工業(yè)清洗技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及酶制劑在清洗劑配方中的應(yīng)用

石 赟 張 劍

（山西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，山西太原，030006）

20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工業(yè)清洗技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。工業(yè)清洗包括物理清洗、化學(xué)清洗、微生物清洗等技術(shù)。物理清洗技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了人工捅刷PIG（清管器）清洗、射流清洗多元化、集成化3個(gè)階段。目前，我國(guó)正處在物理清洗發(fā)展階段的第二階段，高壓水射流清洗、PIG管道清洗技術(shù)都得到實(shí)際應(yīng)用?；瘜W(xué)清洗技術(shù)的發(fā)展與清洗劑密切相關(guān)，清洗劑配方由腐蝕性很強(qiáng)的強(qiáng)酸、強(qiáng)堿配方結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向無(wú)毒化、低劑量化的高效綠色清洗劑。微生物清洗技術(shù)是一種新型清洗技術(shù)。其中，生物酶是一種綠色環(huán)保可降解的生物活性物質(zhì)，將生物酶制劑添加到工業(yè)清洗劑配方中，在提高除污能力的同時(shí)，還可節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境，符合當(dāng)今時(shí)代碳中和的發(fā)展潮流和趨勢(shì)。

1 工業(yè)清洗技術(shù)

1.1 工業(yè)清洗技術(shù)類型

工業(yè)設(shè)備表面及管道易受物理、化學(xué)或生物的作用形成污垢，可通過(guò)清洗技術(shù)去除設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的污染物或覆蓋層而使其恢復(fù)原表面狀況。從作用原理上，工業(yè)清洗技術(shù)可以分為物理清洗、化學(xué)清洗以及微生物清洗。

物理清洗技術(shù)是指利用聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)的原理，依靠外來(lái)能量的作用，如機(jī)械摩擦、超聲波、負(fù)壓、高壓、沖擊、紫外線、蒸汽等去除物體表面污垢的方法。常見(jiàn)物理清洗技術(shù)見(jiàn)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(shù)

高壓水射流清洗技術(shù)能在空間狹窄復(fù)雜和操作環(huán)境較差的條件下進(jìn)行清洗，主要針對(duì)的是反應(yīng)塔、容器、管道及換熱器等設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中留置、產(chǎn)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(shù)無(wú)機(jī)械接觸，不存在磨損問(wèn)題，也不需要使用化學(xué)試劑，不會(huì)造成化學(xué)腐蝕，主要對(duì)模具內(nèi)花紋除膠、古建筑與石質(zhì)文物除塵垢、船舶板材表面除銹、飛機(jī)金屬蒙皮和復(fù)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(shù)精度高、速度快、效果好、污染小、無(wú)不良副產(chǎn)物，主要對(duì)表面形狀較復(fù)雜，帶有細(xì)孔、狹縫的工件進(jìn)行清洗，例如醫(yī)療器械清洗、表面噴涂處理等領(lǐng)域[3]。

化學(xué)清洗技術(shù)指的是依靠化學(xué)反應(yīng)的作用，利用化學(xué)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(rùn)、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(rùn)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(rùn)，見(jiàn)圖2。由于污垢分散于清洗液中，用水洗便可沖走污垢，達(dá)到除污的效果[4]。

圖2 化學(xué)清洗原理

化學(xué)清洗技術(shù)中常用到化學(xué)清洗劑，根據(jù)pH值進(jìn)行劃分，化學(xué)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(duì)于清洗一些油脂類污垢和酸性污垢有較好效果，在光學(xué)產(chǎn)品中多用于光學(xué)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(jī)械表面的污垢，半導(dǎo)體等精密工件的清洗等[5]。酸性清洗劑中含有機(jī)酸（檸檬酸、葡萄糖酸、酒石酸等）、無(wú)機(jī)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(zhǎng)時(shí)間沉積下來(lái)的物質(zhì)，如建筑外墻的清洗、樓盤的清洗等，還可用于醫(yī)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(shù)是指利用微生物將設(shè)備上附著的污物進(jìn)行分解，形成小分子的無(wú)毒可溶性物質(zhì)的方法。這一方法主要是通過(guò)釋放微生物到清洗劑中并讓其存活下來(lái)，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(shù)成本低、安全環(huán)保，不腐蝕儀器設(shè)備，可以提高清洗劑的清潔性能，廣泛應(yīng)用于石油化工廠、食品加工廠、機(jī)械工廠部件清洗、地下水處理等領(lǐng)域。

1.2 工業(yè)清洗技術(shù)發(fā)展歷程

化學(xué)清洗技術(shù)的發(fā)展與清洗劑的進(jìn)步密切相關(guān)，清洗劑的進(jìn)步經(jīng)歷了簡(jiǎn)單型-組合型-傻瓜型3個(gè)發(fā)展階段。第一階段主要使用一些腐蝕性很強(qiáng)的強(qiáng)酸強(qiáng)堿，這些清洗劑組成簡(jiǎn)單，防腐蝕性能差；第二階段出現(xiàn)了各種功能型的清洗劑如滲透劑、剝離劑、促進(jìn)劑、催化劑、三價(jià)鐵離子還原劑等，使清洗劑的功能性更強(qiáng)、協(xié)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(jiǎn)單的專用型清洗劑大量涌現(xiàn)，使清洗劑更加專業(yè)化、精細(xì)化、 高效化、安全化、系列化[9]。

