La calidad del agua como factor clave para el éxito de los análisis Del agua al agua ultrapura: cuatro preguntas clave

El agua es muy reactiva, absorbe fácilmente sustancias extrañas y pierde rápidamente su calidad. Sin embargo, en el laboratorio, incluso las impurezas más pequeñas pueden interferir y falsear los resultados de las mediciones. Por ello, dependiendo de la aplicación, es necesario contar con un grado de pureza del agua normalizado. La fórmula FACT ayuda a encontrar el sistema de tratamiento adecuado.

El agua es una de las materias primas más utilizadas que existen, ya sea como disolvente, como producto de limpieza o como materia prima para procesos de transformación. Sin embargo, el agua natural no es «pura» per se: además de sales disueltas, compuestos orgánicos procedentes de procesos de degradación biológica, partículas coloidales y microorganismos, también contiene componentes inorgánicos, iones que contribuyen a la dureza, como el calcio y el magnesio, así como cationes y aniones como el sodio, el cloruro, el sulfato, el nitrato o el silicato.

Por eso, cuando se requiere la máxima pureza, se utiliza agua pura y ultrapura, es decir, agua de la que se han eliminado prácticamente todas las impurezas que podrían causar interferencias. El nivel exacto de exigencia depende de la aplicación concreta.

En los procesos de limpieza, a menudo basta con eliminar las sustancias que provocan la dureza para evitar los depósitos de cal. En cambio, para los procedimientos analíticos es necesario reducir al mínimo prácticamente todos los componentes interferentes, tanto orgánicos como inorgánicos. Para la producción de microchips, por ejemplo, el agua debe estar libre de compuestos inorgánicos, como las sales de sodio, potasio, calcio y magnesio, así como de hidrocarburos. Incluso las cantidades más pequeñas de estos iones alteran las propiedades eléctricas de las estructuras semiconductoras y pueden provocar fallos de funcionamiento en los chips. Los hidrocarburos, por su parte, dejan residuos orgánicos en la superficie de la oblea que interfieren en las etapas posteriores de fabricación, como la fotolitografía.

El agua destinada a aplicaciones médicas o farmacéuticas no debe contener, sobre todo, microorganismos ni sus productos de degradación y metabolismo, es decir, los pirógenos. Los pirógenos son sustancias que provocan fiebre, sobre todo las endotoxinas, procedentes de la pared celular de bacterias gramnegativas muertas. Si llegan al torrente sanguíneo, por ejemplo, a través de soluciones de infusión o del agua de diálisis, pueden provocar reacciones febriles graves que pueden llegar incluso a estados de shock séptico. Dado que los pirogénicos resisten incluso la esterilización, no basta con eliminar únicamente los propios microorganismos: el agua debe tratarse desde el principio para que esté libre de pirogénicos. En biología celular o molecular, el agua debe estar además libre de nucleasas, como las RNasas y las DNasas, para no dañar las muestras genéticas.

Agua pura y ultrapura en el laboratorio

En el laboratorio, el agua pura y ultrapura se utiliza como disolvente, como base para tampones y medios de cultivo, como líquido de lavado para el material de vidrio y como agua de alimentación para autoclaves y esterilizadores de vapor. El reto que esto plantea es que el agua es químicamente muy reactiva y absorbe fácilmente sustancias extrañas de su entorno, por ejemplo, del aire o de los depósitos de almacenamiento.

En el día a día del laboratorio, esto significa que quien no conoce la calidad de su agua, no conoce ni los límites de sus resultados de medición ni la fiabilidad de sus procesos. Solo una calidad constante permite obtener resultados reproducibles: por ello, la producción de agua ultrapura es una de las tareas habituales del laboratorio.

