Indigo

Achtergrond

Indigo, of indigotine, is een verfstof die oorspronkelijk werd gewonnen uit de variëteiten van de indigo- en de wede-plant. Indigo stond in de antieke wereld bekend om zijn vermogen om stoffen diepblauw te kleuren. Egyptische artefacten suggereren dat indigo al in 1600 v. Chr. werd gebruikt en het is gevonden in Afrika, India, Indonesië en China.

De kleurstof geeft een briljante blauwe tint aan stoffen. In het verfproces worden katoen- en linnendraden gewoonlijk 15-20 keer geweekt en gedroogd. Ter vergelijking: zijden draden moeten meer dan 40 keer worden geverfd. Na het verven kan het garen in de zon worden gedroogd om de kleur te verdiepen. Indigo is uniek in zijn vermogen om oppervlakkige kleuren te geven terwijl het slechts gedeeltelijk in de vezels doordringt. Wanneer met indigo geverfd garen wordt losgedraaid, is te zien dat de binnenste lagen ongekleurd blijven. De kleurstof vervaagt ook om een karakteristieke wom look te geven en om deze reden wordt het vaak gebruikt om denim te kleuren. Oorspronkelijk werd indigo gewonnen uit planten, maar tegenwoordig wordt het synthetisch geproduceerd op industriële schaal. Het wordt meestal verkocht als een 100% poeder of als een 20% oplossing. In het begin van de jaren negentig schommelden de prijzen van indigo rond de 44 dollar per pond (20 dollar per kg).

Geschiedenis

De naam indigo komt van de Romeinse term indicum, wat een product uit India betekent. Dit is enigszins een verkeerde benaming, aangezien de plant in vele gebieden van de wereld wordt geteeld, waaronder Azië, Java, Japan en Midden-Amerika. Een andere oude term voor de kleurstof is nil, waarvan de Arabische term voor blauw, al-nil, is afgeleid. Het Engelse woord aniline komt van dezelfde bron.

De kleurstof kan uit verschillende planten worden gewonnen, maar in het verleden werd de indigoplant het meest gebruikt omdat die beter verkrijgbaar was. De plant behoort tot de familie van de peulvruchten en er zijn meer dan driehonderd soorten geïdentificeerd. Indigo tinctoria en I. suifruticosa zijn de meest voorkomende. In de oudheid was indigo een kostbaar goed omdat plantenbladeren slechts een kleine hoeveelheid van de kleurstof bevatten (ongeveer 2-4%). Daarom is een groot aantal planten nodig om een aanzienlijke hoeveelheid kleurstof te produceren. In vele delen van de wereld werden indigoplantages gesticht om een gecontroleerde aanvoer te verzekeren.

De vraag naar indigo nam tijdens de industriële revolutie dramatisch toe, mede door de populariteit van de blauwe denim jeans van Levi Strauss. Het natuurlijke extractieproces was duur en kon niet de massale hoeveelheden produceren die nodig waren voor de ontluikende kledingindustrie. Daarom gingen chemici op zoek naar synthetische methoden om de kleurstof te produceren. In 1883 deed Adolf von Baeyer (bekend van de Baeyer aspirine) onderzoek naar de chemische structuur van indigo. Hij ontdekte dat hij omega-broomacetanilide kon behandelen met een alkali (een stof met een hoge pH) om oxindool te produceren. Later, op basis van deze waarneming, identificeerde K. Heumann een synthesetraject om indigo te produceren. Binnen 14 jaar resulteerde hun werk in de eerste commerciële productie van de synthetische kleurstof. In 1905 kreeg Baeyer de Nobelprijs voor zijn ontdekking.

Aan het eind van de jaren negentig was het Duitse bedrijf BASF AG de grootste producent ter wereld, met bijna 50% van alle verkochte indigokleurstoffen. De laatste jaren is het synthetische proces dat wordt gebruikt om indigo te produceren, onder de loep komen te liggen vanwege de agressieve chemicaliën die daarbij worden gebruikt. Fabrikanten zijn op zoek naar nieuwe, meer milieuverantwoorde methoden.

Grondstoffen

De grondstoffen voor de natuurlijke productie van indigo zijn bladeren van verschillende plantensoorten, waaronder indigo, wede en polygonum. Alleen de bladeren worden gebruikt omdat zij de grootste concentratie kleurstofmoleculen bevatten. In het synthetische proces wordt een aantal chemicaliën gebruikt, zoals hieronder beschreven.

