-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Stickstoffgehalts organischer Proben gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Stickstoffgehalts organischer Proben gemäss Anspruch 6.
-
Zur Bestimmung des Stickstoffgehalts von organischen Proben ist das Kjeldahl-Verfahren eine seit langem bekannte und weit verbreitete Methode. Vor allem zur Berechnung des Proteingehalts von Lebens- und Futtermitteln findet das Kjeldahl-Verfahren zur Stickstoffbestimmung häufig Anwendung. Dabei wird der Stickstoff der Probe durch Aufschluss beispielsweise mit siedender, konzentrierter Schwefelsäure unter Zugabe von Katalysatoren in ein Ammoniumsalz umgewandelt. Mittels konzentrierter Natronlauge wird der Stickstoff anschliessend als Ammoniak freigesetzt und durch Wasserdampfdestillation in eine mit Schwefelsäure beschickte Vorlage abdestilliert. Die überschüssige Säure der Vorlage wird anschliessend beispielsweise mit Natronlauge zurücktitriert. Aus der bei der Rücktitration verbrauchten Menge Natronlauge lässt sich der ursprüngliche Stickstoffgehalt der organischen Substanz berechnen.
-
Bekannte Vorrichtungen zur Durchführung der Kjeldahl-Stickstoffbestimmungsmethode bestehen im allgemeinen aus zwei Apparaturen. In einer ersten Anordnung wird die organische Probe aufgeschlossen und in einer zweiten Anordnung wird die Wasserdampfdestillation durchgeführt. In bekannten Verfahren wird in einer ersten Anordnung der Aufschluss durchgeführt. Das Glas mit der Aufschlusslösung wird anschliessend manuell oder automatisch zur Destillationsanordnung transportiert und in diese eingesetzt, damit die Wasserdampfdestillation durchgeführt werden kann.
-
Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren zur Kjeldahl-stickstoffbestimmungsmethode weisen alle bestimmte Nachteile auf. Ein Hauptnachteil ist, dass der Arbeitsaufwand zur Durchführung der Analyse hoch ist. Die Verwendung von mehreren Apparaturen und das meist manuelle Transportieren der Proben vom einen zum anderen Gerät erhöht den Arbeitsaufwand und verunmöglicht einen rationellen Analysebetrieb, Das Transportieren der sauren Aufschlusslösung birgt ausserdem die Gefahr von Säureunfällen.
-
In der
DE 747 441 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des Stickstoffgehaltes von unlegiertem oder legiertem Eisen oder Stahl beschrieben. In einen Kolben kann über einen Trichter eine Probelösung beigefügt werden. Zwischen dem Trichter und dem Kolben ist eine Schlauchklemme angeordnet, mittels welcher sich die Verbindung zwischen Trichter und Kolben öffnen und schliessen lässt.
-
Die
DE 2 346 456 beschreibt eine Dosiervorrichtung zur Stickstoffbestimmung gemäss Kjeldahl. Auch in der
EP 106 120 A1 ist ein Verfahren zum quantitativen Bestimmen des Stickstoffgehalts einer Feststoffprobe und eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gezeigt.
-
Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, die Nachteile des Bekannten zu vermeiden, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Stickstoffgehalts organischer Proben nach der Kjeldahl-Methode zu schaffen, welche eine rationelle und sichere Durchführung der Bestimmung des Stickstoffgehalts erlauben.
-
Erfindungsgemäss werden diese Aufgaben mit einer Vorrichtung gemäss den Merkmalen von Anspruch 1 sowie mit einem Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.
