工業清洗技術的發展現狀及酶制劑在清洗劑配方中的應用

石 赟 張 劍

（山西大學化學化工學院，山西太原，030006）

20世紀80年代以來，隨著我國國民經濟的發展，工業清洗技術取得了長足進展。工業清洗包括物理清洗、化學清洗、微生物清洗等技術。物理清洗技術發展經歷了人工捅刷PIG（清管器）清洗、射流清洗多元化、集成化3個階段。目前，我國正處在物理清洗發展階段的第二階段，高壓水射流清洗、PIG管道清洗技術都得到實際應用?；瘜W清洗技術的發展與清洗劑密切相關，清洗劑配方由腐蝕性很強的強酸、強堿配方結構轉向無毒化、低劑量化的高效綠色清洗劑。微生物清洗技術是一種新型清洗技術。其中，生物酶是一種綠色環?？山到獾纳锘钚晕镔|，將生物酶制劑添加到工業清洗劑配方中，在提高除污能力的同時，還可節約資源，保護環境，符合當今時代碳中和的發展潮流和趨勢。

1 工業清洗技術

1.1 工業清洗技術類型

工業設備表面及管道易受物理、化學或生物的作用形成污垢，可通過清洗技術去除設備在工業生產過程中產生的污染物或覆蓋層而使其恢復原表面狀況。從作用原理上，工業清洗技術可以分為物理清洗、化學清洗以及微生物清洗。

物理清洗技術是指利用聲學、光學、電學、熱學的原理，依靠外來能量的作用，如機械摩擦、超聲波、負壓、高壓、沖擊、紫外線、蒸汽等去除物體表面污垢的方法。常見物理清洗技術見圖1，包括高壓水射流清洗、激光清洗、超聲波清洗等。

圖1 物理清洗技術

高壓水射流清洗技術能在空間狹窄復雜和操作環境較差的條件下進行清洗，主要針對的是反應塔、容器、管道及換熱器等設備在實際應用過程中留置、產生部分難以清理的附著物、污垢、水垢、油垢等[1]；激光清洗技術無機械接觸，不存在磨損問題，也不需要使用化學試劑，不會造成化學腐蝕，主要對模具內花紋除膠、古建筑與石質文物除塵垢、船舶板材表面除銹、飛機金屬蒙皮和復合材料部件除漆、高鐵表面除漆等起作用[2]；超聲波清洗技術精度高、速度快、效果好、污染小、無不良副產物，主要對表面形狀較復雜，帶有細孔、狹縫的工件進行清洗，例如醫療器械清洗、表面噴涂處理等領域[3]。

化學清洗技術指的是依靠化學反應的作用，利用化學藥品或其他溶劑去除物體表面污垢的方法。這種方法主要是用清洗劑先將污垢浸潤、滲透，使清洗劑組分中的親水基定向排列在外圍，親油基吸附在油污上，浸潤不易沾水的油污，從而使吸附到油污上的清洗劑漸漸地被膨潤，見圖2。由于污垢分散于清洗液中，用水洗便可沖走污垢，達到除污的效果[4]。

圖2 化學清洗原理

化學清洗技術中常用到化學清洗劑，根據pH值進行劃分，化學清洗劑可以分為堿性清洗劑和酸性清洗劑。堿性清洗劑中的主要成分有表面活性劑、氫氧化鉀、氫氧化鈉等，對于清洗一些油脂類污垢和酸性污垢有較好效果，在光學產品中多用于光學玻璃清洗劑使用。堿性清洗劑還可用于清除加工部件表面的切削、研磨、壓力等高黏度油酯，機械表面的污垢，半導體等精密工件的清洗等[5]。酸性清洗劑中含有機酸（檸檬酸、葡萄糖酸、酒石酸等）、無機酸（鹽酸、硝酸、硫酸、氫氟酸、磷酸）、表面活性劑、螯合劑、緩蝕劑等，具有一定的殺菌除臭功能，能夠溶解長時間沉積下來的物質，如建筑外墻的清洗、樓盤的清洗等，還可用于醫院清潔毛刷、搪瓷、陶瓷等物品的清洗消毒[6]。

微生物清洗技術是指利用微生物將設備上附著的污物進行分解，形成小分子的無毒可溶性物質的方法。這一方法主要是通過釋放微生物到清洗劑中并讓其存活下來，微生物分泌酶可以破壞污垢中烴類化合物的分子鍵，使污垢分子分解并隨著清洗劑一起被排出[8]。微生物清洗技術成本低、安全環保，不腐蝕儀器設備，可以提高清洗劑的清潔性能，廣泛應用于石油化工廠、食品加工廠、機械工廠部件清洗、地下水處理等領域。

