Waterkwaliteit als succesfactor voor de analyse Van water tot ultrapuur water – aan de hand van vier kernvragen

Water is reactief, neemt gemakkelijk vreemde stoffen op en verliest snel aan kwaliteit. In het laboratorium kunnen echter zelfs de kleinste verontreinigingen storend werken en meetresultaten vertekenen. Daarom is, afhankelijk van de toepassing, een genormaliseerde waterzuiverheid vereist. De FACT-formule helpt bij het vinden van de geschikte waterbehandelingsinstallatie.

Water is een van de meest gebruikte grondstoffen die er zijn, of het nu gaat om een oplosmiddel, reinigingsmiddel of uitgangsmateriaal voor verdere verwerkingsprocessen. Natuurlijk water is echter niet per definitie ‘zuiver’: het bevat naast opgeloste zouten, organische verbindingen uit biologische afbraakprocessen, colloïdale deeltjes en micro-organismen ook anorganische bestanddelen, hardheidsvormende ionen zoals calcium en magnesium, en kationen en anionen zoals natrium, chloride, sulfaat, nitraat of silicaat.

Waar de hoogste zuiverheid vereist is, wordt daarom zuiver en ultrazuiver water gebruikt, dat wil zeggen water waaruit vrijwel alle potentieel storende verontreinigingen zijn verwijderd. Hoe streng de eisen precies zijn, hangt af van de betreffende toepassing.

Bij reinigingsprocessen volstaat het vaak om de hardheidsvormende stoffen te verwijderen om kalkaanslag te voorkomen. Voor analytische processen daarentegen moeten vrijwel alle storende componenten, zowel organische als anorganische, tot een minimum worden beperkt. Voor de productie van microchips moet water bijvoorbeeld vrij zijn van anorganische verbindingen zoals natrium-, kalium-, calcium- en magnesiumzouten, evenals van koolwaterstoffen. Zelfs de kleinste hoeveelheden van deze ionen veranderen de elektrische eigenschappen van de halfgeleiderstructuren en kunnen leiden tot storingen in de chips. Koolwaterstoffen laten op hun beurt organische resten achter op het oppervlak van de wafer, die volgende productiestappen zoals fotolithografie verstoren.

Water voor medische of farmaceutische toepassingen mag vooral geen micro-organismen bevatten, noch de afbraak- en stofwisselingsproducten daarvan, de pyrogenen. Pyrogenen zijn koortsveroorzakende stoffen, met name endotoxinen, afkomstig uit de celwand van afgestorven gramnegatieve bacteriën. Als ze via bijvoorbeeld infuusvloeistoffen of dialysewater in de bloedbaan terechtkomen, kunnen ze ernstige koortsreacties veroorzaken, die kunnen leiden tot septische shock. Aangezien pyrogenen zelfs een sterilisatieproces overleven, volstaat het niet om alleen de micro-organismen zelf te verwijderen – het water moet vanaf het begin pyrogeenvrij worden behandeld. In de cel- of moleculaire biologie moet het water bovendien vrij zijn van nucleasen zoals RNasen en DNasen, om geen schade toe te brengen aan genmonsters.

Zuiver en ultrazuiver water in het laboratorium

In het laboratorium wordt zuiver en ultrazuiver water gebruikt als oplosmiddel, als basis voor buffers en kweekmedia, als spoelmiddel voor glaswerk en als voedingswater voor autoclaven en stoomsterilisatoren. De uitdaging hierbij is dat water chemisch gezien buitengewoon reactief is en gemakkelijk vreemde stoffen uit zijn omgeving opneemt, bijvoorbeeld uit de lucht of uit opslagreservoirs.

Voor het dagelijkse laboratoriumwerk betekent dit: wie de kwaliteit van zijn water niet kent, kent noch de grenzen van zijn meetresultaten, noch de betrouwbaarheid van zijn processen. Alleen een constante kwaliteit zorgt voor reproduceerbare resultaten: de productie van ultrapuur water behoort daarom tot de standaardtaken van het laboratorium.

