La determinación del nitrógeno se realiza en alimentos y bebidas, carne, piensos, cereales y forrajes para el cálculo del contenido en proteína. También se utiliza para la determinación de nitrógeno en aguas residuales, suelos y otras muestras. Es el método más usado y popular ya que ha sido usado por más de 130 años y es un método oficial de impacto internacional.
Para que el Método Kjeldahl sea aplicado, son necesarios equipos de fácil manipulación y algunos accesorios para la obtención del resultado buscado:
Su finalidad será estandarizar las muestras para que sea un análisis reproducible y repetitivo, así como para remover la humedad de las muestras y evitar la maceración dentro de los molinos.
El molino será ocupado para la desintegración de la muestra. Al moler la muestra permite el aumento de la superficie de contacto y, consecuentemente, la mejora en la eficiencia de las etapas sucesivas de preparación, además de dar uniformidad de tamaño de partícula. Así como, ayuda en la homogeneización de la muestra y realizar la separación del componente a ser analizado. Se utilizará un molino(figura 1.1) acorde a la naturaleza de la muestra (granular, fibrosa, etc).
Figura 1.1 Molino multiusos TE-631/4 marca TECNAL
Una vez la muestra este homogenizada y en el tamaño adecuado la balanza será utilizada para pesar la cantidad adecuada y colocada en el tubo de vidrio en borosilicato, que posteriormente será digerida en el bloque digestor. La balanza deberá proporcionar datos exactos y específicos en relación al peso para reducir el margen de error.
Es el recipiente donde será colocada la muestra junto al ácido concentrado y catalizadores, para que sea sometida al bloque digestor y alcanzar la temperatura de reacción. El tubo está construido con un vidrio resistente al calor y a los elementos químicos a base de borosilicato. Es posible utilizar tubos micro o macro, dependiendo de la necesidad y de la naturaleza de la muestra. Por ejemplo para muestras en que hay menor cantidad de nitrógeno, cantidades mayores son necesarias para alcanzar a tener mayor recuperación y, consecuentemente debe utilizarse un tubo macro. Para muestras en que hay mayor cantidad de nitrógeno se necesitan cantidades menores, para lo cual se utilizan tubos micro.
El bloque digestor es donde será realizada la digestión de la muestra. Se trata de una especie de cámara, con funcionamiento semejante a una placa calentadora. Sin embargo, hay orificios para colocar los tubos con las muestras a digerir. Cabe resaltar que la muestra debe recibir calor de manera uniforme por lo que debe administrarse calor por la mayor área de superficie.
Figura 1.2 Bloque digestor TE-040/25 de 40 pruebas Micro marca TECNAL.
CÁMARA DE EXTRACCIÓN O SISTEMA DE EXTRACCIÓN
Como la reacción es por medio de ácido concentrado, el bloque digestor debe ser colocado dentro de una cámara extractora, para que los gases sean liberados durante el proceso de digestión. La cámara puede ser substituida por un sistema de extracción (galería extractora, scrubber y garrafa neutralizadora). La galería extractora es encajada en el bloque digestor en la superficie de los tubos, y es conectada a un scrubber, responsable por la succión de los gases, neutralizados en la trampa.
Responsable por la destilación de la muestra previamente digerida en el bloque digestor. Se recomienda el uso de destiladores donde la fuente de calor sea mediante arrrastre de vapor para evitar que el operador tenga contacto directo con las resistencias y evitar una quedadura. Así como, por los reactivos que se manejan en la destilación evitar una explosión brusca que pueda dañar a los usuarios. Actualmente se ofrecen variedad de destiladores por ejemplo básicos, múltiples e inclusive automáticos.
ETAPAS DEL MÉTODO KJELDAHL
El método es dividido en tres principales etapas: digestión, destilación y titulación.
DIGESTIÓN
La muestra ya homogeneizada (después de molida) que seguirá para la digestión es previamente pesada en la balanza analítica y mezclada en la proporción necesaria de ácido sulfúrico concentrado en un tubo en borosilicato. Es adicionado catalizador que actuará en la aceleración de la digestión.
Los catalizadores normalmente utilizados son:
BLOQUE DIGESTOR: Para que la muestra y el ácido sulfúrico reacciones de manera efectiva.
SELENITO DE SODIO: Para minimizar detonaciones dentro del tubo.
