Titrieren mit System

Auswahlkriterien für die automatische Titration

Die überwiegende Anzahl aller Titrationen wird in der heutigen Zeit bereits automatisch durchgeführt. Wer den Umstieg von der klassischen Glasbürette auf ein automatisiertes Titrationssystem noch vor sich hat, fragt sich aber: Was gibt es zu beachten? Welche Gesichtspunkte sind für die zu treffenden Entscheidungen ausschlaggebend? Was alles zu berücksichtigen ist, ist nachfolgend aufgeführt.

 

Es begann vor mehr als 200 Jahren….
Die Titration ist eines der ältesten analytischen Verfahren für nassanalytische Gehaltsbestimmungen. Ausreichend stabile Reagenzien für eine eindeutig quantitativ und reproduzierbar ablaufende chemische Reaktion, eine geeignete Möglichkeit, deren „Endpunkt“ zu erkennen und den dazugehörigen Titriermittelverbrauch genau zu ermitteln, sind wichtige Punkte. Kenntnis über die zugehörigen stöchiometrischen Zusammenhänge und überschaubare mathematische Grundkenntnisse zu haben, die nicht mehr als die Beherrschung der Dreisatzrechnung erfordern: so könnte man kurz und knapp das Verfahren der Titration charakterisieren. Von der Tüpfelplatte bis zum Microprozessor-gesteuerten Titrator: Eine Historie, die in den letzten Jahren zu einem breiten Angebot an Titratoren geführt hat. Das Spektrum reicht vom einfachen Einzelarbeitsplatz für einen einzigen Parameter bis hin zum Roboter für höchsten Multiparameter-Probendurchsatz, inklusive lückenloser Dokumentation und unter Beachtung aller im regulierten Umfeld gestellten Anforderungen.
 
Was versteht man unter automatisierter Titration?
Anwender von klassischen Glasbüretten gibt es auch heute noch in vielen Laboratorien. Für sie ist die Umstellung auf eine manuell gesteuerte Kolbenbürette bereits ein Schritt in Richtung Automatisierung, denn Auflösung und damit Präzision moderner Motorkolbenbüretten liegen im unteren µL-Bereich. Glasbüretten können da schon lange nicht mehr mithalten. Ganz abgesehen vom Aufwand und den Sicherheitsaspekten, die mit dem Füllen und Justieren der Bürette bei jeder Titration wieder auftreten. Mögliche Fehlerquellen sind ebenso das richtige Ablesen des Titrationsvolumens, die Übertragung und die Berechnung der Resultate.

Zu beachten sind daran unmittelbar anschließend die Anforderungen an eine rückführbare Dokumentation der Analyseergebnisse. Viele, für manch ungeübten Anwender, zu viele Fehlerquellen. Manuelle Motorkolbenbüretten entschärfen hier fast alle subjektiven Einflussfaktoren. Auf Knopfdruck wird dosiert, bei jeder Titration mit gleicher Geschwindigkeit gerührt, automatisch das Titriermittel nachgefüllt und parallel das Endresultat nachvollziehbar berechnet und dokumentiert. Was neben den oben bereits genannten Aspekten allerdings weiter dem individuellen Einfluss des Anwenders unterliegt, ist die Regelung der Titration, bestehend aus Dosiergeschwindigkeit, der Größe der zugegebenen Volumeninkremente, der Wartezeit zwischen zwei Zugaben und nicht zuletzt die Erkennung des in der Regel durch Farbumschlag von Indikatoren angezeigten Titrationsendpunktes. Dieser wird individuell unterschiedlich wahrgenommen. Angaben zur Endpunktindikation wie „…bis die Gelbfärbung in eine gerade erkennbare Rotfärbung übergeht…“ erheitern daher auch nur die Gemüter derjenigen, die die Analyse nicht selbst durchzuführen haben. Das Farbempfinden variiert von Mensch zu Mensch. Neun Prozent aller Männer leiden beispielsweise unter einer Rot/Grün-Schwäche.

