La qualità dell'acqua come fattore di successo per l'analisi Dall’acqua all’acqua ultrapura – con quattro domande chiave

L'acqua è altamente reattiva, assorbe facilmente sostanze estranee e perde rapidamente la sua qualità. In laboratorio, tuttavia, anche le impurità più piccole possono interferire e falsare i risultati delle misurazioni. Pertanto, a seconda dell'applicazione, è necessario un grado di purezza dell'acqua conforme alle norme. La formula FACT aiuta a individuare l'impianto di trattamento più adatto.

L'acqua è una delle materie prime più utilizzate in assoluto, sia come solvente, detergente o materia prima per processi di trasformazione. L'acqua naturale, tuttavia, non è di per sé “pura”: oltre a sali disciolti, composti organici derivanti da processi di biodegradazione, particelle colloidali e microrganismi, contiene anche componenti inorganici, ioni che determinano la durezza come il calcio e il magnesio, nonché cationi e anioni quali sodio, cloruro, solfato, nitrato o silicato.

Laddove è richiesta la massima purezza, si ricorre quindi all’acqua pura e all’acqua ultrapura, ovvero acqua dalla quale sono state rimosse quasi tutte le impurità potenzialmente dannose. Il livello specifico dei requisiti dipende dalla rispettiva applicazione.

Nei processi di pulizia, spesso è sufficiente rimuovere le sostanze che causano la durezza per evitare i depositi di calcare. Per i processi analitici, invece, praticamente tutti i componenti interferenti, sia organici che inorganici, devono essere ridotti al minimo. Per la produzione di microchip, ad esempio, l’acqua deve essere priva di composti inorganici come i sali di sodio, potassio, calcio e magnesio, nonché di idrocarburi. Anche quantità minime di questi ioni alterano le proprietà elettriche delle strutture semiconduttrici e possono causare malfunzionamenti dei chip. Gli idrocarburi, a loro volta, lasciano residui organici sulla superficie del wafer che interferiscono con le fasi di produzione successive, come la fotolitografia.

L'acqua destinata ad applicazioni mediche o farmaceutiche non deve, soprattutto, contenere microrganismi né i loro prodotti di degradazione e metabolici, i cosiddetti pirogeni. I pirogeni sono sostanze che provocano febbre, in primo luogo le endotossine, provenienti dalla parete cellulare di batteri gram-negativi morti. Se entrano nel circolo sanguigno, ad esempio attraverso soluzioni per infusione o acqua per dialisi, possono provocare gravi reazioni febbrili che possono arrivare fino allo shock settico. Poiché i pirogeni resistono persino alla sterilizzazione, non è sufficiente rimuovere solo i microrganismi stessi: l’acqua deve essere trattata in modo da essere priva di pirogeni fin dall’inizio. Nella biologia cellulare o molecolare, inoltre, l’acqua deve essere priva di nucleasi come le RNasi e le DNasi, per non danneggiare i campioni genetici.

Acqua pura e ultrapura in laboratorio

In laboratorio, l’acqua pura e l’acqua ultrapura vengono utilizzate come solventi, come base per tamponi e terreni di coltura, come detergenti per la pulizia degli strumenti in vetro e come acqua di alimentazione per autoclavi e sterilizzatori a vapore. La sfida consiste nel fatto che l’acqua è chimicamente estremamente reattiva e assorbe facilmente sostanze estranee dall’ambiente circostante, ad esempio dall’aria o dai serbatoi di stoccaggio.

Per la quotidianità del laboratorio ciò significa che chi non conosce la qualità della propria acqua non conosce né i limiti dei propri risultati di misura né l’affidabilità dei propri processi. Solo una qualità costante consente di ottenere risultati riproducibili: la produzione di acqua ultrapura rientra quindi tra le attività standard del laboratorio.

