化学作用的主要原理为，通过清洗剂与污物产生的化学作用来改变污物的溶解特性，使污物变成易于溶于水的物质。化学作用与所选择的清洗剂的类型和浓度有关，合适的清洗剂需具备如下特（优）征（点）：能从被清洗物表面剥离颗粒并使其以较小颗粒形态悬浮或溶解在清洗液中；能快速溶解于水；具有表面活性，对污物有良好的渗透和去污能力；工作浓度能被在线检测并可控；成分明确、不会引起污染或交叉污染；对制药配液系统的组件无任何腐蚀等负面影响；方便污水处理、环境影响小；便于保存且使用成本低。化学清洗剂主要分为中性清洗剂、碱性清洗剂和酸性清洗剂三大类，其主要包含水及酸液、碱液或表面活性剂。例如，美国STERIS公司生产的CIP 100属于典型的碱性清洗剂，CIP 200属于典型的酸性清洗剂。化学作用包括水解、渗透、乳化、催化、皂化、螯合、氧化、分散、悬浮、溶胶和络合等多种形式，不同的污物需要不同的化学作用。一般而言，单一清洗剂只能实现某些特定的清洗功能，没有任何一种清洗剂可同时满足所有的清洗要求。企业需结合残留污物的实际情况合理选择化学清洗剂的类型和浓度。例如：A. 对于油脂类污物，可选择表面活性剂的渗透与乳化作用、碱液的分散作用和强碱的皂化作用；B. 对于蛋白质类污物，可选择碱液或酸液的溶解作用、氧化剂的水解作用和蛋白酶的催化分解作用；对于糖类碳水化合物污物，可选择高温水的溶解作用；C. 对于淀粉类碳水化合物污物，可选择酸碱液的溶解作用与淀粉酶的分解作用；D. 对于矿物质类污物，则可选择酸性清洗剂的溶解作用和螯合剂的螯合作用。① 表面活性剂和分散剂。 一、表面活性剂表面活性剂对于制药配液系统中油脂类污物的清洗效果非常明显，它是指具有固定的亲水、亲油基团，在溶液的表面能定向排列，并能使表面张力显著下降的物质。A. 表面活性剂的结构——表面活性剂 (图10 .8) 的分子结构具有两亲性，一端为亲水基团、另 一端为疏水基团。亲水基团常为极性的基团，如羧酸、磺酸、硫酸、氨基、胺基或胺盐、 羟基、酰胺基、醚键等；疏水基团常为非极性烃链，如8个碳原子以上烃链。表面活性剂溶解于水中以后能降低水的表面张力、提高有机化合物的可溶性。B.表面活性剂的工作原理——主要是通过分子中不同部分对于油相与水相的亲和，使两相均将其当作本相的成分。表面活性剂的分子排列在两相之间，使两相的表面相当于转入分子内部，从而降低其表面张力。由于油相与水相都将其当作本相的一个组分，就相当于油相与水相与表面活性剂分子都没有形成界面，通过这种方式部分地消灭了两个相的界面，从而降低了表面张力和表面自由能。C. 表面活性剂的分类按作用机制划分，表面活性剂主要提供渗透作用、乳化作用和悬浮作用等 (图10.9)。按极性基团的解离性质划分，表面活性剂分为阴离子表面活性剂 (如硬脂酸、 十二烷基苯磺酸钠等)；阳离子表面活性剂 (如季铵化物等)；两性离子表面活性剂 (如卵磷脂、氨基酸型、甜菜碱型等) 和非离子表面活性剂 (如脂肪酸甘油酯、 脂肪酸山梨坦、聚山梨酯等)。如前文所述，洁净管道中被红锈覆盖的表面粗糙度较大，使得污物可能存于粗糙表面的死角处，如果使用单纯的水进行冲洗，由于较大的表面张力作用，可能接触不到藏于谷底的污物，如果此时使用表面活性剂，由于降低了表面张力，则有可能接触到污物，从而提高了清洗和除锈的效果 (图10.10)。二、分散剂分散剂也是一种常用于除锈再钝化处理的表面活性剂。分散剂可均一分散那些难于溶解于液体的无机、有机的固体及液体颗粒，同时也能防止颗粒的沉降和凝聚，是形成稳定悬浮液所需的两亲性试剂。A. 分散剂的分类分散剂一般分为无机分散剂和有机分散剂两大类。常用的无机分散剂有硅酸盐类 (如水玻璃) 和碱金属磷酸盐类 (如三聚磷酸钠、六偏磷酸钠和焦磷酸钠等)。有机分散剂包括三乙基己基磷酸、 十二烷基硫酸钠、甲基戊醇、纤维素衍生物、聚丙烯酰胺、古尔胶、脂肪酸聚乙二醇酯等。