 
Die Unterschiede zwischen einer auto­matischen Bürette und einem Titrator
In einem modernen Labor sind entscheidende Qualitätsfaktoren, dass jederzeit nachgewiesen werden kann, wer wann und mit welchen Parametern eine Bestimmung durchgeführt hat. Die GLP (Good Laboratory Practice) verlangt zusätzlich, dass ersichtlich sein muss, ob es sich um einen originalen oder einen nachberechneten Report handelt. Diese Bedingungen werden von einer modernen automatischen Bürette erfüllt. Somit weist sie eine ganze Reihe von Vorteilen gegenüber einer herkömmlichen Glasbürette auf. Die Investitionssumme ist in Relation zu den Vorteilen einer automatischen Bürette und deren Sicherheit für die Mitarbeiter sehr niedrig.
Vergleicht man allerdings die digitale Bürette mit einem modernen Einstiegstitrator, erkennt man schnell die Vorteile eines automatischen Titrators. Hier gibt es zwei wesentliche Punkte, die dem Anwender einen erheblichen Zusatznutzen bringen:
 
1. Der automatische Titrator arbeitet nach Start-Bestätigung komplett autark. Jedes Volumeninkrement wird auf Basis des Verlaufs der Titrationskurve optimal berechnet. Dies bedeutet, dass im flachen Verlauf große Volumeninkremente und im steilen Verlauf, also im Bereich des Equivalenzpunktes, sehr kleine Volumina dosiert werden. Zudem wird ein „Übertitrieren“ verhindert, da jeweils erst nach einer definierbaren Signalstabilität das nächste Inkrement zudosiert wird. Auf Basis der vielen Messpunkte im entscheidenden Bereich kann ein Titrator sehr exakte und gut wiederholbare Ergebnisse liefern.
 
2. Im Gegensatz zu Glasbüretten und digitalen Büretten erfolgt die Endpunktserkennung komplett unabhängig vom Anwender. Es gibt für jede Titrationsanwendung den optimalen Sensor. Dies kann z. B. eine pH-Elektrode, eine Metallelektrode, eine Optrode, eine ionenselektive Elektrode oder auch ein thermometrischer Sensor sein. Gemeinsam haben alle Sensoren, dass sich das Signal am Endpunkt der Titration stark ändert und der Algorithmus des Titrators daraus den exakten Endpunkt der Titration berechnet.
 
Beide Punkte zusammen genommen bewirken eine erhebliche Entlastung der Mitarbeiter im Labor. Eine Präsenz während der Titration ist nicht erforderlich. Nicht nur der Verbrauch des Titriermittels, sondern auch die Resultatberechnung erfolgt automatisch. Falls erforderlich, können alle relevanten Daten der Titration in einem Report ausgegeben werden.
Für einen Umstieg zu einer automatischen Titration gibt es also viele Notwendigkeiten:
 
  • Das bisherige Verfahren, z. B. Handtitration mit Glasbüretten, genügt nicht mehr den aktuellen Anforderungen.
  • Eine vorhandene Bürette soll wegen Überalterung oder Defekt ersetzt werden.
  • Eine neue Produktlinie bedingt zusätzliche Kontrollen, d. h. es werden zusätzliche instrumentelle Kapazitäten benötigt.
  • Neue analytische Vorgaben bedingen die Erweiterung des Geräteparks.
  • Ein Audit legte instrumentelle Mängel offen, die zu beseitigen sind, z. B. unzureichende Unterstützung von GLP- oder FDA-Anforderungen.
  • Kunden fordern eine lückenlose Nachverfolgbarkeit ihrer Analytik.
  • Die hohe Belastung des Laborpersonals soll reduziert werden.
 
Kriterien zur Auswahl eines geeigneten Titrationssystems
Der überwiegende Teil der Anwender in Laboratorien hat in den letzten 30 Jahren die Vorteile der automatischen Titration gegenüber Glasbüretten und Dosimaten bereits kennen und schätzen gelernt.
Versucht man sich allerdings einen Überblick über den Markt zu verschaffen, sieht man sich mit einer Vielzahl von Anbietern, die wiederum verschiedene Linien im Sortiment haben, konfrontiert.
Alleine in Deutschland findet man über 50 verschiedene Modelle, die zur automatischen Titration geeignet sind. Nun gilt es strukturiert vorzugehen, um die richtige und langfristig profitabelste Lösung bei der Auswahl zu beachten.
Was ist zu beachten, um ein Titrationssystem mit dem optimalen Preis-Leistungsverhältnis zu finden?
 
 
Sicherheitstechnische Anforderungen:
Gefahrenquellen im Laborumfeld eliminieren bzw. reduzieren. Das Handtieren mit Flüssigkeiten wie z. B. Säuren und Laugen sollte auf ein Minimum reduziert werden.
 
 
Anforderungen aufgrund der Proben
Ein neues Titrationssystem muss die Anzahl der Proben in der gewünschten Zeit abarbeiten können. Die zu bestimmenden Parameter und deren ungefähre Konzentrationen müssen bekannt sein. Aus diesen beiden Faktoren lässt sich die Anzahl der notwendigen Titriermittel berechnen. Zu klären ist zudem, welche Probenvorbereitung durchgeführt werden muss und ob es wirtschaftlich ist, diese mit zu automatisieren.
 