Het fabricageproces

Natuurlijke extractie

• 1 Plantaardige extractie van indigo vereist verschillende stappen omdat de kleurstof zelf eigenlijk niet in de natuur voorkomt. De chemische stof die in plantenbladeren wordt aangetroffen, is in werkelijkheid indican, een voorloper van indigo. Het oude proces om indican uit plantenbladeren te extraheren en om te zetten in indigo is duizenden jaren onveranderd gebleven. In dit proces wordt een reeks tanks stapsgewijs opgesteld. De bovenste tank is een fermentatievat waarin de vers gesneden planten worden geplaatst. Een enzym, indimulsine genaamd, wordt toegevoegd om het indican te hydrolyseren, of af te breken, tot indoxyl en glucose. Tijdens dit proces komt kooldioxide vrij en de bouillon in de tank wordt troebel geel.

• 2 Na ongeveer 14 uur wordt de resulterende vloeistof in een tweede tank afgetapt. Hier wordt het indoxyl-rijke mengsel met peddels geroerd om het met lucht te vermengen. Hierdoor kan de lucht de indoxyl oxideren tot indigotine, dat naar de bodem van de tank zakt. De bovenste vloeistoflaag wordt weggezogen en het neergeslagen pigment wordt overgebracht naar een derde tank, waar het wordt verwarmd om het gistingsproces te stoppen. Het resulterende mengsel wordt gefilterd om onzuiverheden te verwijderen en gedroogd om een dikke pasta te vormen.

  De Japanners hebben van oudsher een andere methode gebruikt, waarbij indigo uit de polygonumplant wordt gewonnen. Bij dit proces wordt de plant gemengd met tarweschilpoeder, kalksteenpoeder, loogas en sake. Men laat het mengsel ongeveer een week gisten om het verfpigment te vormen dat sukumo wordt genoemd.

Synthetische produktie

• 3 Er zijn verschillende synthetische chemische processen gebruikt om indigo te produceren. Al deze processen omvatten het combineren van een reeks chemische reactanten onder gecontroleerde omstandigheden. De reactanten ondergaan een reeks reacties die resulteren in de vorming van het indigomolecuul. Bij deze reactie ontstaat ook een aantal andere chemische bijproducten.
• 4 Deze synthesereacties worden uitgevoerd in grote roestvrijstalen of glazen reactievaten. Deze vaten zijn voorzien van mantelbuizen om stoom of koud water rond de partij te laten stromen terwijl de reacties verlopen. Vanwege de complexiteit van deze chemische processen wordt de kleurstof meestal in batchhoeveelheden gemaakt. Er zijn echter enkele door de Duitsers uitgevonden methoden voor de continue procesfabricage.

Soorten reacties

• 5 De eerste commerciële methode om indigo te produceren was gebaseerd op het werk van Heumann. Bij deze methode wordt N-fenylglycine met alkali behandeld om indoxyl te produceren, dat door contact met lucht kan worden omgezet in indigotine. De hoeveelheid kleurstof die bij dit proces wordt verkregen, is echter zeer gering. Een andere, efficiëntere syntheseweg maakt gebruik van antranilzuur. Dit procédé was gedurende meer dan 30 jaar populair bij grote fabrikanten zoals BASF en Hoechst. Een variatie op deze methode (die inmiddels op grote schaal wordt toegepast) omvat de reactie van aniline, formaldehyde en waterstofcyanide om fenylglycinonitril te vormen. Dit materiaal wordt vervolgens gehydrolyseerd om fenylglycine te verkrijgen dat vervolgens wordt omgezet in indigotine. Momenteel wordt een methode gebruikt waarbij sodamide met alkali wordt gebruikt om fenylglycine om te zetten in indoxyl. Sodamide reageert met overtollig water, waardoor de totale reactietemperatuur wordt verlaagd van bijna 570 °F (300°C) tot 392 °F (200°C). Dit resulteert in een veel efficiënter reactieproces.

Afwerkingsbewerkingen

• 6 Nadat het chemische reactieproces is voltooid, moet de afgewerkte kleurstof worden gewassen om onzuiverheden te verwijderen en vervolgens worden gedroogd. Het gedroogde poeder kan in vaten worden verpakt of met water worden gereconstitueerd tot een 20%-oplossing en in emmers worden afgevuld.

