工业清洗技术的发展现状及酶制剂在清洗剂配方中的应用

石 赟 张 剑

（山西大学化学化工学院，山西太原，030006）

20世纪80年代以来，随着我国国民经济的发展，工业清洗技术取得了长足进展。工业清洗包括物理清洗、化学清洗、微生物清洗等技术。物理清洗技术发展经历了人工捅刷PIG（清管器）清洗、射流清洗多元化、集成化3个阶段。目前，我国正处在物理清洗发展阶段的第二阶段，高压水射流清洗、PIG管道清洗技术都得到实际应用。化学清洗技术的发展与清洗剂密切相关，清洗剂配方由腐蚀性很强的强酸、强碱配方结构转向无毒化、低剂量化的高效绿色清洗剂。微生物清洗技术是一种新型清洗技术。其中，生物酶是一种绿色环保可降解的生物活性物质，将生物酶制剂添加到工业清洗剂配方中，在提高除污能力的同时，还可节约资源，保护环境，符合当今时代碳中和的发展潮流和趋势。

1 工业清洗技术

1.1 工业清洗技术类型

工业设备表面及管道易受物理、化学或生物的作用形成污垢，可通过清洗技术去除设备在工业生产过程中产生的污染物或覆盖层而使其恢复原表面状况。从作用原理上，工业清洗技术可以分为物理清洗、化学清洗以及微生物清洗。

物理清洗技术是指利用声学、光学、电学、热学的原理，依靠外来能量的作用，如机械摩擦、超声波、负压、高压、冲击、紫外线、蒸汽等去除物体表面污垢的方法。常见物理清洗技术见图1，包括高压水射流清洗、激光清洗、超声波清洗等。

图1 物理清洗技术

高压水射流清洗技术能在空间狭窄复杂和操作环境较差的条件下进行清洗，主要针对的是反应塔、容器、管道及换热器等设备在实际应用过程中留置、产生部分难以清理的附着物、污垢、水垢、油垢等[1]；激光清洗技术无机械接触，不存在磨损问题，也不需要使用化学试剂，不会造成化学腐蚀，主要对模具内花纹除胶、古建筑与石质文物除尘垢、船舶板材表面除锈、飞机金属蒙皮和复合材料部件除漆、高铁表面除漆等起作用[2]；超声波清洗技术精度高、速度快、效果好、污染小、无不良副产物，主要对表面形状较复杂，带有细孔、狭缝的工件进行清洗，例如医疗器械清洗、表面喷涂处理等领域[3]。

化学清洗技术指的是依靠化学反应的作用，利用化学药品或其他溶剂去除物体表面污垢的方法。这种方法主要是用清洗剂先将污垢浸润、渗透，使清洗剂组分中的亲水基定向排列在外围，亲油基吸附在油污上，浸润不易沾水的油污，从而使吸附到油污上的清洗剂渐渐地被膨润，见图2。由于污垢分散于清洗液中，用水洗便可冲走污垢，达到除污的效果[4]。

图2 化学清洗原理

化学清洗技术中常用到化学清洗剂，根据pH值进行划分，化学清洗剂可以分为碱性清洗剂和酸性清洗剂。碱性清洗剂中的主要成分有表面活性剂、氢氧化钾、氢氧化钠等，对于清洗一些油脂类污垢和酸性污垢有较好效果，在光学产品中多用于光学玻璃清洗剂使用。碱性清洗剂还可用于清除加工部件表面的切削、研磨、压力等高黏度油酯，机械表面的污垢，半导体等精密工件的清洗等[5]。酸性清洗剂中含有机酸（柠檬酸、葡萄糖酸、酒石酸等）、无机酸（盐酸、硝酸、硫酸、氢氟酸、磷酸）、表面活性剂、螯合剂、缓蚀剂等，具有一定的杀菌除臭功能，能够溶解长时间沉积下来的物质，如建筑外墙的清洗、楼盘的清洗等，还可用于医院清洁毛刷、搪瓷、陶瓷等物品的清洗消毒[6]。

微生物清洗技术是指利用微生物将设备上附着的污物进行分解，形成小分子的无毒可溶性物质的方法。这一方法主要是通过释放微生物到清洗剂中并让其存活下来，微生物分泌酶可以破坏污垢中烃类化合物的分子键，使污垢分子分解并随着清洗剂一起被排出[8]。微生物清洗技术成本低、安全环保，不腐蚀仪器设备，可以提高清洗剂的清洁性能，广泛应用于石油化工厂、食品加工厂、机械工厂部件清洗、地下水处理等领域。