B. 分散剂的作用原理——就是把各种颗粒合理地分散在溶剂中，通过一定的电荷排斥原理或高分子位阻效应，使各种固体很稳定地悬浮在溶剂 (或分散液) 中。分散剂在使用时必须溶水，它们被选择地吸附到颗粒与水的界面上。常用的是阴离子型，它们在水中电离形成阴离子，并具有一定的表面活性，被粉体表面吸附。粒子表面吸附分散剂后形成双电层。阴离子被粒子表面紧密吸附，称为表面离子。在介质中带相反电荷的离子称为反离子。它们被表面离子通过静电吸附，反离子中的一部分与粒子及表面离子结合得比较紧密，称束缚反离子。它们在介质成为运动整体，带有负电荷，另一部分反离子则包围在周围，它们称为自由反离子，形成扩散层。这样在表面离子和反离子之间就形成双电层。 微粒所带负电与扩散层所带正电形成双电层称为动电电位。热力电位是指所有阴离子与阳离子之间形成的双电层相应的电位。起分散作用的是动电电位而不是热力电位，动电电位电荷不均衡，有电荷排斥现象，而热力电位属于电荷平衡现象。高分子位阻效应是指一个稳定分散体系的形成，除了利用粒子表面的静电排斥以阻止粒子间的吸附/聚集外，还可以让已吸附负电荷的粒子互相接近时，互相滑动错开，这类起空间位阻作用的表面活性剂一般是非离子表面活性剂。灵活运用静电排斥配合空间位阻的理论，可以构成一个高度稳定的分散体系。高分子吸附层有一定的厚度，可以有效地阻挡粒子的相互吸附，主要是依靠高分子的溶剂化层，当粉体表面吸附层达8~9nm时，它们之间的排斥力可以保护粒子不致絮凝。CIP100与CIP200试剂就是一种含有分散剂的高效清洗试剂。图10.11显 示出其与水和常规含有表面活性剂的洗液相比的优势。图10.11可以看出，分散剂的作用是非常明显的。当向3个洗液试样 (分别为含表面活性剂的水溶液、氢氧化钠水溶液和CIP100水溶液) 中分别加入活性炭 (模拟污物) 后，将3种溶液以同样的转速，开启磁力搅拌器。一段时间后，前两种试样中的结果类似，即活性炭均浮在溶液表面；而含有分散剂的CIP100溶液，活性炭则溶到了流体中，并分散均匀；另外，在搅拌一段时间之后，向这3 种溶液分别浸入同样大小和同样材质的不锈钢片，观察再沉积现象，前两者均发生了再沉积，而CIP 100则丝毫没有发生再沉积。本期的篇幅较多，主要介绍碱性清洗剂和酸性清洗剂。而两者，重点偏向“酸性清洗剂”。1. 对于碱性清洗剂来说，主要作用是去除金属表面的油脂，在除红锈方面，碱性试剂的主要作用是去除生物膜等有机污物，例如 CIP 100清洗试剂。2. 对于酸性清洗剂，是除红锈程序中必不可少的试剂。其本质是铁与酸的化学反应，原文重点介绍了柠檬酸、硝酸、硫酸、磷酸及混合物（CIP 200）的优缺点比较，重点表扬了一下CIP 200的本领。原文利用表格的形式对比了各种酸性清洗剂和碱性清洗剂的性能和效果，并且对于I、II、III类红锈也通过表格的形式介绍不同的除锈剂使用的适用性、化学过程及反应的条件。本期小编又改变的推文的形式，希望能够帮助大家的理解本期的主要内容。上述部分是小编的简要解读，下述部分是水系统的原文，帮助大家查阅具体信息。如果有任何建议，希望大家留言给小编，小编一定仔细阅读，认真揣摩。② 碱性清洗剂碱清洗剂是指pH>7的清洗剂，包括苛性碱、聚磷酸盐、碳酸盐、硅酸盐、胺和碱性表面活性剂等。碱性清洗剂因具有环保无毒、安全、经济成本低、 去除内毒素、分解生物膜、清洗效果好的特点而被广泛运用。碱性表面活性剂是由碱以及表面活性剂等物质构成，利用皂化作用、乳化作用、浸透润湿作用等机理来除去可皂化油脂 (动植物油) 和非皂化油脂 (矿物油) 等金属表面油脂。例如，氢氧化钠和氢氧化钾可溶解蛋白质，在高温下可皂化脂肪，因此对含蛋白质较高的有机污物有很好的去除作用；聚磷酸盐可防止形成钙的沉淀，常用于不锈钢容器、桶和搅拌器的清洗；硅酸盐可防止铝腐蚀，主要用于铝制容器、桶、搅拌器的清洗。