De kwaliteitsniveaus in één oogopslag

Hoe zuiver water werkelijk is, kan vooral worden bepaald aan de hand van de geleidbaarheid of de soortelijke weerstand. Daarnaast worden ook andere parameters in de beoordeling meegenomen, zoals het gehalte aan anorganische en organische bestanddelen, de deeltjesbelasting of het aantal aanwezige micro-organismen. Een centrale parameter is de TOC-waarde (Total Organic Carbon), die informatie geeft over de hoeveelheid organisch gebonden koolstof in een monster. Internationaal erkende normen zoals ASTM, ISO en CLSI, en in het Duitstalige gebied DIN ISO 3696 en VDI 2083, definiëren vaste parameters voor behandeld water. Grofweg kunnen de volgende zuiverheidsniveaus worden onderscheiden:

Gedemineraliseerd of volledig ontzilt water (VE-water): verkregen via ionenwisselaars, met een geleidbaarheid van minder dan 20 μS/cm, TOC-waarden van minder dan 200 ppb en kiemgetallen van minder dan 1.000 KBE/mL. De ionenwisselaars, zogenaamde mengbedden, verwijderen zouten grotendeels uit drinkwater.

Zuiver water (ASTM type III): doorgaans geproduceerd via omgekeerde osmose, met een geleidbaarheid van minder dan 10 μS/cm, TOC-waarden van minder dan 200 ppb en een kiemgetal van minder dan 100 KBE/mL. Bij omgekeerde osmose wordt het water onder een hoge druk van 6 tot 14 bar tegen een halfdoorlatend membraan gedrukt; ionen, deeltjes en micro-organismen worden tegengehouden, terwijl gezuiverd water als permeaat het membraan passeert.

„Highly Purified Water“ (ASTM Type II): verkregen door dubbele destillatie of continue processen zoals omgekeerde osmose en elektrodeïonisatie. Het heeft een geleidbaarheid van <1 μS/cm, een TOC-waarde < 50 ppb en een kiemgetal van minder dan 10 KBE/mL.

Ultrapuur water (ASTM type I): de hoogste zuiverheidsgraad, met een geleidbaarheid van 0,055 μS/cm (18,2 MΩ·cm) – de fysisch laagst mogelijke waarde, die voortkomt uit het hydrolyse-evenwicht van het water zelf. De TOC-waarden liggen hier onder de 10 ppb, het kiemgetal onder de 5 KBE/mL.

Tabel 1: Overzicht van de verschillende zuiverheidsniveaus van water

De productie van ultrapuur water

Ultrapuur water ontstaat door de combinatie van verschillende processen. Ionenwisselaars verwijderen opgeloste zouten, terwijl omgekeerde osmose ionen, organische verbindingen en micro-organismen vermindert. Bij elektrodeïonisatie (EDI) worden ionenwisselaarharsen gecombineerd met een elektrisch gelijkstroomveld: het veld trekt de in het water achtergebleven ionen door de hars naar membranen, die ze op geordende wijze afvoeren. Tegelijkertijd regenereert het elektrische veld de uitwisselaarhars voortdurend zelf; in tegenstelling tot bij de klassieke ionenwisselaar is er dus geen chemische regeneratiestap met zuur of loog nodig. Ultrafiltratie verwijdert bovendien grotere moleculen en celbestanddelen, terwijl UV-bestraling micro-organismen inactiveert en het TOC-gehalte verlaagt. Welke combinatie zinvol is, hangt sterk af van de kwaliteit van het beschikbare toevoerwater: als er bijvoorbeeld al onthard water in plaats van drinkwater wordt gebruikt, kan een zuiveringsstap worden overgeslagen.

Ook onderdelen van een zuiveringssysteem die in contact komen met water beïnvloeden het resultaat. Kunststoffen zoals PTFE (polytetrafluorethyleen) en PEEK (polyetheretherketon) hebben hier hun plaats veroverd, omdat ze chemisch uiterst bestendig, nauwelijks bevochtigbaar en mechanisch stabiel zijn. Onderzoek toont aan dat door het gerichte gebruik van dergelijke materialen de TOC-waarden aanzienlijk kunnen worden verlaagd – een detail dat van belang kan zijn voor zeer gevoelige analyses.