Panoramica dei livelli di qualità

La purezza effettiva dell’acqua può essere determinata soprattutto tramite la conduttività o la resistività. Nella valutazione vengono presi in considerazione anche altri parametri, come il contenuto di componenti inorganici e organici, la carica particellare o il numero di microrganismi presenti. Un parametro fondamentale è il valore TOC (Total Organic Carbon), che fornisce informazioni sulla quantità di carbonio legato organicamente presente in un campione. Le norme riconosciute a livello internazionale, quali ASTM, ISO e CLSI, nonché, nell’area di lingua tedesca, la DIN ISO 3696 e la VDI 2083, definiscono parametri precisi per l’acqua trattata. In linea di massima si possono distinguere i seguenti livelli di purezza:

Acqua demineralizzata o completamente desalinizzata (acqua VE): ottenuta tramite scambiatori ionici, con una conduttività inferiore a 20 μS/cm, valori di TOC inferiori a 200 ppb e carica batterica inferiore a 1.000 UFC/mL. Gli scambiatori ionici, i cosiddetti letti misti, rimuovono in larga misura i sali dall’acqua potabile.

Acqua pura (tipo III secondo ASTM): generalmente prodotta tramite osmosi inversa, con conducibilità inferiori a 10 μS/cm, valori di TOC inferiori a 200 ppb e carica batterica inferiore a 100 UFC/mL. Nel processo di osmosi inversa, l’acqua viene spinta contro una membrana semipermeabile a una pressione elevata compresa tra 6 e 14 bar; ioni, particelle e microrganismi vengono trattenuti, mentre l’acqua purificata passa attraverso la membrana sotto forma di permeato.

“Acqua altamente purificata” (ASTM Tipo II): ottenuta mediante bidistillazione o processi continui quali l’osmosi inversa e l’elettrodeionizzazione. Presenta una conduttività <1 μS/cm, un valore di TOC < 50 ppb e una carica batterica inferiore a 10 UFC/mL.

Acqua ultrapura (ASTM Tipo I): il massimo grado di purezza, con una conduttività di 0,055 μS/cm (18,2 MΩ·cm) – il valore fisicamente più basso possibile, determinato dall’equilibrio di idrolisi dell’acqua stessa. I valori di TOC sono inferiori a 10 ppb, mentre la carica batterica è inferiore a 5 UFC/mL.

Tabella 1: Panoramica dei singoli livelli di purezza dell'acqua

La produzione di acqua ultrapura

L'acqua ultrapura si ottiene combinando diversi processi. Gli scambiatori ionici rimuovono i sali disciolti, mentre l'osmosi inversa riduce la presenza di ioni, composti organici e microrganismi. L'elettrodeionizzazione (EDI) combina resine a scambio ionico con un campo elettrico a corrente continua: il campo attira gli ioni rimasti nell’acqua attraverso la resina verso delle membrane, che li convogliano in modo ordinato. Allo stesso tempo, il campo elettrico rigenera continuamente la resina a scambio ionico; a differenza dello scambio ionico classico, non è quindi necessaria alcuna fase di rigenerazione chimica con acidi o alcali. L’ultrafiltrazione rimuove inoltre molecole di grandi dimensioni e componenti cellulari, mentre l’irradiazione UV inattiva i microrganismi e riduce il contenuto di TOC. La scelta della combinazione più adeguata dipende in larga misura dalla qualità dell’acqua in entrata disponibile: se, ad esempio, si utilizza acqua già addolcita anziché acqua potabile, è possibile omettere una fase del trattamento.

Anche i componenti di un sistema di trattamento che vengono a contatto con l’acqua influenzano il risultato. Materiali plastici come il PTFE (politetrafluoroetilene) e il PEEK (polietere-etere-chetone) si sono affermati in questo ambito perché sono estremamente resistenti dal punto di vista chimico, difficilmente bagnabili e meccanicamente stabili. Le ricerche dimostrano che l’impiego mirato di tali materiali consente di ridurre significativamente i valori di TOC – un dettaglio che può risultare rilevante per analisi altamente sensibili.

