DE1773750A1 - Verfahren zum Aufschluss und/oder zur Nassveraschung von organischem Material,insbesondere von biologischen Substanzen - Google Patents

Description

GESELLSCHAFT FÜR Neuherberg, den 10.6.1968

STRAHLENFORSCHUNG MBH PTA 68/22 Gb/jd

Verfahren zum Aufschluß und/oder zur Naßveraschung von organischem Material, insbesondere von biologischen Substanzen.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufschluß und/oder zur Naßveraschung von orgcinischem Material, insbesondere von biologischen Substanzen, wie z.B. Fleisch, Fisch, Milch, Mehl, Gemüse, Knochen, Faeces, Urin und anderen organischen Substanzen wie z.B. Zucker, Cellulose oder Ionenaustauscherharze.

Sowohl für die Beseitigung als auch Analyse derartiger Substanzen auf anorganische Bestandteile oder Radionuklide ist es bekannt, durch Trocken- oder Naßveraschung zunächst deren Volumen zu reduzieren und Störungen durch die organische Matrix zu beseitigen. Dabei ist für beide Anwendungszwecke darauf zu achten, daß sich während des Aufschlusses bzw. der Veraschung die in den Substanzen

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enthaltenen und zu analysierenden giftigen oder radioaktiven Bestandteile, z.B. Spurenelemente wie Fe, Pb, Hg, Cd, As, Zn, oder Radionuklide wie Cs-137, Na-22, Ru-lO6, nicht verflüchtigen.

Die Trockenveraschung wird daher häufig unter Sauerstoffmangel durchgeführt, damit die Verbrennungstemperaturen entsprechend niedrig bleiben. Nachteile dieser Methode sind unter anderem der Verlust flüchtiger Elemente oder Radionuklide, die lange Arbeitszeit, starke Geruchsbelästigung, die nur begrenzte einsetzbare Probenmenge und die Gefahr örtlicher überhitzung der Probe und damit verbundenen teilweisen Verflüchtigung. ψ Nicht restlos verglühbare Kohlenstoffreste müssen häufig noch zusätzlich naßverascht werden. Elementspuren können in das Tiegelmaterial einbrennen und verloren gehen. Eventuelle radioaktive Abgase müssen in einem Filtersystem sorgfältig von Cs-137, Ru-106, C-14, H-3 u.a. dekontaminiert werden. Die hierbei erforderlichen Verbrennungsanlagen sind im normalen Labor nicht vorhanden.

Bei den bisher bekannten Verfhren zur NaÄveraschung erfolgt die Oxydation der organischen Substanz durch stark oxydierende konzentrierte Säuren, vor allem HNO_, HNO /te.SO₄, HNO₃HClO₄. Diese bauen die organischen Moleküle bei höherer Temperatur von 100 - 300°C zusätzlich durch Dehydration ab. Aber auch diese Methoden haben den Nachteil, daß starke Geruchsbelästigung durch entweichende Säuredämpfe auftritt, und nur relativ kleine Mengen in einem Ansatz aufgeschlossen werden können. Manche Elementspuren verflüchtigen sich auch hier, z.B. als Chloride. Sulfatfällungen können entstehen und die Weiterverarbeitung des Rückstandes stören. Die erhaltenen, dunkel gefärbten Aschen müssen häufig zur Aufhellung noch mit z.B. H₃O₃ nachbehandelt werden. Durch die notwendigen großen Säuremengen können Spurenverunreinigungen

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eingeschleppt werden. Die Einwirkung von Schwefelsäure bei höherer Temperatur kann gelegentlich zur Bildung von resistenten Verbindungen» z.B. Sulfonsäuren, führen. Perchlorsäure ist wegen seiner Explosionsgefahr nur unter bedeutenden Vorsichtsmaßnahmen sicher zu handhaben. Um eine Verdünnung der Säuren zu vermeiden, muß die zu veraschende Substanz meist vorgetrocknet werden.

