De troeven van orde en structuur voor scheidingsprocessen

In de chemische industrie geldt scheiding als een cruciale fase in het productieproces en de kwaliteitscontrole. Scheidingsprocessen spelen nu al een sleutelrol in de biowetenschappen en met de groeiende interesse in schonere productieprocessen, duurzaam en rationeel gebruik van grondstoffen en energie, vermindering van CO2-uitstoot etc. worden scheidingstechnieken alleen maar belangrijker. VUB-onderzoeksgroep Chemical Engineering and Industrial Chemistry (CHIS) onderzoekt scheidingstechnologie en katalyse door nieuwe mogelijkheden te benutten in de materiaalkunde en nanotechnologie. Hun onderzoek gaat van het moleculaire niveau tot veel grootschaliger, met voornaamste specialisatiedomeinen het verbeteren van scheidingskolommen voor vloeistofchromatografie (incl. zelfstructurerende materialen), microreactortechnologie, en adsorptieve scheidingen met toepassingen in de bulkchemie. Gemeenschappelijk is de onderzoeksvraag ‘Hoe kunnen orde en structuur voordelen bieden voor scheidingsprocessen?’.

CHIS dankt zijn internationale reputatie vooral aan het feit dat ze innovatieve oplossingen ontwikkelen om de kloof tussen de moleculaire schaal en de micro- tot millimeterschaal te overbruggen in chemische processen. Ze willen één van Europa’s leidende expertisecentra worden in scheidingstechnologie door nieuwe tools en processen te ontwikkelen die ons voorbereiden op het ‘green chemistry’-tijdperk.

 

Vloeistofchromatografie

Een scheidingstechniek op heel kleine of analytische schaal is vloeistofchromatografie, waarbij een mengsel met verschillende chemische componenten in een draagvloeistof wordt gebracht dat door een scheidingskolom stroomt. De samenstellende chemische componenten in het mengsel worden van elkaar gescheiden omdat ze elk verschillende affiniteiten voor het materiaal in de scheidingskolom en voor de draagvloeistof vertonen. Vloeistofchromatografie kent een waaier aan toepassingen: ontleding van bloed- of urinestalen, ontleding van benzine, controle van geneesmiddelen op onzuiverheden… en er komen dagelijks nieuwe bij. Deze scheidingstechniek slaagt er echter niet in om alle problemen van vandaag (bv. nieuwe klinische diagnoses die nieuwe therapieën vereisen) op te lossen. CHIS-onderzoekers willen daarom steeds efficiëntere analytische chromatografiesystemen ontwikkelen waarbij ze de nieuwste scheidingstechnieken gebruiken: ultrahogedruk vloeistofchromatografie, hogetemperatuur vloeistofchromatografie en multidimensionale chromatografie.

Grote controle over de structuur binnenin de scheidingskolom is van cruciaal belang: enkel zo kan je zeker zijn dat de stroming van je vloeistof zoals gewenst verloopt en je mengsel efficiënt gescheiden wordt. CHIS-onderzoekers bekijken de effecten van structuur op stroming via CFD (computational fluid dynamic) modelling studies.

 CFD simulaties

Figuur 1: CFD simulaties van vloeistofstromingen doorheen een scheidingskolom

Ze gebruiken de inzichten vervolgens om verbeterde scheidingskolommen te ontwikkelen. Ze ontwerpen ook verbeterde chromatografiesystemen, o.a. door smart decision routes te integreren in het zoeken naar een optimale scheidingsmethode, of door controle van temperatuurseffecten. Daarnaast breiden ze hun toepassingen uit naar de biowetenschappen, waarbij bv. revolutionaire self-structuring nanomaterialen en structuren voor vloeistofchromatografie worden ontworpen en ontwikkeld.

 

Ontwikkeling van monolithische nanomaterialen in capillaire kolommen en chips

Al in de jaren 50 toonden de Nobelprijslaureaten Martin en Synge de voordelen van monolithische materialen voor chromatografiescheidingen aan. Polymere monolieten worden vervaardigd uit een vloeistof van identieke zelfstructurerende moleculen, wat hun vervaardiging ter plaatse toelaat in vrijwel elk formaat, zoals in smalle kolommetjes (capillairen) en microfluidische chips. Deze nanomaterialen zijn opgebouwd uit onderling verbonden microglobulen en macroporen (doorstroomporiën):

Dwarsdoorsnede van een capillaire scheidingskolom 

Figuur 2: Dwarsdoorsnede van capillaire scheidingskolom (200µm): monolieten opgebouwd uit microglobules en macroporiën.

