John van der schaaf benoemd tot professor tu/e

leerstoel Intensified Chemical Reactors – faculteit ‘Chemical Engineering and Chemistry’

John van der Schaaf is werkzaam bij de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) in de onderzoeksmaatschap ‘Sustainable Process Engineering’. Hij is een van de drijvende krachten achter de ontwikkeling van relatief kleine reactoren waarin zeer efficiënt processen kunnen verlopen. Als universitair hoofddocent gaf hij sinds drie jaar al leiding aan de onderzoeksgroep Chemical Reactor Engineering. Een functie die hij blijft vervullen maar sinds 1 april 2020 officieel als professor van zijn eigen stoel ‘Intensified Chemical Reactors'. “Een stukje erkenning”, geeft hij aan. “En uiteraard nog meer mogelijkheden om naar eigen inzicht dóór te pakken om de voordelen van de procesintensificatie zo snel mogelijk beschikbaar te stellen aan de samenleving.”

Chemical reactor engineering

Na zijn postdoc en TNO-consultancy (zie kader) volgde John zijn hart en sloot zich aan bij de onderzoeksgroep ‘Chemical Reactor Engineering van Jaap Schouten’. “Een goede stap”, weet hij inmiddels. “Hier werd namelijk onder meer onderzoek gedaan naar microreactoren. Een onderzoeksgebied dat toen – we praten over zeventien jaar geleden – nog in de kinderschoenen stond. De ideeën erachter spraken me echter aan omdat het hier gaat om relatief kleine reactoren waar processen razendsnel kunnen verlopen. De productie­capaciteit hiervan was echter laag. In 2001 bedacht ik het concept van ‘spinning disc’ technologie die dermate hoge G-krachten en afschuiving tot stand brengt, dat zelfs de moeilijkste substanties kunnen mengen en reageren. Daarnaast wordt ook de warmteoverdracht met een factor 1.000 of meer hoger, waardoor de warmte die door reactie vrijkomt ook efficiënt kan worden afgevoerd en het proces gecontroleerd en veilig kan worden uitgevoerd.”

“Ik zie een reactor voor me waarvoor geldt: ‘One size fits all’. Deze produceren ter plekke precies wat je nodig hebt en zijn in staat om direct mee te bewegen met een veranderende vraag of markt” 
– John van der Schaaf

 

One size fits all

Het zal duidelijk zijn dat spinning disc reactoren relatief veel energie gebruiken om het beoogde effect te bereiken. “Daar staat tegenover dat de output per tijdseenheid ook relatief hoog is”, geeft hij aan. “Verder verlopen reacties wel onder extreme condities, behorende bij procesintensificatie, maar door de kleine dimensies kun je deze uitstekend beheersen. Vanwege het kleine volume zijn deze reactoren ook minder riskant, bij een calamiteit komen minder gevaarlijke stoffen vrij. Bovendien vereist een continue operatie nauwelijks menselijk handelen.”

Door de compactheid van de reactoren en de veilige werking, ziet John van der Schaaf een brede toekomst voor geïntensiveerde reactoren als lokale productiefaciliteit. “Ik zie een reactor voor me waarvoor geldt: ‘One size fits all’. Dit betekent dat je dezelfde reactor kunt gebruiken om uiteenlopende producten te maken; precies datgene waar op dat moment behoefte aan is. Je kunt dan duurzaam aan de gang met de grondstoffen die in een bepaalde regio of op een specifieke locatie aanwezig zijn. Je hebt geen grote fabrieken nodig waarin één specifieke stof wordt gemaakt en die afnemers volledig afhankelijk maakt van deze ene locatie. Natuurlijk profiteer je bij deze fabrieken ook van schaalvoordelen, maar die wegen uiteindelijk niet op tegen de flexibiliteit en de snelheid van kleinschaligere processen. Zij produceren ter plekke precies wat je nodig hebt en zijn in staat om direct mee te bewegen met een veranderende vraag of markt. Omdat de reactoren bovendien goedkoop en nagenoeg onverwoestbaar zijn, is de afschrijving te verwaarlozen en de terugverdientijd erg kort.”

Het werkt té goed

Uiteraard gaat John niet voorbij aan de beperkingen van een spinning disc reactor. Zo voorziet hij problemen voor OEM-ers die deze reactoren maken. Wanneer de reactoren namelijk eenmaal bij de gebruiker staan, is deze waarschijnlijk niet zomaar in staat om de reactor in te zetten voor andere processen dan waarvoor hij oorspronkelijk is aangeschaft. Er is ook geen incentive vanuit de OEM-er om de reactor zo duurzaam mogelijk te maken. John ziet dan ook meer in het leasen van de reactoren zodat de OEM-er de bijbehorende expertise altijd bij de klant beschikbaar kan stellen en bedrijfszekerheid kan garanderen. “Verder is er een praktisch probleem om de reactoren te testen en door te ontwikkelen. Juist door de snelheid waarmee de processen verlopen heb je ook in een laboratorium relatief grote hoeveelheden grondstoffen nodig en dat is zeker een uitdaging wanneer deze kostbaar zijn. Bijvoorbeeld grondstoffen voor de productie van medicijnen. Maar ook wanneer het gaat om minder kostbare grondstoffen zoals zonnebloemolie waarmee we nu testen tot 1 liter per minuut. Waar láát je een vrachtlading vol?“