Wanneer water de analyse belemmert

De gevolgen van een onvoldoende waterkwaliteit komen vaak pas tot uiting in de meetresultaten in de vorm van moeilijk te verklaren artefacten. Bij chromatografie (HPLC, GC, IC) kunnen organische sporen zich aan de stationaire fase hechten en zogenaamde spookpieken of een onstabiele basislijn veroorzaken. Sommige organische stoffen bevorderen de bacteriegroei op het scheidingsmedium en verkorten zo de levensduur ervan, terwijl geladen organische moleculen als complexvormers de ionenchromatografie kunnen verstoren.

Juist bij sporenanalyse, bijvoorbeeld in de geneeskunde, biochemie, farmacologie, milieuanalyse of forensische wetenschap, liggen meetwaarden vaak in het nanogramgebied en daaronder. Hier volstaat zelfs een geringe verontreiniging van het oplosmiddel water al om de reproduceerbaarheid van een hele reeks metingen in gevaar te brengen. Een bijzonder hardnekkig probleem hierbij zijn per- en polyfluoralkylstoffen (PFAS): Deze chemisch uiterst stabiele „eeuwige chemicaliën“ zitten vaak al in kunststof onderdelen van laboratoriumapparatuur en zuiveringsinstallaties zelf en kunnen zo onopgemerkt in zogenaamd zuiver water terechtkomen – met ernstige gevolgen voor PFAS-analyses via LC-MS. Speciale polijstpatronen op het gebruikspunt, die specifiek zijn ontworpen voor het tegenhouden van PFAS, bieden hier uitkomst en zorgen voor betrouwbare resultaten.

Vier vragen over het ideale systeem voor ultrapuur water

Wie wil investeren in een waterbehandelings- of ultrapuurwatersysteem, moet vooraf vooral vier vragen beantwoorden. Leveranciers zoals Membrapure vatten deze samen in de zogenaamde FACT-formule: Feed Water Quality, Application, Consumption en TOC-Monitoring.

1. Wat is de kwaliteit van het toevoerwater? Een wateranalyse geeft duidelijkheid over de kwaliteit van het toevoerwater en laat zien welke zuiveringsstappen daadwerkelijk nodig zijn.
2. Waarvoor wordt ultrapuur water gebruikt? De toepassing, dat wil zeggen het concrete gebruik, is bepalend voor de vereiste kwaliteit. Of het water nu nodig is voor chromatografie, celkweek of als voedingswater voor een autoclaaf, bepaalt welk zuiverheidsniveau en welke zuiveringstechnologieën vereist zijn.
3. Hoe groot is het dagelijkse verbruik van ultrapuur water? Het verbruik, inclusief eventuele pieken, is bepalend voor de dimensionering van de installatie. Sommige sectoren hebben een behoefte aan ultrapuur water van slechts enkele liters per uur, terwijl andere sectoren meerdere duizend liter per dag verbruiken.
4. Is continue monitoring nodig? In bepaalde gevallen kan permanente TOC-monitoring belangrijk zijn, bijvoorbeeld omdat er bijzonder gevoelige analyses worden uitgevoerd. Voor veel toepassingen volstaat een incidentele controle.

Deze factoren bepalen niet alleen de exploitatiekosten, maar ook in hoeverre een installatie jarenlang betrouwbare en reproduceerbare resultaten oplevert. Leveranciers zoals Membrapure combineren een hoge waterkwaliteit met lage kosten. Dergelijke installaties kunnen worden aangepast aan individuele behoeften – zowel wat betreft waterkwaliteit en productiesnelheid als wat betreft benodigde ruimte en installatie, of dit nu aan de muur is of op een laboratoriumtafel.

Conclusie

De waterkwaliteit is een van de basisvoorwaarden voor betrouwbare laboratoriumresultaten. Deze heeft een directe invloed op de proceszekerheid en de meetresultaten. Welke zuiverheidsgraad nodig is, hangt af van de betreffende toepassing. Het spectrum reikt van eenvoudige kalkaanslagpreventie bij reinigingsprocessen, zoals het spoelen van laboratoriumglas, tot omgekeerde osmose en UV-bestraling. Wie op zoek is naar een geschikt waterbehandelingssysteem, moet daarom niet alleen letten op de waterkwaliteit, maar ook rekening houden met het verbruik, de gebruiksintensiteit en het bronwater.