SULFATO DE SODIO: Para elevar el punto de ebullición del ácido sulfúrico para aproximadamente 360°C.
RECOMENDACIÓN: Cuando la muestra sea muy grasosa, es posible utilizar un antiespumante durante la digestión.
La mezcla preparada es colocada en el bloque digestor. La temperatura mínima del bloque para que la reacción ocurras es de 350°C, sin embargo, normalmente, es fijada en 400°C, para garantizar la eficiencia del proceso. Con el calentamiento del bloque digestor juntamente con la mezcla ácida, el carbono contenido en la muestra es oxidado, el dióxido de carbono se desprende y el nitrógeno es transformado en sulfato de amonio, transformando la muestra oscura en una solución translúcida, normalmente, verde clara. En este momento, la digestión es finalizada.
Esa etapa produce gases tóxicos, entonces debe ser realizada en cámara de extracción o, si es necesario, utilizar el sistema de extracción y neutralización de gases.
RECOMENDACIÓN: El bloque digestor, TE-040/25-Micro o TE-008/50-04-Macro – Tecnal posee el controlador separado, que puede permanecer fuera de la cámara de extracción, lo que evita posibles daños causados por la reacción ácida del proceso de digestión y aumenta la vida útil del equipo.
DESTILACIÓN
Después de la digestión de la muestra, la solución de sulfato de amonio obtenida en el tubo es enfriada a temperatura ambiente y, posteriormente, es llevada al destilador de nitrógeno. Antes de comenzar la destilación. Es necesario que sea colocado un Erlenmeyer en la salida del condensador del equipo, que deberá contener ácido bórico y un indicador, generalmente, rojo de metilo.
El tubo de borosilicato es colocado en el destilador, donde es dosificado hidróxido de sodio para la neutralización. El sulfato de amonio, presente en el tubo, en contacto con el hidróxido de sodio dosificado y el vapor de agua de la caldera del equipo, es transformado en hidróxido de amonio y, así, liberado en estado gaseoso.
Cuando el hidróxido de amonio es liberado, éste pasa por el sistema de destilación del equipo y condensa dentro del Erlenmeyer que fue preparado previamente con ácido bórico y el indicador, formando el borato de amonio en una coloración que pasa de rojo pálido para verde. De esta forma, es finalizada la destilación de la muestra.
En esta de la destilación, la utilización en conjunto del destilador con un baño termostático reduce considerablemente el consumo de agua para enfriar el condensador.
RECOMENDACIÓN: El destilador de nitrógeno, TE-0364-Tecnal posee entradas de agua independientes para la caldera y el condensador. De esta forma, es posible utilizar un baño termostático, TE-2005-Tecnal para enfriamiento del condensador, lo que proporciona gran economía de agua y reduce el tiempo de condensación.
ERLENMEYER: Colocado en la salida del condensador del destilador de nitrógeno, para colectar el destilado que será sometido a la titulación.
BURETA: Será titulado un ácido al destilado.
La bureta de vidrio está sujeta al daño y a errores de lectura por el usuario. Puede ser substituida por una bureta digital, que coloca la dosis correcta de determinado volumen.
TITULACIÓN DETERMINACIÓN
En la etapa de titulación, es colocado en una bureta, normalmente, ácido clorhídrico y un indicador, verde de bromocresol o azul de bromotimol, que son titulados en el borato de amonio, que fue formado en la etapa de destilación.
El ácido clorhídrico es titulado hasta que alcance el punto de cambio del destilado, lo que altera su coloración para incolora/gris. Cuando esa coloración es identificada, la titulación está finalizada.
CONCLUSIÓN
El método Kjeldahl es uno de los más utilizados para la determinación de nitrógeno en substancias orgánicas y se mantiene como un procedimiento directo y sencillo. Se trata de un método más tradicional, en el que son utilizadas mayores cantidades de muestra, lo que posibilita menor chance de errores. Es un método totalmente aceptado internacionalmente por su precisión y certeza, además de ser una metodología económica.
Actualmente existen en el mercado fabricantes de este tipo de equipos que invierten en investigación y tecnología, lo que posibilita equipos de calidad y la obtención de resultados más seguros. Usar este tipo de equipos reducirá tiempos y costos, así como aumentar la cantidad de análisis por jornada laboral.