第十七期 「如何達到實驗室純水儲存的最佳化 ?」

純水為何需要儲存?

純水今日可藉由數種技術的結合純化而產生，然而，當實驗室純水需求量增加的同時，這些技術所需的花費及所佔的空間亦會增加。為要讓水純化技術得到最佳的果效，實驗室一日所需的用水量，及實驗用水取水所需流速的評估，皆變得很重要。

純水儲存其中一個好處，是當晚上儲存起來後，可供隔日白天實驗所需。當然，實驗室應用種類，及實驗室的環境皆會影響純水儲存的效果。

純水儲存可能存在的風險

純水的儲存無可避免會有一些污染的來源：

儲存的容器可能因為材質不同而釋放出不同種類的污染物質：

如玻璃器皿會釋放矽跟鈉離子；聚合物的容器會釋放小分子污染物質如塑化劑；金屬材質的容器則會釋放顆粒或金屬離子。
有些純化技術可能導致產製的純水中含有微生物 (如細菌或藻類)，這些微生物會污染純水儲槽。
實驗室空氣中亦含有不同種類的污染物質，如二氧化碳；若實驗需使用揮發性溶劑，會產生揮發性有機物質；若實驗需用強酸，則可能產生揮發性酸氣體；當然，空氣中亦含有不同種類的微生物。
最後，不同儲槽的設計，在取水點處亦可能有其他污染物質產生。

隨著時間越久，純水很可能會再次被污染，研究人員認知此事實很重要，方能設計實驗室中最適當的儲水方式。包括實驗對何種污染物質最敏感，及純水對污染物質最大的容忍度等等。雖然不可能完全杜絕純水的污染，但我們仍需儘可採取最多的因應措施，以降低或延遲純水的污染。

選擇正確的純水儲槽材質

純水儲槽的材質應慎選以防止會影響實驗的物質釋放至水中。然而考量上也許有些困難，因為有許多因素會影響儲槽內壁物質的釋放。

玻璃材質的儲槽會釋放出鈉等離子，或矽等類的膠體。
錫或鋼等製成的儲槽會釋放出重金屬離子。
有些聚合物材質的儲槽會釋放出 PVC 等塑膠類物質。

通常 PP 或 PVDF 製成的儲槽可適用於大部分的實驗應用。

另外，選擇適當的材質與成型過程亦相當重要，若純水儲槽的內壁越平整，顆粒或微生物吸附在內壁上的機率就越小。

聚合物儲水桶的製造通常藉由兩種技術來完成：

旋轉成型 (Rotary molding) – 融化的聚合物利用離心力推壓至模具的內壁而成型。
吹出成型 (Blow molding) – 融化的聚合物利用大氣壓力推壓至模具的內壁而成型。此技術的好處是成品的內壁會非常平整，因其表面是在大氣壓力之下空氣分子得推壓來塑型的。

吹出成型可用下圖簡單示意：

下方兩照片分別顯示以旋轉成型 (左) 與吹出成型 (右) 所製成的儲槽內壁表面，由照片我們可清楚看到，吹出成型所製造的內壁相對來說平整很多，因此此法可降低細菌吸附在其表面的風險。

避免藻類的生長

避免使用透明或半透明的儲槽亦很重要，以阻止光的透進而使藻類在其內生長。儲槽應使用不透光的材質。

避免使用水平的儲槽底面

即使純水儲槽的材質已正確選擇，污染物質的堆積仍應避免。為此，實驗室應該避免使用水平的儲槽底部 (如下圖所示)，以防止污染物於底部堆積。

上方這些圖顯示，儲槽的取水口比底部高出幾公分，會導致儲槽底端有一個容易沉積污染物質 (如顆粒或微生物) 的空間，而助長生物膜 (biofilm) 於儲槽內壁生長。

為避免污染物質的堆積，並biofilm的生長，儲槽應被設計成可完全將水排盡，因此，在儲槽最底端設計一個出水口，使儲槽可以將水完全排乾，可杜絕污染物質的堆積。

對於細菌/微生物很敏感的實驗應用，可定期將儲槽的水排乾再重新儲水。當然，可同時在比底層稍高處的桶壁上設置取水裝置，方便使用者隨時取水，及在最底端設置排水閥，既方便儲水又可防止污染。

防止 biofilm 生長

什麼是 biofilm (生物膜)? Biofilm 是累積在容器表面的顆粒及有機物質 (大多為活或死的細菌) 複合物，而形成的黏滑狀薄膜。事實上，有些細菌可形成細胞外的多醣鏈，並結合在一表面上，隨著時間過去，菌落之間會互相聯繫而形成一整片的 biofilm。

一個不平整的表面很可能會促近 biofilm 的生長，因其提供有機物、顆粒或細菌可結合的空間。若某容器表面有較不常清理的死角，biofilm 亦會在其中生長繁衍。

一旦 biofilm 在容器中產生，該容器就不再適合儲存純水了。即使製造了高品質的純水進此儲槽內，仍會因有機物質及細菌快速溶入水中而造成污染。

如何降低 biofilm?