1.2 工业清洗技术发展历程

化学清洗技术的发展与清洗剂的进步密切相关，清洗剂的进步经历了简单型-组合型-傻瓜型3个发展阶段。第一阶段主要使用一些腐蚀性很强的强酸强碱，这些清洗剂组成简单，防腐蚀性能差；第二阶段出现了各种功能型的清洗剂如渗透剂、剥离剂、促进剂、催化剂、三价铁离子还原剂等，使清洗剂的功能性更强、协同性能更好、除垢性能更佳；第三阶段随着缓蚀剂和清洗助剂的日益完善，各种更安全、使用方法更简单的专用型清洗剂大量涌现，使清洗剂更加专业化、精细化、 高效化、安全化、系列化[9]。

物理清洗技术的发展经历了人工捅刷PIG清洗、射流清洗多元化、集成化3个阶段。目前，我国正处在物理清洗发展阶段的第二阶段，高压水射流清洗、PIG管道清洗技术得到实际应用，但在物理清洗技术的集成方面，国内刚起步，而国外已有较大发展[10]。物理清洗以污染小、操作灵活、无腐蚀等优点将逐渐取代化学清洗并成为工业清洗的主流，物理清洗技术的研究和应用将更受关注。

我国微生物清洗技术还处于萌芽状态。20世纪以来，欧美国家先后投入了大量的人力、物力进行这方面的研制、实验、监察和施工样板。荷兰政府20世纪80年代对此投入了15亿美元进行研究、实验；德国1995年投资60亿美元；美国21世纪初已投入 100亿美元。此项清洗技术已成为美国当前环保清洗技术研究和施工的热点。根据实际情况我国专业科研单位以蓝星清洗集团和国家洗净协会西部办事处专业部为主适当地选择微生物清洗技术。微生物清洗技术不仅可保证质量，还能防止环境污染，而且可以采取常压、常温、中性绿色洗涤剂开展工作。

图3 微纳米技术清洗原理

近年来，一些先进的新型清洗技术和设备得到广泛应用。Lim等[12]将大气泡与微纳米气泡结合，用于浮选去除污染砂中的油污，清洗原理见图3。结果表明，加入微纳米气泡可以缩短大气泡与油层的附着时间，除油率显著提高至68.6%。卢斌斌等[13]结合超声清洗的优势与超临界二氧化碳的特性，设计出超声强化超临界二氧化碳复合清洗实验平台，在提高清洗效率的同时，又保持了超临界二氧化碳清洗技术绿色环保的优势。

1.3 工业清洗技术要求

工业清洗技术的实施需要遵守国家相关法律法规，尤其是工业清洗剂的生产，要符合规定的质量技术要求、产品安全要求、环境保护要求等。

邱骥等[11]通过对表面活性剂的筛选、配制及优化清洗剂配方、进行环保实验和综合性能测试，制备出一种船舶多功能绿色清洗剂。这种清洗剂所选配方绿色环保，对碳钢、铝等金属无腐蚀作用，在高、低温环境下均能保持良好的性能。

此外，人们还致力于研究具有生物降解能力和酶催化作用的化学清洗剂。赵宏波[14]通过对比观察组（清洗酶浸泡）与对照组（常规手工清洗）对手术医疗器械清洗质量的差异，发现清洗酶浸泡有助于减少清洗时间，改善手术室工作效率，改善手术医疗器械清洗质量，降低手术交叉感染风险。清洗剂中酶制剂的加入，不仅提高了清洗效率，还推动了清洗工业朝着绿色环保方向发展。

2 酶制剂在工业清洗剂配方中的应用

生物酶是由活细胞产生的具有催化功能的生物大分子蛋白质，通常被称为生物催化剂。和其他催化剂一样，酶只参与中间过程，并不消耗自身能量，通常把这一反应过程称为“酶促反应”过程。酶促反应具有用量少而效率高、作用条件温和、具有专一性且安全性好等优点，因此酶制剂在工业清洗剂中的应用越来越广泛。工业清洗剂配方中初期使用蛋白酶，后来陆续开发了淀粉酶、脂肪酶的应用，甚至是两种以及两种以上酶的协同应用。生物酶制剂被引进工业清洗剂配方中，大大支持和帮助了洗涤用品工业的发展。

生物酶清洗的原理是利用生物酶催化分解作用，将污渍分解为水溶性的小分子。洗涤剂中加入少量酶制剂，不仅可以提高除污能力，保护设备及物品的颜色，而且可以减少助洗剂和表面活性剂等的使用。同时，生物酶作为一种可降解的环境友好型产品，对节约资源和保护环境都起到一定的促进作用。按作用底物分类，可将生物酶分为蛋白酶、淀粉酶、脂肪酶等。