-
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zum Bestimmen des Stickstoffgehalts organischer Proben nach der Kjeldahl-Methode besteht im wesentlichen aus einem Aufschlussgefäss und einer Destillationsanordnung mit einem Destillationsgefäss. Das Destillationsgefäss ist durch eine für den Transfer der Aufschlusslösung aktivierbare Rohrverbindung mit dem Aufschlussgefäss verbunden. Unter aktivierbar wird eine Rohrverbindung verstanden, die selektiv den Durchgang eines Mediums erlaubt. Dabei muss die Verbindung nicht zwingenderweise verschliessbar sein. Der Durchgang des Mediums kann auch auf andere Weise (z. B. Wahl des Niveaus) verhindert und erlaubt werden. Die Rohrverbindung dient dem Zweck, die im unteren Abschnitt des Aufschlussgefässes enthaltene Aufschlusslösung in das Destillationsgefäss zu transferieren. Die Rohrverbindung muss für den Transfer aktivierbar sein, damit der Transfer der Aufschlusslösung nicht spontan, sondern erst nach vollständigem Abschluss des Aufschlusses der Probe stattfindet. Damit die Probe einfach aus dem Aufschlussgefäss abgeführt werden kann, erstreckt sich die Rohrverbindung von einem unteren Abschnitt des Aufschlussgefässes in das Destillationsgefäss. Die Rohrverbindung kann derart geführt sein, dass unter Normaldruck-Bedingungen kein spontaner Transfer erfolgt. In diesem Fall ist keine besondere Vorrichtung zum Schliessen und Öffnen der Rohrverbindung erforderlich. Es ist aber auch denkbar, die Rohrverbindung mit einem Ventil zu versehen.
-
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Rohrverbindung durch die Erhöhung des Innendrucks des Aufschlussgefässes aktiviert werden. Vorteilhaft weist dazu das Aufschlussgefäss einen Anschluss zum Einleiten von Dampf auf.
-
Eine durch erhöhten Innendruck besonders einfach aktivierbare Rohrverbindung ergibt sich, wenn die Rohrverbindung mit einer Steigung aus dem Aufschlussgefäss herausgeführt und mit einem Gefälle in das Destillationsgefäss geführt wird. Der erhöhte Dampfdruck im Innern des Aufschlussgefässes wird verwendet, um den Niveauunterschied in der Rohrverbindung zu überwinden. Die Rohrverbindung weist also vorzugsweise an wenigstens einer Stelle ein höheres Niveau auf, als das üblicherweise erreichte Niveau der Aufschlusslösung.
-
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Aufschlussgefäss ausserdem durch eine zweite, schliessbare Rohrverbindung mit dem Destillationsgefäss verbunden. Diese zweite Rohrverbindung erstreckt sich von einem oberen Abschnitt des Aufschlussgefässes in das Destillationsgefäss. Durch Oeffnen dieser zweiten Rohrverbindung können beim Aufschluss entstehende Aufschlussdämpfe in das Destillationsgefäss transferiert werden. Das Destillationsgefäss enthält konzentrierte Natronlauge, wodurch die Aufschlussdämpfe neutralisiert werden.
-
Das Aufschlussgefäss weist ausserdem vorteilhaft Anschlüsse zur Eingabe der Probe sowie zum Einleiten von Wasser, Katalysatoren und konzentrierter Säure auf. Das Destillationsgefäss verfügt ausserdem über eine Verbindung zu einer Kühlanordnung resp. zu einer Vorlage.
-
Zur Bestimmung des Stickstoffgehalts organischer Proben gemäss der Kjeldahl-Methode wird in einem ersten Schritt die organische Probe in das Aufschlussgefäss gegeben. Der Stickstoff der Probe wird durch Aufschluss, vorzugsweise mit siedender, konzentrierter Schwefelsäure unter Zugabe von Katalysatoren in ein Ammoniumsalz umgewandelt. Als Katalysator wird vorzugsweise Wasserstoffperoxid verwendet. Es können aber auch allgemein bekannte Metallkatalysatoren und deren Salze (Hg, Cu, Fe, Mg, Bi, Pb) verwendet werden. Parallel dazu wird in das Destillationsgefäss konzentrierte Natronlauge eingegeben. Nach Beendigung des Aufschlusses wird die Rohrverbindung zwischen dem Aufschlussgefäss und dem Destillationsgefäss aktiviert, so dass die Aufschlusslösung über die Rohrverbindung in das Destillationsgefäss transferiert wird. Das Aufschlussgefäss und das Destillationsgefäss bilden ein in sich geschlossenes System, so dass zum Transfer keine Manipulation mit Säure notwendig ist. Durch Kontakt mit der konzentrierten Natronlauge wird die in der Aufschlusslösung enthaltene Schwefelsäure neutralisiert und der Stickstoff in Form von Ammoniak freigesetzt. Anschliessend wird der Ammoniak durch Wasserdampfdestillation in eine mit einer bekannten Menge Säure, vorzugsweise Schwefelsäure, beschickte Vorlage abdestilliert. Die überschüssige Säure der Vorlage wird zurücktitriert. Aus dieser Menge berechnet sich der Stickstoffgehalt in der ursprünglichen Probe.