用次氯酸鈉 (Sodium Hypochlorite, NaOCl) 等化學溶液來進行儲槽的消毒，對於去除 biofilm 仍是困難的，因 biofilm 是一層很緊密的結構，化學物質在其中擴散緩慢，因此細菌不易被分解。通常，欲處理一個 biofilm 已生長一陣子的容器，只能有短暫的效果，且幾週後因埋藏在 biofilm 內層仍有活性的細菌又再複製，原來的污染狀況又會再度回復。

biofilm 有時可用機械方法去除，例如徹底且劇烈的擦洗儲槽表面。機械式與化學消毒雙管齊下，亦可以取去除 biofilm，然而是一個冗長耗時、且效果不能確定的方式。

就某個程度來說，水的品質本身也是避免細菌生長的因素之一：若水中可溶性離子含量很低 (25 °C 下比阻抗值 > 5 MegOhm.cm)，有機物質含量亦很低 (TOC < 50 ppb)，對微生物來說即是一個很挑戰的生存環境。這樣的純水環境降低了微生物的養分，且會提高這些微生物內部的滲透壓，使這些微生物被驅使溶進水中，純水溶進微生物中，意味著阻止微生物的聚集繁衍。

這就是為何只有特定種類的細菌會在這樣困難的環境生長，因此純水中 (尤其是 RO 水) 通常只會發現以下種類細菌：Ralstonia pickettii, Burkholderia cepacia, Sphingomonas paucimobilis, Brevundimonas vesicularis, Pseudomonas aeruginosa。另外，Stenotrophomonas maltophilia, Sphingomonas spiritivorum, Chryseomonas indologenes, Methylobacter mesophilium, Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas stutzeri 亦會在實驗純水中被偵測到，但頻率更少。當然，會污染純水的細菌種類通常同時是在實驗室空氣中、實驗室設備或樣品表面、實驗人員身上存在的種類。

純水的品質雖然可抑制微生物的生長，但不是完全地抑止。水的品質可能會隨著儲存時間而下降，例如空氣中會有二氧化碳、揮發性有機物質、無機物質等溶進水中，造成水的污染。因此，要預防 biofilm 的生長，需要有其他的防護措施。

針對避免 biofilm 生長設計適合的純水儲槽

純水儲槽的設計上，應考量如何有效防止 biofilm 的生長。隨著時間的演變，有不同的解決方法被發展出來，這些方法的設計，需要因應不同環境、實驗類別及水質需求而有不同的規劃。舉例來說，製藥業的生產單位會在不銹鋼桶槽中儲水，並以 80 度高溫加熱處理，以降低細菌的生長。這雖是工業界可被接受的製程，但在一般實驗室中卻難以實行，原因有：設備成本及能源花費很高；純水無法立即使用；人員傷害風險高；純水被重金屬污染的風險等等。

因此，純水的儲存需要同時考量幾個因素：除了避免細菌污染外，安全性、立即和方便簡易的取水、水質的保持、設備及運作成本低等等。

在儲槽設計的過程中，桶壁應避免有過小的角度，因這樣的空間較易讓微生物生長繁衍。最理想的儲槽設計，應是平整圓滑的。

將水完全排放亦是一項必要的考量，然而除此之外，還有其他因素需被考量，以防止 biofilm 的發展。下方示意圖顯示，化學消毒法可能不是一個有效排除細菌污染的方法。除了因 biofilm 會保護其內部的細菌外，另一個化學消毒法效果不彰很主要的原因，是因為化學藥劑只會接觸儲槽內水面以下的空間。儲槽蓋的內壁部份，很可能會附著一些凝聚的水滴，而這些水滴因沒有接觸化學藥劑，會被細菌污染。在這樣的情狀下，即使消毒步驟完成，儲水桶再次儲水，被污染的水滴會掉入純水中而再次造成細菌繁衍及污染，幾週後，污染程度甚至回到還未進行化學消毒之前。