物理清洗技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了人工捅刷PIG清洗、射流清洗多元化、集成化3個(gè)階段。目前，我國(guó)正處在物理清洗發(fā)展階段的第二階段，高壓水射流清洗、PIG管道清洗技術(shù)得到實(shí)際應(yīng)用，但在物理清洗技術(shù)的集成方面，國(guó)內(nèi)剛起步，而國(guó)外已有較大發(fā)展[10]。物理清洗以污染小、操作靈活、無(wú)腐蝕等優(yōu)點(diǎn)將逐漸取代化學(xué)清洗并成為工業(yè)清洗的主流，物理清洗技術(shù)的研究和應(yīng)用將更受關(guān)注。

我國(guó)微生物清洗技術(shù)還處于萌芽狀態(tài)。20世紀(jì)以來(lái)，歐美國(guó)家先后投入了大量的人力、物力進(jìn)行這方面的研制、實(shí)驗(yàn)、監(jiān)察和施工樣板。荷蘭政府20世紀(jì)80年代對(duì)此投入了15億美元進(jìn)行研究、實(shí)驗(yàn)；德國(guó)1995年投資60億美元；美國(guó)21世紀(jì)初已投入 100億美元。此項(xiàng)清洗技術(shù)已成為美國(guó)當(dāng)前環(huán)保清洗技術(shù)研究和施工的熱點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況我國(guó)專業(yè)科研單位以藍(lán)星清洗集團(tuán)和國(guó)家洗凈協(xié)會(huì)西部辦事處專業(yè)部為主適當(dāng)?shù)剡x擇微生物清洗技術(shù)。微生物清洗技術(shù)不僅可保證質(zhì)量，還能防止環(huán)境污染，而且可以采取常壓、常溫、中性綠色洗滌劑開(kāi)展工作。

圖3 微納米技術(shù)清洗原理

近年來(lái)，一些先進(jìn)的新型清洗技術(shù)和設(shè)備得到廣泛應(yīng)用。Lim等[12]將大氣泡與微納米氣泡結(jié)合，用于浮選去除污染砂中的油污，清洗原理見(jiàn)圖3。結(jié)果表明，加入微納米氣泡可以縮短大氣泡與油層的附著時(shí)間，除油率顯著提高至68.6%。盧斌斌等[13]結(jié)合超聲清洗的優(yōu)勢(shì)與超臨界二氧化碳的特性，設(shè)計(jì)出超聲強(qiáng)化超臨界二氧化碳復(fù)合清洗實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在提高清洗效率的同時(shí)，又保持了超臨界二氧化碳清洗技術(shù)綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)。

1.3 工業(yè)清洗技術(shù)要求

工業(yè)清洗技術(shù)的實(shí)施需要遵守國(guó)家相關(guān)法律法規(guī)，尤其是工業(yè)清洗劑的生產(chǎn)，要符合規(guī)定的質(zhì)量技術(shù)要求、產(chǎn)品安全要求、環(huán)境保護(hù)要求等。

邱驥等[11]通過(guò)對(duì)表面活性劑的篩選、配制及優(yōu)化清洗劑配方、進(jìn)行環(huán)保實(shí)驗(yàn)和綜合性能測(cè)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(huán)保，對(duì)碳鋼、鋁等金屬無(wú)腐蝕作用，在高、低溫環(huán)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(xué)清洗劑。趙宏波[14]通過(guò)對(duì)比觀察組（清洗酶浸泡）與對(duì)照組（常規(guī)手工清洗）對(duì)手術(shù)醫(yī)療器械清洗質(zhì)量的差異，發(fā)現(xiàn)清洗酶浸泡有助于減少清洗時(shí)間，改善手術(shù)室工作效率，改善手術(shù)醫(yī)療器械清洗質(zhì)量，降低手術(shù)交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。清洗劑中酶制劑的加入，不僅提高了清洗效率，還推動(dòng)了清洗工業(yè)朝著綠色環(huán)保方向發(fā)展。

2 酶制劑在工業(yè)清洗劑配方中的應(yīng)用

生物酶是由活細(xì)胞產(chǎn)生的具有催化功能的生物大分子蛋白質(zhì)，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(guò)程，并不消耗自身能量，通常把這一反應(yīng)過(guò)程稱為“酶促反應(yīng)”過(guò)程。酶促反應(yīng)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(yōu)點(diǎn)，因此酶制劑在工業(yè)清洗劑中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。工業(yè)清洗劑配方中初期使用蛋白酶，后來(lái)陸續(xù)開(kāi)發(fā)了淀粉酶、脂肪酶的應(yīng)用，甚至是兩種以及兩種以上酶的協(xié)同應(yīng)用。生物酶制劑被引進(jìn)工業(yè)清洗劑配方中，大大支持和幫助了洗滌用品工業(yè)的發(fā)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(hù)設(shè)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(shí)，生物酶作為一種可降解的環(huán)境友好型產(chǎn)品，對(duì)節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境都起到一定的促進(jìn)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(yīng)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(jì)70年代，上海合成洗滌劑廠首先研制了應(yīng)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(zhì)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(shè)備上的血漬、蛋、奶漬、草漬、肉汁等蛋白質(zhì)類的污漬。