-
In einem bevorzugten Verfahren wird die aktivierbare Rohrverbindung zwischen dem Aufschlussgefäss und dem Destillationsgefäss durch die Erhöhung des Innendrucks im Aufschlussgefäss geöffnet.
-
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn der Innendruck im Aufschlussgefäss durch die Zufuhr von Dampf über einen Anschluss in das Aufschlussgefäss erhöht wird. Die Aufschlusslösung wird durch den erhöhten Innendruck im Aufschlussgefäss über die Rohrverbindung in das Destillationsgefäss gedrückt. Dieses Ausführungsbeispiel weist ausserdem den Vorteil auf, dass der Dampf für die Wasserdampfdestillation ebenfalls durch den Anschluss in das Aufschlussgefäss eingeleitet und über die Rohrverbindung ins Destillationsgefäss transferiert wird.
-
Vorteilhaft wird vor dem Aufschluss eine zweite Rohrverbindung zwischen einem oberen Abschnitt des Aufschlussgefässes zu einem oberen Abschnitt des Destillationsgefässes geöffnet. Diese Verbindung ermöglicht es, entstehende Aufschlussdämpfe in das Destillationsgefäss zu leiten, wo sie in Kontakt mit der konzentrierten Natronlauge neutralisiert werden. Diese zweite Rohrverbindung muss vor dem Aktivieren der Rohrverbindung zum Transfer der Aufschlusslösung geschlossen werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemässen Vorrichtung, und
-
2a bis 2d schematische Darstellungen von einzelnen Schritten des erfindungsgemässen Verfahrens.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 zum Bestimmen des Stickstoffgehalts organischer Proben. Die Vorrichtung 1 weist ein Aufschlussgefäss 3 und eine Destillationsanordnung 4 mit einem Destillationsgefäss 5 auf. Das Aufschlussgefäss 3 hat einen unteren Abschnitt 7 zur Aufnahme einer organischen Probe und einen oberen Abschnitt 8. Das Aufschlussgefäss 3 ist ausserdem mit einem Anschluss 9 zur Eingabe der Probe und zum Einleiten von Dampf sowie mit Anschlüssen 13 zur Beigabe von Säure, Wasser und Katalysatoren versehen. Das Destillationsgefäss 5 hat einen unteren Abschnitt 11 zur Aufnahme einer konzentrierten Base und einen oberen Abschnitt 12. Das Destillationsgefäss 5 ist mit einem Kühler 14 verbunden, der in ein Gefäss 17 zur Aufnahme einer Vorlage mündet. Das Destillationsgefäss 5 weist ausserdem einen Anschluss 18 zur Beigabe einer konzentrierten Base auf.
-
Der untere Abschnitt 7 des Aufschlussgefässes 3 weist ausserdem eine Heizung 15 zum Erhitzen der Probe resp. der konzentrierten Säure auf.
-
Das Destillationsgefäss 5 ist über eine zum Transfer der Aufschlusslösung vom Aufschlussgefäss 3 ins Destillationsgefäss 6 selektiv öffenbare Rohrverbindung 6 mit dem Aufschlussgefäss 3 verbunden. Die Rohrverbindung 6 erstreckt sich vom unteren Bereich 7 des Aufschlussgefässes 3 bis in den unteren Bereich 11 des Destillationsgefässes 5. Der Abstand des Rohrendes 19 vom Boden 21 des Aufschlussgefässes 3 wird möglichst gering, zwischen 2 mm und 4 mm gehalten. Das Verbindungsrohr 6 wird mit einer Steigung aus dem Aufschlussgefäss 3 herausgeführt und mit einem Gefälle in das Destillationsgefäss 5 geleitet. Steigung und Gefälle sind derart gewählt, dass das Verbindungsrohr 6 mindestens an einer Stelle auf einem Niveau verläuft, das höher als das maximal erreichbare Niveau der Aufschlusslösung im Aufschlussgefäss 3 liegt. Durch eine solche Führung des Verbindungsrohrs 6 wird ein spontaner Transfer der Aufschlusslösung vom Aufschlussgefäss 3 in das Destillationsgefäss 5 verhindert.