2.1 蛋白酶在清洗剂配方中的应用

蛋白酶是最基本、最重要和使用最为广泛的一种酶制剂。20世纪70年代，上海合成洗涤剂厂首先研制了应用于洗涤剂的蛋白酶[15]。蛋白酶除污原理主要是蛋白酶可切断蛋白质大分子中的肽键，将其分为小段的多肽小分子，从而有利于去除设备上的血渍、蛋、奶渍、草渍、肉汁等蛋白质类的污渍。

赵庆[16]制备了一种含有碱性蛋白酶的洗碗机洗涤剂，这种洗涤剂使用的原料安全、易清除，在废水中容易分解，对环境无污染，重要的是，碱性蛋白酶的加入减少了十二烷基苯磺酸钠等化学清洗剂的使用量，减少对人体的伤害。邱学青等[17]研究了碱性蛋白酶Savinase与4种表面活性剂(LAS、AES、AEO9、TX-10)对蛋白质污垢、人工普通污垢及复合污垢的脱除性能，结果表明，碱性蛋白酶Sav与表面活性剂AES、AEO9、TX-10配伍有协同增效去污作用，而与LAS配伍则出现消减去污作用，原因是LAS可使酶失活。由此可见，酶的加入，可使传统洗涤剂清洗效率提高，但有时，有些表面活性剂会使酶失去活性，并不能提高清洗效果。

2.2 淀粉酶在清洗剂配方中的应用

洗涤剂中常用的淀粉酶为α-淀粉酶（α-1, 4-D-葡萄糖-葡萄糖苷水解酶），它能够切断淀粉内部的糖苷键，产生糊精、低聚糖和葡萄糖等，使淀粉黏度迅速降低，有利于淀粉类污垢的去除[18]。

徐清[19]对洗涤剂中的淀粉酶进行研究，发现淀粉酶可协助蛋白酶更好地发挥作用，同时还可防止淀粉类污垢出现再沉积现象。淀粉酶与蛋白酶协同作用提高了对含淀粉及蛋白质混合污垢的清除效率。

2.3 脂肪酶在清洗剂配方中的应用

脂肪酶用于去除设备上含甘油三酯类的污垢，它可将甘油三酯分解为脂肪酸和甘油，主要去除植物油、动物脂肪、人体皮脂、口红等污垢。脂肪酶添加在清洁剂中可以对抽油烟机等设备上的油污进行有效清除，达到高效、环保的效果。

李玲等[20]研究了脂肪酶绿色清洁剂对管道和隔油器中油脂的去除，结果显示，添加了脂肪酶的清洁剂解决了以往由于油脂自然降解慢而造成管道堵塞的问题，达到物理清洗和化学清洗都达不到的效果。

2.4 复合酶在清洗剂配方中的应用

酶对底物的作用具有专一性，单一酶添加到洗涤剂中只能对某一特定基团起作用，而污垢的组成比较复杂，单一酶的添加并不能达到除污效果。复合酶是将两种或两种以上的单组分酶按一定比例混合而成的新型酶，洗涤剂中加入复合酶可以较完全地分解混合污垢。

蒋惠亮等[22]研究了蛋白酶、脂肪酶、纤维素酶3种酶在各种复合状态下的去污性能及其协同作用，结果显示，上述3种酶的任何2种酶复合均具有一定的协同效应，尤其是蛋白酶与脂肪酶或纤维素酶复合能获得显著的协同效应，并且蛋白酶与脂肪酶或纤维素酶复配能使去污力相对提高50%以上。

洗涤剂中复合酶的添加，广泛应用于工业清洗中。对手术器械进行清洗时，淀粉酶可以分解单糖和多糖，在多种酶共同的作用下细菌外层的脂多糖被分解去除，内部的蛋白质由于失去外层膜的保护被暴露在蛋白酶面前，被蛋白酶分解，从而达到杀死细菌的目的[23]。复合酶应用于餐具清洗剂中，能够有效协助表面活性剂去除蛋白质、淀粉和脂肪类污渍，甚至可以大幅度降低表面活性剂的用量，提高洗涤剂除污能力[24]。

3 总结与展望

本文对工业清洗技术进行了简要介绍，简述了目前一些先进的工业清洗技术和清洗剂配方，对生物酶配方在清洗剂中的应用进行了分析。生物酶作为一种有机活性大分子蛋白质，无毒并且可以被完全降解，对环境的污染极低，符合当下绿色环保、可持续发展理念，因此酶在工业清洗中的应用前景十分广阔。

21世纪是清洁环保的时代，研究和开发新型清洗技术和绿色清洗剂，使清洗过程更加精细化、高效化、专业化、环保化，这将是未来清洗行业的发展方向。我国清洗工业要加大研究和开发力度，开发更为先进的化学清洗技术、物理清洗技术和微生物清洗技术，改善传统清洗技术，研究开发绿色清洗剂，顺应时代潮流，朝着绿色环保方向发展。