  

  Het chemische symbool voor indican, de verbinding die wordt gevonden in de bladeren van de indigoplant en die wordt gebruikt om indigokleurstof te maken.

Kwaliteitscontrole

Tijdens de productie van indigo wordt het reactieproces voortdurend gecontroleerd om ervoor te zorgen dat de chemicaliën in de juiste verhoudingen worden gecombineerd. Belangrijke elementen die moeten worden gecontroleerd zijn de pH (of zuur/base-kwaliteit van de batch), de temperatuur (die de snelheid van de reactie regelt) en de reactietijd (die de mate van voltooiing bepaalt). Als een van deze variabelen afwijkt van de specificaties, kan het resulterende reactieproduct worden beïnvloed. Doorgaans leidt een slechte kwaliteitscontrole tot een lagere opbrengst van de kleurstof, waardoor de kosten voor de fabrikant stijgen.

Om ervoor te zorgen dat fabrikanten consequent dezelfde kleurstof kunnen kopen, krijgt indigo een kleurindexnummer dat de kleur bepaalt. Het wordt aangeduid als “CI Natural Blue CI 75780”.

Bijproducten/Afval

Bij de productie van indigo komen verschillende afvalproducten vrij, waarmee zorgvuldig moet worden omgegaan. Naast de hierboven beschreven reactanten zijn er nog andere nevenproducten die samen met de indigo worden geproduceerd. Sommige van deze materialen worden als gevaarlijk beschouwd en moeten worden verwijderd in overeenstemming met de lokale en federale richtlijnen voor de verwijdering van chemisch afval. Deze afvalchemicaliën kunnen op ten minste drie verschillende manieren in het milieu terechtkomen. De eerste is tijdens de eigenlijke vervaardiging van de molecule. De tweede is wanneer de kleurstof op het garen wordt aangebracht, en de derde is wanneer de kleurstof wordt geëlueerd in het waswater tijdens het eerste stonewashen of de natte verwerking van het weefsel. Deze laatste route vindt meestal plaats bij de productie van denimstof.

De toekomst

In de behoefte aan indigo wordt grotendeels voorzien door andere soorten blauwe verfstoffen en tegenwoordig wordt de meeste indigo die in de wereld wordt gebruikt, buiten de Verenigde Staten geproduceerd. Onderzoekers concentreren zich op nieuwe, milieuvriendelijkere methoden om indigo te produceren. Een veelbelovende toekomstige methode is het gebruik van biokatalysatoren in het kleurstofreactieproces. Indigokleurstof kan een van de eerste chemicaliën zijn die in grote hoeveelheden via een biologische route worden vervaardigd. Genencor International, in Rochester New York, evalueert een proces om indigo te produceren met gebruikmaking van biotechnologie. Volgens Charles T. Goodhue, Program Director/Biocatalysis Research and Development van Genencor, is de met deze methode geproduceerde indigo chemisch hetzelfde als de gewone synthetische kleurstof en gedraagt hij zich identiek bij verfproeven. Op dit moment is de technologie echter duur en zouden de productiekosten onbetaalbaar kunnen zijn. Genencor is op zoek naar een belangrijke marktpartner om met hen samen te werken bij de ontwikkeling van deze nieuwe technologie.

Fabrikanten die indigo gebruiken bij het verven, proberen ook hun gebruik van de kleurstof te verbeteren. Zo introduceerde Burlington’s Denim Division in 1994 een technologie die zij “Stone Free” noemen, waardoor de indigokleurstof in de stof 50% sneller wordt afgebroken in de stonewash-cyclus. In vergelijking met de traditionele methoden voor het wassen van met indigo geverfde stoffen, worden bij dit nieuwe proces weinig of geen puimsteentjes gebruikt, die de stof zijn verbleekte uiterlijk geven. Daardoor zijn de kosten voor het hanteren en opslaan van puimsteen lager en is er minder tijd nodig om het puimsteen na het wassen van de kleding te scheiden. Er wordt ook veel minder bleekmiddel gebruikt. Dit nieuwe proces vermindert dus niet alleen de schade aan kledingstukken, maar ook de hoeveelheid afval die door de stenen en het bleekmiddel wordt geproduceerd.