-
Das Aufschlussgefäss 3 ist ausserdem mit einer zweiten Rohrverbindung 10 mit dem Destillationsgefäss 5 verbunden. Die zweite Rohrverbindung 10 erstreckt sich vom oberen Bereich 8 des Aufschlussgefässes in das Destillationsgefäss und weist ein schliessbares Ventil 23 auf.
-
In einem ersten Verfahrensschritt (siehe 2a) wird eine organische Probe 2 durch den Anschluss 9 in den unteren Abschnitt 7 eines Aufschlussgefässes 3 gegeben. Durch einen Anschluss 13 des Aufschlussgefässes 3 wird konzentrierte Säure, vorzugsweise Schwefelsäure in den unteren Abschnitt 7 des Aufschlussgefässes 3 gebracht. Typische Mengen von konzentrierter Schwefelsäure sind 10 ml bis 30 ml, vorzugsweise 20 ml. Gleichzeitig wird über den Anschluss 18 konzentrierte Natronlauge in den unteren Abschnitt 11 des Destillationsgefässes 5 gebracht. Typischerweise werden 20 ml bis 70 ml, vorzugsweise 60 ml Natronlauge eingesetzt.
-
In einem weiteren Verfahrensschritt (2b) wird die konzentrierte Schwefelsäure mit der Heizung 15 unter dem Aufschlussgefäss 3 erhitzt und die Probe 2 wird unter langsamer Beigabe eines Katalysators, z. B. Wasserstoffperoxid aufgeschlossen. Gleichzeitig wird das Ventil 23 der zweiten Rohrverbindung 10 zwischen dem Aufschlussgefäss 3 und dem Destillationsgefäss 5 geöffnet, so dass die beim Aufschluss durch Erwärmen der Schwefelsäure entstehenden Dämpfe das Ventil 23 passieren, in das Destillationsgefäss 5 geleitet und dort durch die Natronlauge neutralisiert werden.
-
Nach Beendigung des Aufschlusses wird das Ventil 23 des Verbindungsrohrs 10 geschlossen, die Aufschlusslösung im Aufschlussgefäss 3 kurz abgekühlt und eine kleine Menge Wasser, beispielsweise 50 ml, zur Verdünnung der Schwefelsäure in das Aufschlussgefäss 3 gegeben.
-
Anschliessend wird Druckgas, vorzugsweise Dampf, beispielsweise von einem nicht dargestellten Dampfgenerator, über den Anschluss 9 in das Aufschlussgefäss 3 geleitet (siehe 2c). Der Dampf erzeugt einen leichten Überdruck im Inneren des Aufschlussgefässes 3, so dass die Aufschlusslösung im Aufschlussgefäss nach unten und durch das Verbindungsrohr 6 in das Destillationsgefäss 5 gedrückt wird. Die selektive Öffnung des Verbindungsrohrs 6 geschieht in diesem Fall durch Erhöhung des Innendrucks im Aufschlussgefäss 3. Durch den Kontakt der Aufschlusslösung mit der konzentrierten Natronlauge im Destillationsgefäss wird Ammoniak freigesetzt. Das Aufschlussgefäss 3 und das Verbindungsrohr 6 wird nach abgeschlossenem Transfer der Aufschlusslösung in das Destillationsgefäss 5 durch das Dampfkondensat nachgespült.
-
Der durch den Anschluss 9 in das Aufschlussgefäss 3 eingegebene Dampf wird nun selbst durch das Verbindungsrohr in das Destillationsgefäss 5 geleitet. Auf diese Weise erfolgt die übliche Wasserdampfdestillation im Destillationsgefäss 5 und der freigesetzte Ammoniak wird über eine Leitung 16 zu einem Kühler 14 geführt und in einem Gefäss 17 in der Vorlage aufgefangen. Als Vorlage kann Schwefel- oder Salzsäure verwendet werden (siehe 2d). Anhand der verbrauchten Säure in der Vorlage kann auf den Stickstoffgehalt der ursprünglichen Probe geschlossen werden. Zur Bestimmung des Säureverbrauchs in der Vorlage wird die übriggebliebene Säure zurücktitriert.