1.2 工業清洗技術發展歷程

化學清洗技術的發展與清洗劑的進步密切相關，清洗劑的進步經歷了簡單型-組合型-傻瓜型3個發展階段。第一階段主要使用一些腐蝕性很強的強酸強堿，這些清洗劑組成簡單，防腐蝕性能差；第二階段出現了各種功能型的清洗劑如滲透劑、剝離劑、促進劑、催化劑、三價鐵離子還原劑等，使清洗劑的功能性更強、協同性能更好、除垢性能更佳；第三階段隨著緩蝕劑和清洗助劑的日益完善，各種更安全、使用方法更簡單的專用型清洗劑大量涌現，使清洗劑更加專業化、精細化、 高效化、安全化、系列化[9]。

物理清洗技術的發展經歷了人工捅刷PIG清洗、射流清洗多元化、集成化3個階段。目前，我國正處在物理清洗發展階段的第二階段，高壓水射流清洗、PIG管道清洗技術得到實際應用，但在物理清洗技術的集成方面，國內剛起步，而國外已有較大發展[10]。物理清洗以污染小、操作靈活、無腐蝕等優點將逐漸取代化學清洗并成為工業清洗的主流，物理清洗技術的研究和應用將更受關注。

我國微生物清洗技術還處于萌芽狀態。20世紀以來，歐美國家先后投入了大量的人力、物力進行這方面的研制、實驗、監察和施工樣板。荷蘭政府20世紀80年代對此投入了15億美元進行研究、實驗；德國1995年投資60億美元；美國21世紀初已投入 100億美元。此項清洗技術已成為美國當前環保清洗技術研究和施工的熱點。根據實際情況我國專業科研單位以藍星清洗集團和國家洗凈協會西部辦事處專業部為主適當地選擇微生物清洗技術。微生物清洗技術不僅可保證質量，還能防止環境污染，而且可以采取常壓、常溫、中性綠色洗滌劑開展工作。

圖3 微納米技術清洗原理

近年來，一些先進的新型清洗技術和設備得到廣泛應用。Lim等[12]將大氣泡與微納米氣泡結合，用于浮選去除污染砂中的油污，清洗原理見圖3。結果表明，加入微納米氣泡可以縮短大氣泡與油層的附著時間，除油率顯著提高至68.6%。盧斌斌等[13]結合超聲清洗的優勢與超臨界二氧化碳的特性，設計出超聲強化超臨界二氧化碳復合清洗實驗平臺，在提高清洗效率的同時，又保持了超臨界二氧化碳清洗技術綠色環保的優勢。

1.3 工業清洗技術要求

工業清洗技術的實施需要遵守國家相關法律法規，尤其是工業清洗劑的生產，要符合規定的質量技術要求、產品安全要求、環境保護要求等。

邱驥等[11]通過對表面活性劑的篩選、配制及優化清洗劑配方、進行環保實驗和綜合性能測試，制備出一種船舶多功能綠色清洗劑。這種清洗劑所選配方綠色環保，對碳鋼、鋁等金屬無腐蝕作用，在高、低溫環境下均能保持良好的性能。

此外，人們還致力于研究具有生物降解能力和酶催化作用的化學清洗劑。趙宏波[14]通過對比觀察組（清洗酶浸泡）與對照組（常規手工清洗）對手術醫療器械清洗質量的差異，發現清洗酶浸泡有助于減少清洗時間，改善手術室工作效率，改善手術醫療器械清洗質量，降低手術交叉感染風險。清洗劑中酶制劑的加入，不僅提高了清洗效率，還推動了清洗工業朝著綠色環保方向發展。

2 酶制劑在工業清洗劑配方中的應用

生物酶是由活細胞產生的具有催化功能的生物大分子蛋白質，通常被稱為生物催化劑。和其他催化劑一樣，酶只參與中間過程，并不消耗自身能量，通常把這一反應過程稱為“酶促反應”過程。酶促反應具有用量少而效率高、作用條件溫和、具有專一性且安全性好等優點，因此酶制劑在工業清洗劑中的應用越來越廣泛。工業清洗劑配方中初期使用蛋白酶，后來陸續開發了淀粉酶、脂肪酶的應用，甚至是兩種以及兩種以上酶的協同應用。生物酶制劑被引進工業清洗劑配方中，大大支持和幫助了洗滌用品工業的發展。

生物酶清洗的原理是利用生物酶催化分解作用，將污漬分解為水溶性的小分子。洗滌劑中加入少量酶制劑，不僅可以提高除污能力，保護設備及物品的顏色，而且可以減少助洗劑和表面活性劑等的使用。同時，生物酶作為一種可降解的環境友好型產品，對節約資源和保護環境都起到一定的促進作用。按作用底物分類，可將生物酶分為蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。