Quando l'acqua ostacola le analisi

Gli effetti di una qualità dell’acqua insufficiente si manifestano spesso solo nei risultati delle misurazioni sotto forma di artefatti difficili da spiegare. Nella cromatografia (HPLC, GC, IC), tracce di sostanze organiche possono depositarsi sulla fase stazionaria e causare i cosiddetti picchi fantasma o una linea di base instabile. Alcune sostanze organiche favoriscono la proliferazione batterica sul mezzo di separazione, riducendone così la durata, mentre le molecole organiche cariche, in quanto agenti complessanti, possono alterare i risultati della cromatografia ionica.

Proprio nell’analisi delle tracce, ad esempio in medicina, biochimica, farmacologia, analisi ambientale o scienze forensi, i valori misurati si aggirano spesso nell’ordine dei nanogrammi e anche al di sotto. In questi casi, basta una minima contaminazione dell’acqua come solvente per compromettere la riproducibilità di un’intera serie di misurazioni. Un problema particolarmente ostinato è rappresentato dalle sostanze alchiliche per- e polifluorurate (PFAS): queste «sostanze chimiche eterne», estremamente stabili dal punto di vista chimico, sono spesso già presenti nei componenti in plastica delle apparecchiature di laboratorio e degli impianti di trattamento stessi e possono quindi finire inosservate nell’acqua apparentemente pura, con gravi conseguenze per le analisi dei PFAS mediante LC-MS. Le speciali cartucce di politura installate nel punto di utilizzo, progettate specificamente per trattenere i PFAS, risolvono questo problema e garantiscono risultati affidabili.

Quattro domande sul sistema ideale per l'acqua ultrapura

Chi intende investire in un impianto di trattamento dell’acqua o in un sistema di acqua ultrapura dovrebbe chiarire in anticipo soprattutto quattro aspetti. Fornitori come Membrapure li riassumono nella cosiddetta formula FACT: Feed Water Quality, Application, Consumption e TOC-Monitoring.

1. Qual è la qualità dell'acqua in entrata? Un'analisi dell'acqua fa chiarezza sulla qualità dell'acqua di alimentazione (Feed Water Quality) e indica quali fasi di trattamento sono effettivamente necessarie.
2. A cosa serve l'acqua ultrapura? L'applicazione, ovvero l'uso concreto, è determinante per la qualità richiesta. A seconda che l’acqua sia destinata alla cromatografia, alla coltura cellulare o come acqua di alimentazione per un’autoclave, si determinano il livello di purezza e le tecnologie di trattamento necessarie.
3. Qual è il consumo giornaliero di acqua ultrapura? Il consumo, compresi eventuali picchi, determina le dimensioni dell'impianto. Alcuni settori hanno un fabbisogno di acqua ultrapura di pochi litri all'ora, altri ne consumano diverse migliaia al giorno.
4. È necessario un monitoraggio continuo? In determinati casi, un monitoraggio costante del TOC può essere importante, ad esempio perché vengono eseguite analisi particolarmente sensibili. Per molte applicazioni è sufficiente anche un controllo puntuale.

Questi fattori non solo determinano i costi di esercizio, ma anche l’affidabilità con cui un impianto è in grado di fornire risultati riproducibili nel corso degli anni. Fornitori come Membrapure coniugano un’elevata qualità dell’acqua con costi contenuti. Impianti di questo tipo possono essere adattati alle esigenze individuali, sia in termini di qualità dell’acqua e portata produttiva, sia per quanto riguarda l’ingombro e l’installazione, sia a parete che su banco da laboratorio.

Conclusione

La qualità dell’acqua è uno dei presupposti fondamentali per ottenere risultati di laboratorio affidabili. Essa influisce direttamente sull’affidabilità dei processi e sui risultati delle misurazioni. Il livello di purezza necessario dipende dalla specifica applicazione. La gamma spazia dalla semplice prevenzione della formazione di calcare nei processi di pulizia, come il risciacquo della vetreria da laboratorio, fino all’osmosi inversa e all’irradiazione UV. Chi è alla ricerca di un sistema di trattamento adeguato dovrebbe quindi non solo prestare attenzione alla qualità dell’acqua, ma anche tenere conto del consumo, dell’intensità di utilizzo e delle caratteristiche dell’acqua in entrata.