Anforderungen an das Personal
Die Fertigkeiten und Fähigkeiten der Anwender spielen eine wichtige Rolle, um sich für den passenden Titrator zu entscheiden. Sollen z. B. drei verschiedene Parameter bestimmt werden, gibt es die Möglichkeit einen Titrator zu verwenden und die entsprechenden Titriermittel und Elektroden manuell zu wechseln oder drei „einfache“ Titratoren zu verwenden, denen jeweils ein Titriermittel und eine Elektrode fix zugeordnet sind. Für den Produktionsmitarbeiter, der nur seine Probe auf den Titrator stellt und Start drückt ist dies oft einfacher bei ähnlichen Kosten und weniger Fehlermöglichkeiten.
 
 
Zukünftige Anforderungen
Das Wachstum eines Unternehmens gibt oft Aufschluss darüber, ob zukünftig mit einer erhöhten Anzahl an Proben gerechnet werden muss. Ein expandierendes Unternehmen sollte geplante Erweiterungen, z. B. in neue Produktlinien, mitberücksichtigen. Ein altes Sprichwort sagt: „Wer billig kauft, kauft zweimal“. Sind Erweiterungen absehbar ist es effektiver in ein System zu investieren, das sich später weiter ausbauen und automatisieren lässt.
 
 
Anforderungen an die produzierten Daten
Im Zeitalter der Digitalisierung und Datenintegrität muss klar sein, welchen regulatorischen Anforderungen ein Titrator genügen muss. Sollen die Daten nur abgelesen oder ausgedruckt werden oder reicht es aus, einen PDF-Report zu erzeugen oder müssen die Daten in komplexe Datenverarbeitungssysteme exportiert werden. Die Bedeutung der Datenverarbeitung hat in den letzten Jahren permanent zugenommen. Es ist sinnvoll diese Fragen vor der Kaufentscheidung mit der zuständigen IT- und dem QM-Verantwortlichen zu klären.
 
 
Anforderungen an den Lieferanten
Empfehlenswert ist es in jedem Fall, mit einem Lieferanten zusammenzuarbeiten, der die Kompetenz besitzt, alle Anforderungen zu verstehen, um gemeinsam mit den Anwendern das System mit dem besten Preis/Leistungsverhältnis auszuwählen. Erfahrungsgemäß ist es sinnvoll, dass die Inbetriebnahme, die Einweisung und Methodenerstellung durch den Lieferanten erfolgt. Um Ausfallzeiten zu vermeiden sollten Wartungen und Reparaturen direkt vor Ort durchgeführt werden. Lieferanten, die Schulungen, Trainings und einen kostenfreien Telefonsupport anbieten, sind zu bevorzugen.
 
 
Betriebswirtschaftliche Anforderungen
Steigerung der Produktivität im Labor, d. h. es sollen mehr Titrationen mit gleichem Personal in gleich viel oder weniger Zeit bewältigt werden. Die Automatisierung der Titration setzt Ressourcen der Anwender frei.
Nachdem alle Anforderungen in den Auswahlprozess einbezogen wurden muss geklärt werden, ob das für die Beschaffung des optimalen Analysengeräts notwendige Budget zur Verfügung steht. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass die sinnvollste Investition immer die mit dem besten Preis/Leistungsverhältnis ist.
 
Fazit
Gegenüber dem Titrieren mit der Glasbürette ist ein Wechsel zu einer automatischen Bürette mit vielen Vorteilen verbunden. Sie sollte der Minimalstandard in Bezug auf Genauigkeit, Sicherheit, Transparenz und Nachverfolgbarkeit der Ergebnisse sein. Anwender, die gleich in einen automatischen Titrator investieren, werden die weiteren Vorteile schnell zu schätzen wissen. Eine automatisch ablaufende Titration setzt Ressourcen frei und liefert das Maximum an Genauigkeit sowie vollständige Unabhängigkeit der Ergebnisse vom Anwender. Mit dem richtigen Lieferanten an seiner Seite ist es einfach, alle Anforderungen vor der Kaufentscheidung einzubeziehen.
 
 
Autoren
Peter Krebs1, Karsten Efferenn1
 
Zugehörigkeit
1Deutsche Metrohm, Filderstadt, Deutschland

 

Kontakt   
Peter Krebs

Deutsche Metrohm GmbH & Co. KG
Filderstadt, Deutschland
peter.krebs@metrohm.de

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