2.1 蛋白酶在清洗劑配方中的應用

蛋白酶是最基本、最重要和使用最為廣泛的一種酶制劑。20世紀70年代，上海合成洗滌劑廠首先研制了應用于洗滌劑的蛋白酶[15]。蛋白酶除污原理主要是蛋白酶可切斷蛋白質大分子中的肽鍵，將其分為小段的多肽小分子，從而有利于去除設備上的血漬、蛋、奶漬、草漬、肉汁等蛋白質類的污漬。

趙慶[16]制備了一種含有堿性蛋白酶的洗碗機洗滌劑，這種洗滌劑使用的原料安全、易清除，在廢水中容易分解，對環境無污染，重要的是，堿性蛋白酶的加入減少了十二烷基苯磺酸鈉等化學清洗劑的使用量，減少對人體的傷害。邱學青等[17]研究了堿性蛋白酶Savinase與4種表面活性劑(LAS、AES、AEO9、TX-10)對蛋白質污垢、人工普通污垢及復合污垢的脫除性能，結果表明，堿性蛋白酶Sav與表面活性劑AES、AEO9、TX-10配伍有協同增效去污作用，而與LAS配伍則出現消減去污作用，原因是LAS可使酶失活。由此可見，酶的加入，可使傳統洗滌劑清洗效率提高，但有時，有些表面活性劑會使酶失去活性，并不能提高清洗效果。

2.2 淀粉酶在清洗劑配方中的應用

洗滌劑中常用的淀粉酶為α-淀粉酶（α-1, 4-D-葡萄糖-葡萄糖苷水解酶），它能夠切斷淀粉內部的糖苷鍵，產生糊精、低聚糖和葡萄糖等，使淀粉黏度迅速降低，有利于淀粉類污垢的去除[18]。

徐清[19]對洗滌劑中的淀粉酶進行研究，發現淀粉酶可協助蛋白酶更好地發揮作用，同時還可防止淀粉類污垢出現再沉積現象。淀粉酶與蛋白酶協同作用提高了對含淀粉及蛋白質混合污垢的清除效率。

2.3 脂肪酶在清洗劑配方中的應用

脂肪酶用于去除設備上含甘油三酯類的污垢，它可將甘油三酯分解為脂肪酸和甘油，主要去除植物油、動物脂肪、人體皮脂、口紅等污垢。脂肪酶添加在清潔劑中可以對抽油煙機等設備上的油污進行有效清除，達到高效、環保的效果。

李玲等[20]研究了脂肪酶綠色清潔劑對管道和隔油器中油脂的去除，結果顯示，添加了脂肪酶的清潔劑解決了以往由于油脂自然降解慢而造成管道堵塞的問題，達到物理清洗和化學清洗都達不到的效果。

2.4 復合酶在清洗劑配方中的應用

酶對底物的作用具有專一性，單一酶添加到洗滌劑中只能對某一特定基團起作用，而污垢的組成比較復雜，單一酶的添加并不能達到除污效果。復合酶是將兩種或兩種以上的單組分酶按一定比例混合而成的新型酶，洗滌劑中加入復合酶可以較完全地分解混合污垢。

蔣惠亮等[22]研究了蛋白酶、脂肪酶、纖維素酶3種酶在各種復合狀態下的去污性能及其協同作用，結果顯示，上述3種酶的任何2種酶復合均具有一定的協同效應，尤其是蛋白酶與脂肪酶或纖維素酶復合能獲得顯著的協同效應，并且蛋白酶與脂肪酶或纖維素酶復配能使去污力相對提高50%以上。

洗滌劑中復合酶的添加，廣泛應用于工業清洗中。對手術器械進行清洗時，淀粉酶可以分解單糖和多糖，在多種酶共同的作用下細菌外層的脂多糖被分解去除，內部的蛋白質由于失去外層膜的保護被暴露在蛋白酶面前，被蛋白酶分解，從而達到殺死細菌的目的[23]。復合酶應用于餐具清洗劑中，能夠有效協助表面活性劑去除蛋白質、淀粉和脂肪類污漬，甚至可以大幅度降低表面活性劑的用量，提高洗滌劑除污能力[24]。

3 總結與展望

本文對工業清洗技術進行了簡要介紹，簡述了目前一些先進的工業清洗技術和清洗劑配方，對生物酶配方在清洗劑中的應用進行了分析。生物酶作為一種有機活性大分子蛋白質，無毒并且可以被完全降解，對環境的污染極低，符合當下綠色環保、可持續發展理念，因此酶在工業清洗中的應用前景十分廣闊。

21世紀是清潔環保的時代，研究和開發新型清洗技術和綠色清洗劑，使清洗過程更加精細化、高效化、專業化、環保化，這將是未來清洗行業的發展方向。我國清洗工業要加大研究和開發力度，開發更為先進的化學清洗技術、物理清洗技術和微生物清洗技術，改善傳統清洗技術，研究開發綠色清洗劑，順應時代潮流，朝著綠色環保方向發展。