Die Erfindung hat daher zur Aufgabe, ein Verfahren zum Aufschluß und zur Haßveraschung organischer, insbesondere auch biologischer Substanzen zu entwickeln, welches die Verarbeitung auch großer Substanzmengen in einem Ansatz, darüber hinaus im Serienbetrieb, unter milden Bedingungen, möglichst ohne Spurenverluste und in jedem chemischen Laboratorium ohne zusätzliche Einrichtungen, auszuführen gestattet.

Die Lösung der Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Substanz in wässriger Suspension dem Angriff von Radikalen, wie z.B. -OH, *H°2' 'Cl* ausgesetzt werden. Diese lagern sich sehr leicht und recht allgemein an organische Moleküle an. Dabei werden letztere entweder gleichzeitig oxydativ abgebaut, oder es bilden sich Anlagerungsverbindungen, die ihrerseits gut oxydierbar sind.

Als besonders geeigneter Radikallieferant hat sich Wasserstoffperoxid erwiesen. Versetzt man seine wäßrige Lösung mit Spuren von Eisen (II)-Salzen (auch Eisen(III), weniger wirksam sind Cu(II) u.a.) oder Fermenten wie Katalase, auch Hämin, so bilden sich aus Wasserstoffperoxid katalytisch -OH-Radikale bzw deren Komplexe mit dem Ketallion:

HO-OH + Fe²⁴"*=* Fe³⁺ + OH*" + OH.

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Analog entstehen mit Spuren Ce . HO₂~Radikale (vergl. W.A. Waters, Mechanisms of Oxydation of Organic Compounds, Methuens Monographs on Chemical Subjects, 1963) .

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Ein besonderer Vorteil des Reagenz H₂O₂ ist, daß als einzige Nebenprodukte Kasser und entweichender Sauerstoff entstehen, z.B. nach

2 H₂O₂ > 2 H₂O + O₂.

Außerdem hinterläßt es, abgesehen von Stabilisatorspuren, keinen Salzrückstand. Es ist relativ billig und in sehr reiner Form im Handel.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren ara Beispiel der

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Radikale aus dem Reagenz H~O_o/3Fe näher erläutert:

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Die aufzuschließende oder zu veraschende Substanz wird zerkleinert, mit Wasserstoffperoxidlösung erwärmt, nach Zusatz einer Spur Eisen(II)-Salz die spontan einsetzende Hauptreaktion abgewartet und langsam zur Trockene eingedampft. Dann gibt man erneut etwas^r Wasserstoffperoxid zu, dampft ein und wiederholt dies bis eine rein anorganische, nur durch den Eisenzusatz und Ammoniumsalze verunreinigte Asche als Rückstand zurückbleibt. Als Schnellmethode genügt häufig bereits eine kürzere einmalige Behandlung mit dem Reagenz, wenn die anorganischen bzw. radioaktiven Bestandteile anschließend aus der erhaltenen Lösung abgetrennt werden. Störendes Fett wird zweckmäßigerweise in beiden Fällen am besten durch Extraktion oder Separation mit geeigneten organischen Lösungsmitteln entfernt. Das Verfahren wurde angewendet zum Aufschluß bzw. zur Naβveraschung von Fleisch, Fisch, Leber, Knochen, Gemüse, Trocken- und Frischmilch, Kakao, Heu, Wolle, Cellulose, Zucker« lonenaustauscherharzen, Trockenblut, Urin, Faeces, Mäuse- und Rattenkadaver.

Die neue Methode hat gegenüber den bisher bekannten Trocken- und Naßveraschungsmethoden wesentliche Vorteilet

Sie erlaubt den Aufschluß und die Naßveraschung auch großer Substans-n mengen von bis zu Ober einem kg Substanz in einem Ansatz, sogar im offenen Becherglas. Die Arbeitszeit ist beim Aufschluß von z.B.