Resumen de los niveles de calidad

El grado de pureza real del agua se determina principalmente a través de la conductividad o la resistividad. Además, en la evaluación se tienen en cuenta otros parámetros, como el contenido de componentes inorgánicos y orgánicos, la carga de partículas o el número de microorganismos presentes. Un parámetro fundamental es el valor de TOC (carbono orgánico total), que proporciona información sobre la cantidad de carbono ligado orgánicamente en una muestra. Las normas reconocidas internacionalmente, como ASTM, ISO y CLSI, así como, en los países de habla alemana, la DIN ISO 3696 y la VDI 2083, definen parámetros fijos para el agua tratada. A grandes rasgos, se pueden distinguir los siguientes niveles de pureza:

Agua desmineralizada o totalmente desalinizada (agua VE): obtenida mediante intercambiadores iónicos, con una conductividad inferior a 20 μS/cm, valores de TOC inferiores a 200 ppb y recuentos bacterianos inferiores a 1.000 UFC/mL. Los intercambiadores iónicos, denominados «lechos mixtos», eliminan en gran medida las sales del agua potable.

Agua pura (tipo III según ASTM): normalmente producida mediante ósmosis inversa, con conductividades inferiores a 10 μS/cm, valores de TOC inferiores a 200 ppb y recuentos de gérmenes inferiores a 100 UFC/mL. En el proceso de ósmosis inversa, una alta presión de entre 6 y 14 bar empuja el agua contra una membrana semipermeable; los iones, las partículas y los microorganismos quedan retenidos, mientras que el agua purificada atraviesa la membrana en forma de permeado.

«Agua altamente purificada» (ASTM Tipo II): obtenida mediante bidestilación o procesos continuos como la ósmosis inversa y la desionización eléctrica. Presenta una conductividad <1 μS/cm, un valor de TOC < 50 ppb y un recuento de gérmenes inferior a 10 UFC/mL.

Agua ultrapura (tipo I según ASTM): el nivel más alto de pureza, con una conductividad de 0,055 μS/cm (18,2 MΩ·cm), el valor físicamente más bajo posible, que se debe al equilibrio de hidrólisis del propio agua. Los valores de TOC se sitúan aquí por debajo de 10 ppb, y el recuento de gérmenes, por debajo de 5 UFC/mL.

Tabla 1: Resumen de los distintos grados de pureza del agua

La producción de agua ultrapura

El agua ultrapura se obtiene mediante la combinación de varios procesos. Los intercambiadores iónicos eliminan las sales disueltas, mientras que la ósmosis inversa reduce los iones, los compuestos orgánicos y los microorganismos. La desionización electrolítica (EDI) combina resinas intercambiadoras de iones con un campo eléctrico de corriente continua: el campo atrae los iones que quedan en el agua a través de la resina hacia unas membranas, que los eliminan de forma ordenada. Al mismo tiempo, el campo eléctrico regenera la resina de intercambio iónico de forma continua; por lo tanto, a diferencia de lo que ocurre con los intercambiadores iónicos clásicos, no es necesario realizar ningún paso de regeneración química con ácido o álcali. Además, la ultrafiltración elimina moléculas de mayor tamaño y componentes celulares, mientras que la irradiación UV inactiva los microorganismos y reduce el contenido de TOC. La combinación más adecuada depende en gran medida de la calidad del agua de entrada disponible: si, por ejemplo, se utiliza agua ya descalcificada en lugar de agua potable, se puede omitir una etapa del tratamiento.

Los componentes de un sistema de tratamiento que entran en contacto con el agua también influyen en el resultado. Los plásticos como el PTFE (politetrafluoroetileno) y el PEEK (polieteretercetona) se han impuesto en este ámbito porque son extremadamente resistentes a los productos químicos, apenas se humedecen y son mecánicamente estables. Los estudios demuestran que el uso específico de este tipo de materiales permite reducir considerablemente los valores de TOC, un detalle que puede resultar relevante para análisis de alta sensibilidad.

