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。

1

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。

2

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:

3

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。

4

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。

5

 

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。

6

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。

7

 

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。

8

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。

9

於儲槽蓋上裝置一 254 nm 波長的 UV 燈,可以有效地預防細菌及 biofilm 的生長。這樣的架設, 不但紫外光可以接觸水面以下的空間,亦可接觸水面以上的內壁及桶蓋,以達到高效殺菌的目 的。通常 UV 燈的開啟時間可以設定,讓儲槽內不論白天和晚上,在重要的時間點皆可照射 UV 光。

當然,雖此法大大降低細菌及 biofilm 生長的風險,但仍不是 100%。儲槽的設計仍應考慮當意 外的細菌污染發生時如何應變。各種消毒法的步驟均應適時改良及測試,另儲槽的頂端開口要夠 大,使人員可在需要時清洗整個內部的桶壁。

預防空氣中的污染物質

每當純水從儲槽內被取用,會有相同體積的空氣進入桶內,進而帶進污染物質而破壞純水的品質:

  • 一般實驗室空氣一定含有細菌,若這些細菌進到儲槽內,就會開始於水中生長。

10

 

  • 任何實驗室空氣中皆含有二氧化碳,當其進入水中,會很快溶解並使比阻抗值降低。
  • 實驗室空氣中亦常含有揮發性有機物質,例如丙酮、甲苯等,這些污染物質會使純水 TOC 值增 高。

為避免污染物質進到純水中,進入儲槽的空氣必須先經過一些純化的介質,才能有效去除上述不同 的污染物質:

  • 活性碳可去除揮發性有機物質
  • 鹼石灰 (Soda lime) 可吸附二氧化碳
  • 濾膜可防止顆粒及細菌通過

11

當然,以上裝置需經過測試驗證,再選擇能達到預期目標的最佳介質。

12

發展水系統與純水儲槽間適當的聯繫

純水儲槽的進水來自水系統,因此兩者間需有很好的運作搭配。一般來說,儲槽水位需被偵測並 可於水系統上顯示:

– 最高水位:當儲槽已滿時水系統會停止製水,以免造成實驗室淹水

– 實際水位:可讓使用者隨時知道剩餘的純水體積

– 重注水位:系統會自動啟動純水製造。此水位的設定不但考量到純水的需求,亦考量到水系統的 最佳運作條件,因有些水系統技術需要一些時間以達到最佳的效率。

– 最低水位:可提醒使用者水量將盡,以避免空氣進入到儲槽內。

13

 

有幾個方式可滿足以上的需求,下圖顯示三種偵測水位的方法,從左到右的設計品質為越來越 高:

圖 A:內壁上裝置數個浮動開關。此為最簡易的裝置,但有一些缺點,比方說此方法需要在內壁 上鑿洞,且浮動開關提供了細菌一個會繁衍的表面,另外,只有幾個水面的資訊可顯示於水系 統上。

圖 B:儲槽內裝置一防水塑膠管,上面包含一微開關,開關上有一磁鐵浮球,會沿著塑膠管上下 移動,而在特定時間點,開關會被磁鐵啟動。此法的好處是儲槽被污染的機會低,並可以提供較 多關於水位的資訊,甚至儲槽水位只有 2 公分時都可以被偵測到。

圖 C:利用非侵入性的方式,如超音波或光學偵測器來偵測儲槽內的水位。此法可提供使用者所 有的資訊,且純水沒有被污染的風險。

14

然而使用者都應知道,不論選擇何種偵測水位的方式,都有可能發生問題而造成實驗室淹水的情況, 或純水儲槽失去與水系統的聯繫。因此,預備好因應措施是必要的。

當純水儲槽未警示系統水位已達最高點,而使系統產製過多的純水,儲槽上裝置的溢流管此時即可 確認過多的純水不會導致實驗室的淹水。

15

然而,若儲槽有裝置溢流管,需更加謹慎,因下方排放水處為細菌污染機率很高的地方。因此, 溢流管的出口應該比排放水高,且管上應裝置一閥門,以防止當取用純水時,空氣由排放口進入 到儲槽內的水中。此閥門應只在溢流管充滿水的時候開啟,且在管內有純水造成的壓力環境之下。

另一需要留意的是,當儲槽製造過多的純水並超過最高水量,而溢流管的閥門開啟時,水會從溢 流管流出並從排放口排掉。此過程有時可能在不經意的情況持續一至兩天,為了防止溢流管壁上 有細菌生長,在閥門的下端應加裝一 air gap 來阻止細菌的污染。

產製高品質的純水

純水根據不同實驗的特定需求,應在適當的條件下被取用。例如,當純水是要提供洗瓶機做器皿 的最後清洗步驟,純水儲槽下端的出水口大小應該要適宜,方能取用最低壓力且最適當流速的純 水。其他取水裝置亦需提前設置,以因應其他實驗室儀器的用水需求。

1. 資料來源: http://www.millipore.com/lab_water

電子報下載