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Fleisch, Fisch, Mehl, Trockenmilch, Ionenaustauscherharzen, Urin, Faeces oder Tierkadavern um ein Mehrfaches kurzer als bei der üblichen Trockenveraschung. Es können daher bei Schnellmethoden zur Radioaktivitätsüberwachung in Nahrungsmitteln und anderem biologischem Material anschließend erstmals routinemäßig radiochemische Methoden angewendet werden. Die zeitraubende Vortrocknung der Substanz entfällt. Einzige Nebenprodukte des Reagenz Yiasserstoffperoxid sind Wasser und entweichender Sauerstoff. Daher entfällt die Geruchsbelästigung der bisher bekannten Verfahren durch Verbrennungsgase oder aggresive Säuredämpfe. So erübrigen sich auch besondere Einrichtungen wie Säureabzüge oder Nachverbrennungsarilagen.

Aus diesen Gründen ist es wiederum möglich, größere Versuchsreihen im Routinebetrieb auszuführen und wegen der relativ geringen erforderlichen Aufsicht dabei auch ungeübteres Hilfspersonal einzusetzen.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung gegenüber den bekannten Methoden ist darin zu sehen, daß die Versuchsbedingungen erheblich milder sind. So verringert die niedrige Arbeitstemperatur von ;< 10O⁰C die Verflüchtigung von Spurenbestandteilen sehr stark. Weiterhin kann die Veraschung nicht nur in stark sauren, sondern sogar in neutralem wässrigem Milieu erfolgen. Dadurch werden säure- oder alkaliempfindliche Bestandteile während des Aufschlusses geschont. Falls erforderlich, kann nach vorheriger Fett extrakt ion auch in schwach alkalischen» Medium gearbeitet werden.

Wasserstoffperoxid ist in sehr reiner Form im Handel. Das verringert eine unkontrollierte Einschleppung von Spurenverunreinigungen. Häufig genügt bereits billiges technisches Wasserstoffperoxid.

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann in gleicher Weise sowohl für die Abfallbeseitigung, insbesondere radioaktiv kontaminierter Stoffe, als auch für analytische Aufgaben eingesetzt werden. Im exsteren Fall ist man aus Gründen des Transportes« der Lagerkosten und der Sicherheit, im letzteren zur Konzentrierung der zu analysierenden Spurenbestandteile sowie Beseitigung von Störungen durch die organische Substanz bestrebt, das Volumen des Ausgangsmateriales auf ein Minimum zu reduzieren.

Es folgen Beispiele:

1. Als allgemeine Arbeitsvorschriftetf werden z.B. 1OQg zerkleinertes Frischfleisch mit 300 ml 30%igera Wasserstoffperoxid (Perhydrol) versetzt. Zur Suspension gibt man so viel Eisen(II)-Salz, bis die Lösung etwa 0,001 m an Eisen ist. Bei Fleisch genügt oft bereits dessen natürlicher Eisengehalt. Dann erwSrmt man vorsichtig, bis bei etwa 80 - 90°c die Hauptreaktion einsetzt. Sie ist durch eine stärkere Gasentwicklung gekennzeichnet. Man nimmt nun das Becherglas von der Heizplatte und zerrührt hochsteigenden Schaum mit dem Glasstab, ohne dabei die Lösung aufzuwirbeln. Nach Abklingen der Hauptreaktion wird langsam eingedampft. Das Fleisch ist nach etwa 45 Minuten zu einer gelben Lösung abgebaut. Emulgiertes oder Überstehendes Fett wird dann mit geeigneten organischen Lösungsmitteln (z.B. Tri.chloräthylen) extrahiert und die wässrige Phase bis fast zur Trockene eingedampft. Vor beginnender Verkohlung fögt nan erneut wenig Perhydrol zu, daapft wieder ein und wiederholt dies mehrmals. Schließlich bleibt ein weifler, nur durch den Eisenzusatz schwach gefärbter Rückstand von z.B. etwa 3 g. Nach Absublimieren der Ammoniumsalze sind es nur mehr 1 bis 1,5 g Glührückstand. Das entspricht etwa dem theoretischen Aschegehalt der verwendeten Fleischsorte.