Cuando el agua dificulta los análisis

Las consecuencias de una calidad del agua insuficiente a menudo solo se manifiestan en los resultados de las mediciones en forma de artefactos difíciles de explicar. En la cromatografía (HPLC, GC, IC), los trazas orgánicas pueden adherirse a la fase estacionaria y provocar los denominados picos fantasma o una línea de base inestable. Algunas sustancias orgánicas favorecen el crecimiento bacteriano en el medio de separación y, por lo tanto, acortan su vida útil, mientras que las moléculas orgánicas cargadas, al actuar como agentes complejantes, pueden falsear los resultados de la cromatografía iónica.

Precisamente en el análisis de trazas —por ejemplo, en medicina, bioquímica, farmacología, análisis medioambiental o criminalística—, los valores de medición suelen situarse en el rango de los nanogramos o por debajo. En estos casos, basta con una mínima contaminación del agua como disolvente para poner en peligro la reproducibilidad de toda una serie de mediciones. Un problema especialmente persistente son las sustancias alquílicas per- y polifluoradas (PFAS): estas «sustancias químicas eternas», químicamente extremadamente estables, suelen estar presentes ya en los componentes plásticos de los propios equipos de laboratorio y de las instalaciones de tratamiento, por lo que pueden llegar inadvertidamente al agua supuestamente pura, con graves consecuencias para los análisis de PFAS mediante LC-MS. Los cartuchos de pulido especiales en el punto de uso, diseñados específicamente para retener los PFAS, solucionan este problema y permiten obtener resultados fiables.

Cuatro preguntas sobre el sistema ideal de agua ultrapura

Quien desee invertir en un sistema de tratamiento de agua o de agua ultrapura debería aclarar de antemano, sobre todo, cuatro cuestiones. Proveedores como Membrapure las resumen en la denominada fórmula FACT: calidad del agua de alimentación (Feed Water Quality), aplicación (Application), consumo (Consumption) y control del TOC (TOC-Monitoring).

1. ¿Qué calidad tiene el agua de entrada? Un análisis del agua permite conocer con claridad la calidad del agua de alimentación y muestra qué pasos de tratamiento son realmente necesarios.
2. ¿Para qué se necesita el agua ultrapura? La aplicación, es decir, el uso concreto, es determinante para la calidad requerida. El hecho de que el agua se utilice para cromatografía, para cultivos celulares o como agua de alimentación para un autoclave determina qué grado de pureza y qué tecnologías de tratamiento son necesarias.
3. ¿Cuál es el consumo diario de agua ultrapura? El consumo, incluidas las posibles picos de demanda, determina el diseño de la instalación. Algunos sectores tienen una necesidad de agua ultrapura de unos pocos litros por hora, mientras que otros consumen varios miles de litros al día.
4. ¿Es necesario un control continuo? En determinados casos, puede ser importante realizar un control continuo del TOC, por ejemplo, porque se llevan a cabo análisis especialmente sensibles. Para muchas aplicaciones, basta con un control puntual.

Estos factores no solo determinan los costes de funcionamiento, sino también la fiabilidad con la que una instalación ofrece resultados reproducibles a lo largo de los años. Proveedores como Membrapure combinan una alta calidad del agua con unos costes reducidos. Este tipo de instalaciones se pueden adaptar a las necesidades individuales, tanto en lo que respecta a la calidad del agua y el caudal de producción como al espacio necesario y a la instalación, ya sea en la pared o en la mesa de laboratorio.

Conclusión

La calidad del agua es uno de los requisitos fundamentales para obtener resultados fiables en el laboratorio. Influye directamente en la fiabilidad de los procesos y en los resultados de las mediciones. El nivel de pureza necesario depende de cada aplicación concreta. La gama abarca desde la simple prevención de la formación de cal en procesos de limpieza, como el lavado de material de vidrio de laboratorio, hasta la ósmosis inversa y la irradiación con rayos UV. Por lo tanto, quien busque un sistema de tratamiento adecuado no solo debe tener en cuenta la calidad del agua, sino también el consumo, la intensidad de uso y las características del agua de entrada.