趙慶[16]制備了一種含有堿性蛋白酶的洗碗機(jī)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(duì)環(huán)境無(wú)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(xué)清洗劑的使用量，減少對(duì)人體的傷害。邱學(xué)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(duì)蛋白質(zhì)污垢、人工普通污垢及復(fù)合污垢的脫除性能，結(jié)果表明，堿性蛋白酶Sav與表面活性劑AES、AEO9、TX-10配伍有協(xié)同增效去污作用，而與LAS配伍則出現(xiàn)消減去污作用，原因是LAS可使酶失活。由此可見(jiàn)，酶的加入，可使傳統(tǒng)洗滌劑清洗效率提高，但有時(shí)，有些表面活性劑會(huì)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(yīng)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(nèi)部的糖苷鍵，產(chǎn)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(duì)洗滌劑中的淀粉酶進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)淀粉酶可協(xié)助蛋白酶更好地發(fā)揮作用，同時(shí)還可防止淀粉類污垢出現(xiàn)再沉積現(xiàn)象。淀粉酶與蛋白酶協(xié)同作用提高了對(duì)含淀粉及蛋白質(zhì)混合污垢的清除效率。

2.3 脂肪酶在清洗劑配方中的應(yīng)用

脂肪酶用于去除設(shè)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(dòng)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(duì)抽油煙機(jī)等設(shè)備上的油污進(jìn)行有效清除，達(dá)到高效、環(huán)保的效果。

李玲等[20]研究了脂肪酶綠色清潔劑對(duì)管道和隔油器中油脂的去除，結(jié)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(wèn)題，達(dá)到物理清洗和化學(xué)清洗都達(dá)不到的效果。

2.4 復(fù)合酶在清洗劑配方中的應(yīng)用

酶對(duì)底物的作用具有專一性，單一酶添加到洗滌劑中只能對(duì)某一特定基團(tuán)起作用，而污垢的組成比較復(fù)雜，單一酶的添加并不能達(dá)到除污效果。復(fù)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(fù)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(fù)合狀態(tài)下的去污性能及其協(xié)同作用，結(jié)果顯示，上述3種酶的任何2種酶復(fù)合均具有一定的協(xié)同效應(yīng)，尤其是蛋白酶與脂肪酶或纖維素酶復(fù)合能獲得顯著的協(xié)同效應(yīng)，并且蛋白酶與脂肪酶或纖維素酶復(fù)配能使去污力相對(duì)提高50%以上。

洗滌劑中復(fù)合酶的添加，廣泛應(yīng)用于工業(yè)清洗中。對(duì)手術(shù)器械進(jìn)行清洗時(shí)，淀粉酶可以分解單糖和多糖，在多種酶共同的作用下細(xì)菌外層的脂多糖被分解去除，內(nèi)部的蛋白質(zhì)由于失去外層膜的保護(hù)被暴露在蛋白酶面前，被蛋白酶分解，從而達(dá)到殺死細(xì)菌的目的[23]。復(fù)合酶應(yīng)用于餐具清洗劑中，能夠有效協(xié)助表面活性劑去除蛋白質(zhì)、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(jié)與展望

本文對(duì)工業(yè)清洗技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，簡(jiǎn)述了目前一些先進(jìn)的工業(yè)清洗技術(shù)和清洗劑配方，對(duì)生物酶配方在清洗劑中的應(yīng)用進(jìn)行了分析。生物酶作為一種有機(jī)活性大分子蛋白質(zhì)，無(wú)毒并且可以被完全降解，對(duì)環(huán)境的污染極低，符合當(dāng)下綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展理念，因此酶在工業(yè)清洗中的應(yīng)用前景十分廣闊。

21世紀(jì)是清潔環(huán)保的時(shí)代，研究和開(kāi)發(fā)新型清洗技術(shù)和綠色清洗劑，使清洗過(guò)程更加精細(xì)化、高效化、專業(yè)化、環(huán)?；?，這將是未來(lái)清洗行業(yè)的發(fā)展方向。我國(guó)清洗工業(yè)要加大研究和開(kāi)發(fā)力度，開(kāi)發(fā)更為先進(jìn)的化學(xué)清洗技術(shù)、物理清洗技術(shù)和微生物清洗技術(shù)，改善傳統(tǒng)清洗技術(shù)，研究開(kāi)發(fā)綠色清洗劑，順應(yīng)時(shí)代潮流，朝著綠色環(huán)保方向發(fā)展。