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2. In ähnlicher Weise wurden 1 kg Hirschfleisch mit 1,5 Litern Reagenzlösung in etwa 4 Stunden zu 18 g, vorwiegend aus Fett bestehendem Rückstand, abgebaut. Jedoch bereits nach etwa 45 ii: nuten Aufschlußzeit und anschließender Fettextraktion konnte aus der gelben AufschIußlösung nach Trägerzusatz Cäsium-137 durch Ionenaustausch an KL £ CoFe(ClI),. 7 abgetrennt und im NaJ-Bohrlochkristall in nur 40 Minuten Meßzeit gammaspektrometrisch identifiziert und bestimmt werden. Die radiochemische Ausbeute für die Abtrennung von Cs-137 lag dabei über 9O-95 %. Diese Schnellmethode erfordert bis zum fertigen Gammaspektrum nur etwa 2 Stunden Arbeitszeit. Entsprechend lassen sich auch Beta- und Alpha-Strahler als Schnellmethode aus biologischem Material abtrennen und anschließend messen.

3. 303 g Fisch (eine ganze Makrele im Stück) (500 ml 30%iges H₂O-, 8 Stunden, 10 g Rückstand mit 32 % Glühverlust.)

4. 100 g Rindsleber (400 ml H₃O₃, 5 Stunden; 1,4 g Rückstand mit 14 % Glühverlust).

5. 155 g Kalbsknochen (500 ml H₃O , 16 Stunden, 56 g Rückstand mit 8 % Glühverlust).

6. Weißkohl (ein ganzer Kopf mit 1,856 kg) (im Ιο-Liter Becherglas; 1,7 Liter H₂O₃, 16 Stunden, 22 g Rückstand mit 27 % Glühverlust).

7. 50 g Trockenmilchpulver (500 ml H₂O-, 4 Stunden, 3,8 g Rückstand mit 28 % Glühverlust).

8. 50 g Kakao, entölt (400 ml H₃O₃, 5 Stunden, 6 g Rückstand mit 60 % Glühverlust).

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9. 50 g Heu (500 ml H₃O , 8 Stunden; 8,5 g Rückstand mit 6O % Glühverlust) ■ ■

10. 25 g Trockenblut (470 ml H₃O₃, 5 Stunden; 0,4 g Rückstand mit 31 % Glühverlust).

11. 160 g Urin (150 ml H₃O₃, 4-5 Stunden, 4 g Rest mit 46 % Glühverlust).

12. 77 g Faeces (300 ml H₃O₃, 5 Stunden, 3 g Rückstand mit 18 % Glühverlust).

13. 50 g Uolle (700 ml H₃O₃, 20 Stunden; 5,5 g Rückstand mit 88 % Glühverlust).

14. 45 g Filterpapier (Cellulose)(1,2 Liter H O₃, 16 Stunden; 4,7 g Rückstand mit 53 % Glühverlust).

15. 50 g Kationenaustauscher Dowex 50 WX 1 (50-100 mesh) mit

+2
Fe -Ionen beladen. Nach Zugabe von 100 ml 30%igem H₃O₃ bei

20°C innerhalb einer halben Minute Auflösung zu einer klaren braunen Flüssigkeit.

Dabei sind Fleisch, Mehl, Faeces, Urin, tierisches Fett und Ionenaustauscherharze besonders gut aufschließbar. Enthält die aufzuschließende Probe bereits den Katalysator, so erübrigt sich dessen vorherige Zugabe, z.B. Fleisch, Faeces oder mit Fe beladenen Kationenaustauscl
ohne störendes Schäumen eindampfen.

mit Fe beladenen Kationenaustauscherharzen. Urin läßt sich

•Für die Beseitigung biologischer Abfälle hat die erfindungsgemäße Methode den großen Vorteil, daß z.B. Tierkadaver ohne Geruchebelästigung durch Säuredämpfe oder Verbrennungsgase in einem nor malen Abzug, sogar im offenen Becherglas, bei Temperaturen von

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^< 1OO°C unter nur geringer Aufsicht innerhalb kurzer Zeit naßverascht werden können. Der Kostenaufwand für Heizung und technisches Wasserstoffperoxid ist relativ gering. Dabei wird allerdings Fett nur langsam aufgeschlossen. Jedoch kann der Fettrückstand rasch mit wässriger oder alkoholischer Lauge verseift und durch Zugabe von Kalk (Kalziumoxid) in die entsprechende Kalkseife überführt werden. Diese erstarrt zu einem festen, schwarzen Block, der leicht in Polyäthylen eingeschweißt und in Stahlfässern bei relativ geringem Raumbedarf eingelagert werden kann.

