Woda w laboratorium to główny obszar, którym zajmuje się firma Hydrolab już od lat dziewięćdziesiątych. Firma szuka kompleksowych rozwiązań dla różnych aplikacji wymagających odpowiedniej jakości wody. W tych pracach należy uwzględnić wiele polskich i międzynarodowych norm, wytyczne wybranej branży, rosnące wymagania producentów aparatury pomiarowej oraz koszty inwestycji i eksploatacji, jak i indywidualnych życzeń klientów.
W zależności od branży woda powinna spełniać parametry takich norm: ISO 3696:1999, ASTM, FP oraz CLSI. Woda w laboratorium analitycznym w Polsce musi zazwyczaj spełniać następujące normy dotyczące jakości wody: PN EN ISO 3696:1999 oraz Farmakopea dla laboratoriów farmaceutycznych i często kosmetycznych. Obowiązująca norma PN EN ISO 3696:1999 opisuje trzy stopnie czystości wody laboratoryjnej.
Woda w laboratorium do podstawowego zastosowania. Używana w większości prac laboratoryjnych, takich: mycie i płukanie szkła czy zasilanie zmywarek, autoklawów i łaźni wodnych oraz do przygotowywania roztworów odczynników. Wodę o tym stopniu czystości otrzymuje się poprzez pojedynczą destylację, dejonizację lub odwróconą osmozę.
Woda analityczna o bardzo niskiej zawartości zanieczyszczeń nieorganicznych, organicznych i koloidalnych. Odpowiednia do zastosowań analitycznych o dużej czułości, np.: do absorpcyjnej spektrometrii atomowej (AAS) i do oznaczania składników występujących w śladowych ilościach. Wodę tej jakości można otrzymać np.: metodą wielokrotnej destylacji albo destylacji poprzedzonej dejonizacją lub odwróconą osmozą.
Woda ultraczysta właściwie nie posiada zanieczyszczeń rozpuszczonych lub koloidalnych jonowych i organicznych. Spełnia najostrzejsze wymagania analityczne, w tym wymagania analiz HPLC, GC, hodowli komórek ssaczych i biologii molekularnej. Tę wodę można otrzymać z wody o klasie czystości 2. poddając ją dalszym zabiegom, np.: odwróconej osmozie lub dejonizacji, a następnie przesączeniu przez filtr membranowy o wielkości porów 0,2 μm w celu usunięcia cząstek substancji lub dwukrotnej destylacji w aparaturze kwarcowej.
Tabela 1: woda wg normy PN EN ISO 3696:1999
W branży farmaceutycznej i kosmetycznej woda jest również najczęściej stosowaną substancją. Służy jako gotowy produkt, jako składnik w wielu preparatach farmaceutycznych i kosmetycznych, ale też jako środek myjący. Jest strategiczną substancją, która podlega licznym regulacjom prawnym, głównie wymaganiom Farmakopei.
Tabela 2: wymagania wg FP
Podstawowymi metodami otrzymywania wód laboratoryjnych spełniającymi powyższe standardy są destylacja, wymiana jonowa, techniki membranowe (głównie odwrócona osmoza) oraz elektrodejonizacja. Źródłem wody laboratoryjnej jest woda wodociągowa, jej jakość i poziom zanieczyszczeń ma istotny wpływ skuteczną pracę wymienionych technik. Do głównych zanieczyszczeń wody wodociągowej należą jony nieorganiczne, substancje organiczne, cząstki/koloidy, bakterie i gazy.
Hydrolab projektuje i produkuje demineralizatory laboratoryjne do oczyszczania wody wodociągowej zgodnie z wytycznymi polskich i europejskich norm. Wykorzystuje nowoczesne technologie, wspomnianą wymianę jonową, odwróconą osmozę i elektrodejonizację oraz filtrację mechaniczną, adsorpcję, odżelazianie, zmiękczanie, mikrofiltrację, ultrafiltrację czy promieniowanie UV 185/254 nm. Wspólnym elementem większości demineralizatorów firmy Hydrolab są filtracja mechaniczno-węglowo-zmiękczająca realizowana w oparciu o moduł A2.
Jest to proces, który przygotowuje wodę wodociągową do procesu odwróconej osmozy. Filtracja mechaniczna ma na celu usunięcie z wody wszelkich zawiesin i ciał stałych do 1 μm. Kolejnym etapem w module A2 jest proces zmiękczania wody. Polega on na usuwaniu jonów, które odpowiadają za twardość wody poprzez przepuszczenie wody przez kationit sodowy. Gdy woda przepływa przez żywicę jonowymienną jony wapnia (Ca2+) i magnezu (Mg2) wymieniane są na jony sodu (Na+). Ostatni etap to filtracja na złożu węgla aktywnego. Jego głównym zadaniem jest usunięcie chloru, jego pochodnych, związków organicznych oraz substancji, które odpowiadają za zły smak, barwę i zapach wody. Duża powierzchnia oraz wysoka porowatość węgli aktywnych (1 gram ma powierzchnię ok. 800 m), jak również materiał na nim zatrzymany, tworzą z niego sprzyjające miejsce dla rozwoju mikroorganizmów. Dlatego czas pracy modułu A2 to maksymalnie 6 miesięcy.
