Boorzuur was meer dan een eeuw een van de vaste ingrediënten binnen de Kjeldahl-stikstofbepaling, met name voor het binden van ammoniak dat vrijkomt na destillatie. Door nieuwe EU-regelgeving, die enkele jaren geleden van kracht werd, is het voor laboratoria een stuk lastiger om met de benodigde boorzuurconcentraties te werken. Een alternatief voor deze cruciale stap is gevonden in terugtitratie met natriumhydroxide. BÜCHI Labortechnik biedt inmiddels in alle Kjeldahl-apparaten met geïntegreerde titratiecontrole deze mogelijkheid.

Zuiver boorzuur en vooraf gemengde formuleringen met een boorzuurconcentratie die hoger is dan 0,3%, zijn geclassificeerd als schadelijk voor de voortplanting en het ongeboren kind. Dat heeft ook consequenties voor de toepassing ervan bij de Kjeldahl-stikstofbepaling.

Een cruciale stap in de Kjeldahl-methode is de destillatie van ammoniak, dat vrijkomt na de digestie, en daaropvolgend absorptie in een trapping oplossing voor kwantificering. Traditioneel wordt hiervoor boorzuur gebruikt. Boorzuur is als zwak zuur een geschikt medium om ammoniak te binden, waardoor vervolgens directe titratie met gestandaardiseerde minerale zuren (HCl, H₂SO₄) mogelijk is. De redenen voor deze keuze zijn zowel chemisch als praktisch. Om verliezen te voorkomen moet al het tijdens de destillatie vrijgekomen ammoniak worden opgevangen in de trapping oplossing. Boorzuur (H₃BO₃) is een zwak zuur en reageert met ammoniak tot stabiele ammonium-boraatcomplexen (NH₄⁺–H₂BO₃). In tegenstelling tot sterke zuren zoals zoutzuur of zwavelzuur, die ammoniak onmiddellijk protoneren en onomkeerbaar neutraliseren, bindt boorzuur ammoniak zonder volledige neutralisatie. Hierdoor blijft de ammoniak achter in een chemische toestand die direct kan worden getitreerd.

Na absorptie wordt de trapping oplossing getitreerd met een gestandaardiseerd sterk zuur. In dit proces komt de eerder gebonden ammoniak vrij en kan deze met hoge nauwkeurigheid worden gekwantificeerd. Door het gebruik van geschikte indicatoren, zoals de Sher-indicator, of aan de hand van potentiometrische pH-meting, kan het eindpunt van de titratie nauwkeurig worden bepaald.

De MultiKjel biedt net als andere typen Kjeldahl-apparaten van BÜCHI de mogelijkheid van geautomatiseerde terugtitratie.

Een op het eerste gezicht mogelijke oplossing om dan de boorzuuroplossing te vervangen door water werkt in het geval van de Kjeldahl-bepaling niet goed. In waterige oplossingen is ammoniak namelijk voornamelijk aanwezig in moleculair opgeloste vorm. De hoge oplosbaarheid van ammoniak in water hangt samen met de waterstofbinding tussen water- en ammoniakmoleculen. Ammoniak is in evenwicht met ammoniumionen (NH₄⁺) en hydroxide-ionen (OH^-), die worden gevormd in een zuur-base reactie tussen ammoniak en water. Het evenwicht van deze reactie ligt echter sterk aan de linkerkant van de reactievergelijking. Als gevolg daarvan blijft een deel van de ammoniak in zijn ongeladen vorm achter. Het is alleen fysisch opgelost zonder chemisch te zijn gebonden. Hierdoor kan het gemakkelijk vervluchtigen, wat leidt tot verliezen tijdens of na de destillatie. Bovendien biedt water geen buffercapaciteit, zodat zelfs kleine hoeveelheden kooldioxide uit de lucht de pH kunnen verschuiven en de nauwkeurigheid van de titratie in gevaar kunnen brengen. Deze instabiliteit maakt een nauwkeurige en reproduceerbare eindpuntdetectie vrijwel onmogelijk.

Boorzuur daarentegen bindt ammoniak onmiddellijk in stabiele ammonium-boraatcomplexen, stabiliseert de pH en voorkomt vervluchtiging, waardoor het stikstofgehalte betrouwbaar en nauwkeurig kan worden bepaald.

Een goed werkend alternatief voor boorzuurtitratie is de zogenaamde terugtitratiemethode. Bij terugtitratie wordt het tijdens de destillatie vrijgekomen ammoniak (A in het schema) niet geabsorbeerd in een complexvormend zwak zuur (zoals boorzuur), maar in een gedefinieerde overmaat van een sterk zuur, meestal zoutzuur of zwavelzuur (B), waarmee het volledig reageert tot ammoniumzouten. Het overschot aan niet-gereageerd zuur wordt vervolgens teruggetitreerd met gestandaardiseerd natriumhydroxide (T) aan de hand van een geschikte indicator, zoals fenolftaleïne of methylrood, of door potentiometrische pH-meting. Het stikstofgehalte wordt berekend uit het verschil tussen de toegevoegde hoeveelheid zuur en de verbruikte base. Deze aanpak is analytisch gelijkwaardig aan de traditionele methode en maakt het gebruik van boorzuur volledig overbodig.

Principe van terugtitratie (B - A = T), met het tijdens de destillatie vrijgekomen ammoniak (A) in een gedefinieerde overmaat van een sterk zuur (B), waarmee het volledig reageert tot ammoniumzouten. Het overschot aan niet-gereageerd zuur wordt vervolgens teruggetitreerd met gestandaardiseerd natriumhydroxide (T).

De term terugtitratie verwijst naar de analytische strategie waarbij het analyt niet wordt bepaald door directe titratie, maar indirect door de hoeveelheid reagens te kwantificeren die ongebruikt blijft (B - A = T) nadat het analyt (A) heeft gereageerd met een bekende overmaat (B). Het stoichiometrische verschil tussen het aanvankelijk toegevoegde reagens en het resterende reagens, bepaald door een secundaire titratie, levert de hoeveelheid analyt. Deze indirecte benadering is conceptueel een omgekeerde route naar de analytconcentratie, vandaar de benaming terugtitratie.

De overgang naar terugtitratie biedt verschillende praktische voordelen. Omdat boorzuur en zijn zouten niet langer nodig zijn, worden qua veiligheid en gezondheid kritische chemicaliën vervangen en loopt het laboratoriumpersoneel minder risico. Tegelijkertijd blijven laboratoria volledig voldoen aan de CLP-verordening van 2022, waardoor mogelijke aansprakelijkheidskwesties tot een minimum worden beperkt.

Terugtitratie is een gevestigde techniek die zeer reproduceerbare resultaten oplevert en erkend is in officiële standaardmethoden, zoals AOAC, ISO, DIN en de Europese Farmacopee. De Kjeldahl-procedure zelf blijft vrijwel ongewijzigd, afgezien van de samenstelling van de trapping oplossing, waardoor deze in de praktijk gemakkelijk toe te passen is. Bovendien kunnen de meeste moderne Kjeldahl-systemen zonder ingrijpende aanpassingen worden aangepast aan terugtitratie, waardoor de methode compatibel is met geautomatiseerde workflows.

De KjelMaster met geïntegreerde titratiecontrole biedt de mogelijkheid van geautomatiseerde terugtitratie. De enige benodigde aanpassing is een tweede doseereenheid voor de volumetrische toevoer van het ontvangende zuur.