforschte Adolf von Baeyer (bekannt durch das Baeyer-Aspirin) die chemische Struktur von Indigo. Er fand heraus, dass er Omega-Bromacetanilid mit einem Alkali (einer Substanz mit hohem pH-Wert) behandeln konnte, um Oxindol herzustellen. Auf der Grundlage dieser Beobachtung identifizierte K. Heumann später einen Syntheseweg zur Herstellung von Indigo. Innerhalb von 14 Jahren führten ihre Arbeiten zur ersten kommerziellen Produktion des synthetischen Farbstoffs. 1905 wurde Baeyer für seine Entdeckung mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Ende der 1990er Jahre war das deutsche Unternehmen BASF AG mit einem Anteil von fast 50 % aller verkauften Indigofarbstoffe der weltweit führende Hersteller. In den letzten Jahren ist das synthetische Verfahren zur Herstellung von Indigo wegen der damit verbundenen aggressiven Chemikalien in die Kritik geraten. Die Hersteller sind auf der Suche nach neuen, umweltfreundlicheren Methoden.

Rohstoffe

Die Rohstoffe für die natürliche Herstellung von Indigo sind Blätter verschiedener Pflanzenarten wie Indigo, Färberwaid und Polygonum. Nur die Blätter werden verwendet, da sie die höchste Konzentration an Farbstoffmolekülen enthalten. Bei der synthetischen Herstellung wird eine Reihe von Chemikalien eingesetzt, die im Folgenden beschrieben werden.

Der Herstellungsprozess

Natürliche Extraktion

• 1 Die pflanzliche Extraktion von Indigo erfordert mehrere Schritte, da der Farbstoff selbst in der Natur nicht vorkommt. Die in den Pflanzenblättern gefundene Chemikalie ist in Wirklichkeit Indican, eine Vorstufe von Indigo. Das uralte Verfahren zur Extraktion von Indican aus Pflanzenblättern und dessen Umwandlung in Indigo ist seit Tausenden von Jahren unverändert geblieben. Bei diesem Verfahren wird eine Reihe von Tanks schrittweise angeordnet. Der oberste Tank ist ein Fermentationsbehälter, in den die frisch geschnittenen Pflanzen gegeben werden. Ein als Indimulsin bekanntes Enzym wird hinzugefügt, um das Indican zu Indoxyl und Glukose zu hydrolysieren bzw. zu spalten. Während dieses Prozesses wird Kohlendioxid freigesetzt und die Brühe im Tank färbt sich trübgelb.

• 2 Nach etwa 14 Stunden wird die entstandene Flüssigkeit in einen zweiten Tank abgelassen. Hier wird die indoxylreiche Mischung mit Schaufeln gerührt, um sie mit Luft zu vermischen. Dadurch kann die Luft das Indoxyl zu Indigotin oxidieren, das sich am Boden des Tanks absetzt. Die obere Flüssigkeitsschicht wird abgesaugt, und das abgesetzte Pigment wird in einen dritten Tank umgefüllt, wo es erhitzt wird, um den Fermentationsprozess zu stoppen. Die entstandene Mischung wird gefiltert, um Verunreinigungen zu entfernen, und zu einer dicken Paste getrocknet.

  Historisch haben die Japaner eine andere Methode angewandt, bei der Indigo aus der Polygonumpflanze gewonnen wird. Bei diesem Verfahren wird die Pflanze mit Weizenschalenpulver, Kalksteinpulver, Laugenasche und Sake vermischt. Die Mischung wird etwa eine Woche lang fermentiert, um das Farbpigment zu bilden, das Sukumo genannt wird.

Synthetische Herstellung

• Zur Herstellung von Indigo wurden verschiedene synthetische chemische Verfahren eingesetzt. Bei all diesen Verfahren wird eine Reihe von chemischen Reaktanten unter kontrollierten Bedingungen kombiniert. Die Reaktanten durchlaufen eine Reihe von Reaktionen, die zur Bildung des Indigomoleküls führen. Bei dieser Reaktion entstehen auch eine Reihe anderer chemischer Nebenprodukte.
• 4 Diese Synthesereaktionen werden in großen Reaktionsgefäßen aus Edelstahl oder Glas durchgeführt. Diese Gefäße sind mit Ummantelungen ausgestattet, die es ermöglichen, dass Dampf oder kaltes Wasser während der Reaktion um die Charge herum fließt. Aufgrund der Komplexität dieser chemischen Prozesse wird der Farbstoff normalerweise in Chargen hergestellt. Es gibt jedoch einige von den Deutschen erfundene Verfahren zur kontinuierlichen Herstellung.

Reaktionstypen

• 5 Die erste kommerzielle Methode zur Herstellung von Indigo basierte auf den Arbeiten von Heumann. Bei dieser Methode wird N-Phenylglycin mit Alkali behandelt, um Indoxyl zu erzeugen, das durch Kontakt mit Luft in Indigotin umgewandelt werden kann. Allerdings ist die Menge an Farbstoff, die bei diesem Verfahren gewonnen wird, sehr gering. Ein anderer, effizienterer Syntheseweg nutzt Anthranilsäure. Dieses Verfahren war bei großen Herstellern wie BASF und Hoechst über 30 Jahre lang beliebt. Eine Variante dieser Methode (die inzwischen weit verbreitet ist) beinhaltet die Reaktion von Anilin, Formaldehyd und Cyanwasserstoff zur Bildung von Phenylglycinonitril. Dieses Material wird dann hydrolysiert, um Phenylglycin zu erhalten, das dann in Indigotin umgewandelt wird. Derzeit wird eine Methode angewandt, bei der Sodamid mit Alkali verwendet wird, um Phenylglycin in Indoxyl umzuwandeln. Sodamid reagiert mit überschüssigem Wasser, wodurch die Reaktionstemperatur insgesamt von fast 570°F (300°C) auf 392°F (200°C) gesenkt wird. Dies führt zu einem wesentlich effizienteren Reaktionsprozess.