De scheidingsefficiëntie hangt sterk af van de grootte van de globulen en macroporen. De CHIS-onderzoekers hopen die scheidingsefficiëntie in vloeistofchromatografie te verhogen met één grootorde door monolithische nanomaterialen te ontwikkelen met geoptimaliseerde doorlaatbare structuur in capillaire kolommen en chips. Monolithische nanomaterialen worden toegepast in biowetenschappelijk onderzoek om complexe mengsels van peptiden (moleculen bestaande uit aminozuren) en eiwitten te scheiden. De monolithische kolommaterialen leveren ultrahoge scheidingsefficiëntie, waarbij ze het risico verminderen dat interessante laag-aanwezige peptiden/proteïnes op hetzelfde moment als de overvloedig aanwezige soorten uit de scheidingskolom stroomt. Dit laat een betere identificatie en verbeterde kwantificering van die interessante peptiden/proteïnen toe, wat de technologie geschikt maakt voor de vroege detectie van ziektes (biomarkers).

Daarnaast wordt een nieuw apparaat ontwikkeld voor de scheiding van de toekomst: 3D-chromatografie. Complexe scheidingsproblemen vereisen meerdimensionale scheidingen met meer scheidingskracht. Meerdimensionale chromatografie kan duizenden componenten scheiden binnen een beperkte tijd.

 

Microreactortechnologie

Onder de jonge term microreactortechnologie verstaan we de ontwikkeling en toepassing van microgestructureerde reactoren (‘microreactoren’) om bv. chemische reacties, fysische transformaties, menging, scheiding, verwarming, afkoeling, etc…. te bewerkstelligen. Als chemische reacties en scheidingen worden doorgevoerd op micro- of millimeterschaal, valt het industrieel proces veel beter te controleren en zo ook te intensifiëren. Zowel door de uitvoering van praktische testen op experimentele opstellingen, als door de simulatie van stromingsprofielen met modeleringssoftware, ontwikkelen en maken de CHIS-onderzoekers prototypes om allerhande processtappen uit te voeren. Deze worden dan toegepast in de fijnchemie industrie waardoor processen veiliger, efficienter, goedkoper en milieuvriendelijker worden. Soms is het zelfs mogelijk om chemische reacties en scheidingen uit te voeren die voordien onmogelijk waren met de traditionele reactortechnologie!

 Prototype van een multi-fase microreactor

Figuur 3: Prototype van een multi-fase microreactor

 

Adsorptieve scheidingen

Adsorptietechnologie heeft toepassingen in vele processen op industriële schaal (petrochemie), maar het principe berust eveneens op lokale orde en omsluiting op moleculair niveau. Voor een scheiding op basis van adsorptie worden dus opnieuw heel gestructureerde materialen gebruikt die in een grote scheidingskolom gepakt worden. Deze materialen worden adsorbenten genoemd en zijn bijvoorbeeld een van de talrijk beschikbare zeolieten of MOF’s. Heel vaak berust het scheidingsprincipe op de verschillen in de interactie tussen de te scheiden molecules en het adsorbent. Deze interacties worden onder andere bepaald door de vorm en eigenschappen van de molecules, de eigenschappen van het adsorbent en de manier waarop het adsorbent de molecule omsluit (= ‘confinement effect’).

 Adsorptie van kleine alcoholen

Figuur 4: Adsorptie van kleine alcoholen in de poriën van de zeoliet Chabaziet en exclusie van langere alcoholen

De manier waarop molecule en materiaal interageren, bepaalt welke moleculen langer in het adsorbentmateriaal blijven en welke gemakkelijker doorstromen. Dit scheidingsprincipe kan zo ver doorgevoerd worden dat sommige gas- of vloeistofmolecules wel in het scheidingsmateriaal kunnen, en andere niet. Maar voor de meest uitdagende scheidingen die nodig zijn in de petrochemie berust de scheiding op heel subtiele verschillen in interactie die enkel te bekomen zijn door de controle van procesomstandigheden (temperatuur, druk ...) en natuurlijk de heel gecontroleerde structuur van het adsorbentmateriaal.

 

Contact CHIS

Prof. dr. ir. Gert Desmet, VUB-Brussels Engineering, Sciences & Humanities Campus, lokaal 5G213, 02 629 3250, gedesmet@vub.ac.be
Prof. dr. Sebastiaan Eeltink, VUB-Brussels Engineering, Sciences & Humanities Campus, lokaal 4G204, 02 629 3324, seeltink@vub.ac.be

Onderzoek aan de VUB

Zoek hier projecten, publicaties, onderzoekers, teams,...