Als Beispiel wurden die Kadaver von etwa 120 Mäusen (2,1 kg Frischgewicht) im offenen 10-Liter-Becherglas mit 3 Litern 30%igem Wasserstoffperoxid in 16 Stunden bei nur gelegentlicher Aufsicht bis zu einem Rückstand von 700 g verfestigter Kalkseife (Volumen 450 ml) aufgearbeitet. Das entspricht einer Volumenverringerung etwa um den Faktor 10. Die Kosten für Wasserstoffperoxid betrugen dabei 3,60 DM, entsprechend etwa 1,70 DM/kg.-In ähnlicher Weise konnte der Kadaver einer Ratte mit 350 g Lebendgewicht in 5 Arbeitsstunden mit 550 ml 30%igem Wasserstoffperoxid zu einem Rückstand von 110 g Kalkseife (Volumen 60 ecm) verarbeitet werden. Die Perhydrolkosten betrugen hier 0,66 DM, entsprechend etwa 1,88 DM/kg. Zu den geringen Kosten für Wasserstoffperoxid kommen noch Kosten für Heizung, Rühren und Arbeitszeit.

Diese Arbeitsgänge lassen sich nach kurzer Einarbeitung auch von ungeübtem Personal ausführen.

Die Anwendung der neuen Aufschluß- Und Veraschungsmethode mit

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H₂O₂/Fe bedeutet also auch für die Beseitigung radioaktiver Tierkadaver einen erheblichen Fortschritt.

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Claims (1)

1. GESELLSCHAFT FÜR Karlsruhe, den 10.6.1968

   STRAHLENFORSCHUNG MBH PTA 68/22 Gb/jd

   Patentansprüche t

   Verfahren zum Aufschluß und/oder Naßveraschung organischer Substanzen, wie z.B. Fleisch, Fisch, Mehl, Knochen« Gemüse, Milchpulver, Cellulose, Ionenaustauscherharz etc., dadurch gekennzeichnet, daß die Substanzen in wässriger Suspension dem Angriff von Radikalen ·0Η, 'HO₂, oder *Cl u. dergl. ausgesetzt werden. "

   Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Substanzen H₀O₀, vorzugsweise in Form einer 30%igen oder verdünnteren Lösung, in Gegenwart eines Katalysators (z.B. Metallionen wie Fe ,Cu , Ce o
   wie z.B. Katalase) zugesetzt wird.

   g
   Metallionen wie Fe ,Cu , Ce oder geeignete Fermente

   3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch den Zusatz von Eisen(II)- oder Eisen(III)-Salz als Katalysator.

   4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsprodukte nach dem Abklingen der Hauptreaktion mindestens teilweise eingedampft werden.

   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß stufenweise jeweils nach dem Abklingen der Hauptreaktion die Reaktionsprodukte eingedampft und anschließend dem Rückstand erneut Radxkallieferanten, insbesondere H₂O₂, bis zur vollständigen Veraschung der Substanzen zugesetzt werden.

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   6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die eingedampften Substanzen nachgeglüht werden.

   7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei Substanzen, welche den Katalysator bereits als natürlichen Bestandteil enthalten (z.B. Eisen in Fleisch, Fermente u.a. Faeces), entsprechend geringe, gegebenenfalls auch überhaupt keineKatalysatorstoffezugesetzt werden.

   8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bestimmenden Bestandteile zu einem möglichst frühen Zeitpunkt, z.B. nach Beendigung der Hauptreaktion,aus der Aufschlußlösung abgetrennt werden.

   9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Naßveraschung störendesl Fett vor, während oder nach
   der Hauptreaktion, z.B. durch Extraktion mit organischen
   Lösungsmitteln oder Separation_/abgetrennt wird.

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