Po wstępnej filtracji w module A2 następuje ważny etap oczyszczania wody – proces odwróconej osmozy. Membrana zatrzymuje 96-99% rozpuszczonych w wodzie zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych. Przewodność właściwa wody osmotycznej wynosi od kilku do kilkunastu mikrosimensów na centymetr (μS/cm). Stopień retencji procesu odwróconej osmozy jest zmienny (96-99%), zależny od zasolenia, temperatury, ciśnienia i prędkości przepływu wody zasilającej membranę. Półprzepuszczalna membrana osmotyczna składa się z wielu warstw nawiniętych na perforowany trzpień umieszczony wewnątrz membrany. Zanieczyszczoną wodę wtłacza się jest pod ciśnieniem na powierzchnię membrany, gdzie cząstki wody na zasadzie dyfuzji przenikają przez membranę. Zanieczyszczenia zostają wydzielone i odrzucone do odpływu (kanalizacji). Oczyszczona woda przedostaje się przez otwory do centralnego trzpienia i pod wpływem ciśnienia wypływa z membrany. Proces odwróconej osmozy determinuje wydajność całego urządzenia, a jakość wyprodukowanej wody bezpośrednio wpływa na czas pracy późniejszych etapów oczyszczania. Na proces ten istotny wpływ ma przyłożone ciśnienie i temperatura.
Woda wyprodukowana na tym etapie jest wodą wyjściową dla urządzeń serii Technical, które przy optymalnych warunkach pracy wytwarzają wodę III stopnia czystości wg PN EN ISO 3696:1999. Dodając kolejny etap oczyszczania wody, jakim jest wymiana jonowa, otrzymuje się wodę drugiego stopnia czystości wg PN EN ISO 3696:1999. Moduły dejonizacyjne zawierają złoża mieszanych żywic jonowymiennych w formie jonowej H+/OHˉ. Wodę osmotyczną oczyszcza się na kolumnach dejonizacyjnych, gdzie wychwytywane są pozostałe w wodzie sole mineralne. Jony i cząsteczki obecne w wodzie mają określony ładunek. Wymieniacze jonowe (jonity) wiążą je w procesie wymiany jonowej. Po tym procesie jej przewodność właściwa schodzi poniżej 0,1 μS/cm. Żywice jonowymienne w czasie pracy gwarantują stałą jakość wody do momentu wyczerpania pojemności roboczej modułu.
Woda wyprodukowana na tym etapie jest wodą wyjściową dla urządzeń serii Technical Plus, HLP oraz Spring. Wytwarzają one wodę II stopnia czystości wg PN EN ISO 3696:1999. Aby otrzymać wodę I stopnia czystości wg PN EN ISO 3696:1999 musimy rozbudować powyższy układ o kolejne etapy oczyszczania. Podstawowym elementem jest proces mikrofiltracji oraz ultrafiltracja i promieniowanie UV.
Kapsuła mikrofiltracyjna składa się z dwuwarstwowej membrany z octanu celulozy lub polieterosulfonu o rozmiarach porów membrany: 0.2 μm i 0.45 μm. Pojemność robocza to ważny parametr membrany. Oznacza ona ilość porów w membranie równa ilości zatrzymywanych bakterii na określonej powierzchni membrany. Wynosi ona 1 x 107 CFU/cm2 dla Brevundimonas diminuta.
Ultrafiltracja natomiast to niskociśnieniowy proces separacji, który wykorzystuje porowate membrany asymetryczne o średnicy porów od 0,001 do 0,1 μm. Pozwala na przepływ przez membranę wody, soli i cukrów, a oddziela białka i większe cząstki. Membrana doskonale redukuje poziom endotoksyn.
Promieniowanie lamp UV wykorzystuje się do dezynfekcji wody. Urządzenia te emitują promieniowanie o długości fali 254nm, które powoduje reakcję fotochemiczną uszkadzającą struktury DNA mikroorganizmów. Promieniowanie o długości fali 185nm, poprzez proces fotooksydacji, powoduje obniżenie poziomu parametru TOC.
Woda wyprodukowana na tym etapie jest wodą wyjściową dla urządzeń serii HLP, Spring, R i Ultra. Wytwarzają one wodę I stopnia czystości wg PN EN ISO 3696:1999. Poniższy schemat prezentuje jak oczyszczana jest woda w laboratorium. Zobrazowano zależność użytej technologii od stopnia czystości wody oraz modele demineralizatorów spełniające tę zależność.
Woda w laboratorium oczyszczana jest w kilku etapach, które są w pełni zautomatyzowane i bezobsługowe. W trakcie produkcji, magazynowania i dystrybucji wody oczyszczonej niezwykle ważnym jest proces ciągłego monitorowania jej parametrów. Odzwierciedlają one stopień czystości wody. Zagadnienie to jest szczególnie istotne w wielu gałęziach przemysłu, jak na przykład przemysł farmaceutyczny, który obwarowany jest wspomnianymi już normami (Farmakopea), a także w laboratoriach analitycznych (norma PN-EN ISO 3696). Ponadto, oprócz wymagań stawianych przez odpowiednie normy i przepisy, istotne są wymogi użytkowników systemów oczyszczania wody, które niejednokrotnie są bardziej restrykcyjne.
Przeczytaj też artykuł Niezwykłe właściwości wody.