表10.2是常规碱性清洗剂的性能对照表。由于空气中CO2 的影响，NaOH会与其发生化学反应生成Na2CO3 和NaHCO3，进而影响清洗效果 (图10.12)。 因此，在清洗过程中，需对碱性清洗剂进行在线或离线取样分析，监测其浓度，当NaOH浓度达不到清洗要求时，需及时进行添加或更换。CIP100是一种高性能的无磷、碱性清洁剂，主要用于手工、浸泡和循环喷淋设备，包括CIP系统。CIP100清洗试剂在不锈钢除锈工艺中主要起到去除生物膜等各种有机污物的作用，适用于制药、生物工程、化妆品、食物和饮料生产中。③ 酸性清洗剂对于整个系统的清洗除锈来说，酸洗程序是必不可少的，这也是除锈的根本。 酸性清洗剂是指pH<7的清洗剂，包括硝酸、磷酸和脂肪酸盐类酸性表面活性剂等。酸性清洗剂对碱性清洗剂不能去除的无机物类污物有较好的清洗效果，广泛用于玻璃、不锈钢等表面的清洗。例如，硝酸和磷酸可溶解无机类污物，较高浓度的强酸还有去除红锈的功能；脂肪酸盐可通过乳化作用降低表面张力，从而将脂肪类污物得到有效清洗。表10.3是常规酸性清洗剂的性能对照表。需要注意的是，酸性清洗剂对不锈钢金属有一定的腐蚀性，使用后需及时中和并用清水冲洗干净。除锈的本质是铁锈与酸性试剂发生化学反应，制药行业传统使用的除锈试剂包括柠檬酸、硝酸、硫酸和氢氟酸等。柠檬酸属于中强酸，常用于不锈钢管道焊接完成后的钝化作业，有些制药企业用柠檬酸作为系统周期性除锈的清洗试剂，即使是在高温下进行清洗，其除锈效果较差，图10.13是某制药企业采用单一的柠檬酸进行除锈与钝化后的离心泵泵腔图片，从图中可以看出，离心泵泵腔内还是存在较为严重的Ⅰ类红锈，说明除锈效果并不理想。硝酸属于强酸，具有很强的不稳定性、强氧化性，并具有较强的腐蚀性。使用硝酸进行除锈处理后的不锈钢管道内壁一般无金属光色，色泽发乌 (图9.10)，如果硝酸配制浓度不当，还有可能对不锈钢表面产生侵蚀，导致红锈现象更加严重。另外，接触硝酸本身也存在较大的安全隐患。同硝酸蒸气接触有很大危险性。 硝酸液及硝酸蒸气对皮肤和黏膜有强刺激和腐蚀作用。浓硝酸烟雾可释放出五 氧化二氮，遇水蒸气形成酸雾，可迅速分解而形成二氧化氮，浓硝酸加热时产生硝酸蒸气，也可分解产生二氧化氮，吸入后可引起急性氮氧化物中毒。人在吸入量低于30mg/m3(12ppm) 左右时未见明显的 损害。吸入硝酸烟雾可引起急性中毒。误服硝酸可引起腐蚀性口腔炎和胃肠炎，严重者会出现休克或肾功能衰竭等。硫酸除锈的化学机制同硝酸是一样的，其危险性高于硝酸，这是因为硫酸除了具备同样强大的腐蚀性之外，还具有更强的氧化性。浓硫酸具有很强的脱水性。物质被浓硫酸脱水的过程是化学变化，反应时，浓硫酸按水分子中氢氧原数2:1的比例夺取被脱水物中的氢原子和氧原子或脱去非游离态的结晶水，如五水硫酸铜 (CuSO4·5H2O)。可被浓硫酸脱水的物质一般为含氢、氧元素的有机物，其中蔗糖、木屑、纸屑和棉花等物质中的有机物，脱水后生成了黑色的炭，这种过程又称作炭化。因 此采用高浓度硫酸进行除锈工作的话，务必采用全方位的安全措施，一旦其滴落在人体身上，由于脱水炭化作用，后果不堪设想。由于氢原子和氟原子间结合的能力相对较强，使得氢氟酸在水中不能完全电离，所以理论上低浓度的氢氟酸是一种弱酸。但由于氟是最活泼的非金属，氧化能力强，而且氢氟酸中的氟离子的半径很小，甚至小于氧离子，这使得它具有很强的渗透性，致密的氧化物也不能阻止它的渗透。故采用氢氟酸去除过红锈的表面其表面粗糙度非常高。如果单一使用氢氟酸对洁净管道进行除锈处理而无任何后续钝化程序，洁净管道表面将受到严重腐蚀，表面粗糙度远远超出行业规范 (图10.14)。ASME BPE2014对制药用水工艺系统洁净管道的除锈处理进行了详细的阐述，针对洁净管道内部不同红锈种类所用常规除锈剂和专用配方的高效除锈剂进行了详细介绍，请见表10.4。