Veredelungsvorgänge

• 6 Nach Abschluss des chemischen Reaktionsprozesses muss der fertige Farbstoff gewaschen werden, um Verunreinigungen zu entfernen, und anschließend getrocknet werden. Das getrocknete Pulver kann in Fässer verpackt oder mit Wasser zu einer 20%igen Lösung rekonstituiert und in Eimer abgefüllt werden.

  

  Das chemische Symbol für Indican, die in den Blättern der Indigopflanze enthaltene Verbindung, die zur Herstellung von Indigofarbstoff verwendet wird.

Qualitätskontrolle

Bei der Herstellung von Indigo wird der Reaktionsprozess ständig überwacht, um sicherzustellen, dass die Chemikalien im richtigen Verhältnis kombiniert werden. Zu den Schlüsselelementen, die kontrolliert werden müssen, gehören der pH-Wert (oder die Säure-/Basenqualität der Charge), die Temperatur (die die Geschwindigkeit der Reaktion steuert) und die Reaktionszeit (die den Grad der Fertigstellung bestimmt). Wenn eine dieser Variablen von den Spezifikationen abweicht, kann das resultierende Reaktionsprodukt beeinträchtigt werden. Eine schlechte Qualitätskontrolle führt in der Regel zu einer geringeren Ausbeute des Farbstoffs, was die Kosten für den Hersteller erhöht.

Um sicherzustellen, dass die Hersteller stets den gleichen Farbton des Farbstoffs kaufen können, wird Indigo eine Farbindexnummer zugewiesen, die seinen Farbton definiert. Er wird als „CI Natural Blue CI 75780“ bezeichnet.

Nebenprodukte/Abfälle

Bei der Indigoproduktion fällt eine Vielzahl von Abfallprodukten an, die sorgfältig behandelt werden müssen. Neben den oben beschriebenen Reaktanten gibt es weitere Reaktionsnebenprodukte, die zusammen mit dem Indigo entstehen. Einige dieser Stoffe gelten als gefährlich und müssen gemäß den örtlichen und bundesstaatlichen Richtlinien für die Entsorgung von chemischen Abfällen entsorgt werden. Diese chemischen Abfälle können auf mindestens drei verschiedene Arten in die Umwelt gelangen. Erstens bei der eigentlichen Herstellung des Moleküls. Der zweite ist, wenn der Farbstoff auf das Garn aufgetragen wird, und der dritte ist, wenn der Farbstoff bei der ersten Steinwäsche oder Nassverarbeitung des Gewebes in das Waschwasser eluiert wird. Dieser letzte Weg wird in der Regel bei der Herstellung von Jeansstoff beschritten.

Die Zukunft

Ein Großteil des Bedarfs an Indigo wird durch andere Arten von blauen Farbstoffen gedeckt, und heute wird der größte Teil des weltweit verwendeten Indigos außerhalb der Vereinigten Staaten hergestellt. Die Forscher konzentrieren sich auf neue, umweltfreundlichere Methoden der Indigoherstellung. Eine vielversprechende Methode für die Zukunft ist die Verwendung von Biokatalysatoren bei der Farbstoffreaktion. Indigofarbstoff könnte eine der ersten Chemikalien sein, die in großen Mengen auf biologischem Wege hergestellt werden. Genencor International aus Rochester, New York, prüft ein Verfahren zur Herstellung von Indigo mit Hilfe der Biotechnologie. Nach Angaben von Charles T. Goodhue, Program Director/Biocatalysis Research and Development bei Genencor, ist der mit dieser Methode hergestellte Indigo chemisch gesehen derselbe wie der herkömmliche synthetische Farbstoff und verhält sich in Färbetests identisch. Allerdings ist die Technologie derzeit noch teuer und die Produktionskosten könnten unerschwinglich sein. Genencor ist auf der Suche nach einem großen Marktpartner, der mit ihnen bei der Entwicklung dieser neuen Technologie zusammenarbeitet.

Die Hersteller, die Indigo in der Färberei verwenden, sind ebenfalls bestrebt, ihre Verwendung des Farbstoffs zu verbessern. So hat die Denim Division von Burlington 1994 eine Technologie eingeführt, die sie „Stone Free“ nennt und die es ermöglicht, dass der Indigofarbstoff im Gewebe während des Stonewash-Zyklus um 50 % schneller abgebaut wird. Im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Steinwäsche von mit Indigo gefärbten Stoffen werden bei dem neuen Verfahren nur wenige oder gar keine Bimssteine verwendet, die dem Stoff sein verblasstes Aussehen verleihen. Dadurch sinken die Kosten für die Handhabung und Lagerung von Bimssteinen sowie der Zeitaufwand für die Trennung des Bimssteins von den Kleidungsstücken nach der Steinwäsche. Es wird auch viel weniger Bleichmittel verwendet. Dieses neue Verfahren verringert also nicht nur die Schäden an der Kleidung, sondern auch den Abfall, der durch die Steine und das Bleichmittel entsteht.