ASME BPE中明确提出使用磷酸及混合物作为除锈剂，对Ⅱ类红锈、Ⅲ类红锈均具有明显除锈效果。CIP200酸性除清洗试剂是一种典型的以磷酸为主要成分的高效除锈剂，其成分组成包含表面活性剂、分散剂、磷酸和柠檬酸，其中磷酸主要发挥除锈功能，而柠檬酸主要发挥钝化功能。图10.15是采用CIP 200试剂进行除锈后的照片，从图中可以看出，管道内壁金属表面光泽明亮，没有出现类似硝酸或氢氟酸除锈后带来的腐蚀坑。CIP 200是集除锈效能和钝化效能于一体的高效除锈再钝化剂，根据验证的结果，除锈的同时，即可良好地完成钝化，钝化效果优于采用17%的硝酸进行钝化的效果。如图10.16所示，虚线代表的 CIP 200在除锈的同时进行钝化，形成的钝化膜的铬铁比要高于实线代表的17%的硝酸专门进行钝化形成钝化膜的铬铁比。而且，在不锈钢的深层，采用 CIP 200处理过的不锈钢表面，会出现不连续的富铬层 。铬铁比越高，钝化膜深度越深，钝化效果越好，由此可见，CIP200的除锈再钝化效能较好。A. 中性清洗剂是清洗剂最后的一部分内容。中性清洗剂的优点很多，比如没有异味、没有污染；便于漂洗，无残留；不腐蚀金属和不锈钢；对人体安全。每一种清洗剂均需要注意其配比浓度，如果浓度不适当，清洗效果都不好。下文详细介绍浓度过高可能会带来的后果。B.时间：还记得本节的主要目的吗？“清洗的基本原理”。之前介绍过“温度”、“机械作用”、“化学作用”，本期介绍的最后一个影响清洗的因素——时间。对于清洗来说，时间的影响很好理解，时间越长，清洗效果越好，但是与化学作用和机械作用一起考虑，时间并不是越长越好；从经济的角度出发，企业也不愿意花费低效率的时间进行清洗工作，因此，选择适当的时间，是每个企业都会考虑到的问题。考虑时间的最佳阶段是在性能确认阶段。 ④ 中性清洗剂中清洗剂是在标准使用浓度时显示为中性的合成洗涤剂的总称，主要是指在 25℃标准使用浓度时，具有pH6~8的洗涤剂。中性清洗剂的主要原料是水、助洗剂和中性表面活性剂。中性清洗剂具有无异味、无气体挥发、无污染、使用安全；便于漂洗、无任何残留；对金属及不锈钢不发生腐蚀；手工清洗较为安全等特点。每一种清洗剂均有其最佳清洗浓度，过高或过低都会降低清洗效果，适当提高清洗剂浓度可有效促进清洗液与污物之间的化学作用力并增加清洗效果，有助于缩短系统的清洗时间、弥补清洗温度的不足。但清洗剂浓度过高会造成资源浪费并导致副作用的发生 (如不锈钢腐蚀等)，现代工业大发展提出了越来越苛刻的节能、环保、安全等要求，所有的清洗污水在排放前必须得到有效的环保处理。如采用中和处理方式降低污水的酸碱度；尽可能选择含磷量较低的清洗剂；控制污水中的生物耗氧量和化学耗氧量。红锈是一种紧贴于不锈钢表面的颗粒性污物，采用单纯的热能和机械能难于得到良好的清洗效果，化学作用在红锈去除过程中至关重要。除锈前，需先采用碱性清洗剂将红锈表面附着的生物膜去除，然后采用酸性清洗剂进行除锈。 (4) 时间时间是所有清洗过程必不可少的组成部分，要使每一步清洗操作发挥最大的清洗效果必须有适当的作用时间。整个清洗过程的最终时间由温度、化学作用和机械作用的综合效应决定。每套制药配液系统所需的清洗时间均会有所不同，实际所需清洗时间将在性能确认阶段得到验证。为提高工作效率，节省清洗时间是所有企业长期追求的目标。一般而言, 适当增加温度能提高化学反应速率并节省清洗时间；适当增加喷淋压力和流速，也能节省清洗时间；为实现足够的接触反应、节省清洗液用量，降低化学品的污染风险，企业常采用循环清洗方式实现化学清洗剂的最大化学反应效应，从而节省清洗时间。不同的清洗对象，所需时间不同，例如，在保证足够湍流和化学反应的情况下，不锈钢管道的清洗时间可能较短；而对于污染程度较严重的配液罐体，其清洗时间可能相对较长。