“Het is als wetenschapper het mooiste dat je kan overkomen: starten met een visie en op een gegeven moment een punt bereiken dat het eindresultaat marktrijp wordt en bovendien een bijdrage levert aan een betere wereld!” – John van der Schaaf, prof. TU/e – leerstoel Intensified Chemical Reactors

Eerste successen

Een van de eerste succesvolle toepassingen van de spinning disc reactoren werd bereikt in een samenwerking met Akzo Nobel die geïnteresseerd was in de procesintensificatie van de electrolytische productie van chloor en alkali. Het proces van elektrolyse bleek met spinning disc technologie zodanig veel beter te verlopen dat Akzo ook naar toepassingen buiten chlooralkali ging kijken.

John: “Het zijn deze successen en een rotsvast vertrouwen in de mogelijkheden van geïntensiveerde reactoren die tot twaalf onderzoeksprojecten hebben geleid naar beter begrip van de technologie en de grenzen van toepassing in de praktijk. Het is wat dat betreft als wetenschapper natuurlijk ook het mooiste dat je kan overkomen: starten met een visie en op een gegeven moment een punt bereiken dat het eindresultaat marktrijp wordt en bovendien een bijdrage levert aan een betere wereld!”

Wie is John van der Schaaf?

John van der Schaaf startte zijn ‘chemische loopbaan’ bij de TU Delft waar hij in 1993 afstudeerde aan de faculteit Chemical Engineer­ing. In 2002 promoveerde hij bij dezelfde universiteit op het onderwerp ‘Dynamics of Gas-Solids Fluidized Beds - analysis of pressure fluctuations'. “Een zeer interessant onderwerp, maar ook erg theoretisch”, weet John. “Omdat ik meer probleemgericht bezig wilde zijn, vertrok ik naar de TU Eindhoven voor een postdoc gecombineerd met een TNO-consultancy voor de Nederlandse glasindustrie. Hier werkte ik in de onderzoeksgroep van professor Beerkens aan het theoretisch beschrijven van de vorming van schuim in glasovens. Deze kennisontwikkeling is vervolgens door TNO geïmplementeerd in software die deze schuimontwikkeling kan voorspellen. Daarna stond ik voor een nieuwe keuze: bleef ik verbonden als docent aan de TU/e voor wetenschappelijk onderzoek of zou ik het bedrijfsleven in gaan?”

Vertaling naar het onderwijs

Het innovatieve vermogen dat John tentoonspreidt in zijn onderzoeksgroep, gebruikt hij ook om zijn lessen vorm te geven. John: “Ik geef verschillende vakken waaronder de basis van ‘chemical reactor engineering’. Een hoofdvak natuurlijk met een hoog stressgehalte omdat er voorheen maar één tussentoets was die je niet mocht herkansen. Om de studenten te helpen goed door de stof heen te komen, pas ik ‘blended’ learning toe.”

Bij blended learning kunnen studenten zich volledig digitaal en volledig zelfstandig de stof eigen maken. Op vijf momenten maken zij een tussentoets die bepaalt of de betreffende student verder mag met de stof. “Wat dat betreft waren we hier al vér voor corona bezig met online lesgeven. Dit werkt erg goed omdat studenten direct terugkoppeling krijgen wanneer uit een tussentoets blijkt dat ze bepaalde onderdelen nog niet beheersen. Daarbij hebben zij altijd de mogelijkheden om met mij in contact te treden om vragen te stellen maar de praktijk leert dat ze veelal eerst met elkaar overleggen en pas vragen stellen wanneer ze er gezamenlijk niet uitkomen. Ik denk dat het succes van deze methode samenhangt met het feit dat je studenten in feite het eigenaarschap van hun eigen studie geeft. Als je de grafieken bekijkt die aangeven hoeveel leerlingen op welk moment een tussentoets maken, dan zie je een behoorlijk verspreid beeld. 25% van de studenten lopen voor, 50% zit op het klassieke gemiddelde studieschema en 25% loopt achter. Je merkt dat studenten elkaar onderling stimuleren door aan te geven of ze bepaalde tussentoetsen al gehaald hebben, er is een sterke gemeenschapsvorming op het forum waar studenten elkaar helpen. Zeker in de tijd van COVID-19 is deze manier van onderwijs zeer geschikt gebleken voor buitenlandse studenten die in die periode terugkeerden naar hun eigen land en vanaf die locaties gewoon verder konden met studeren.”

Samenwerken

Sinds zijn benoeming als professor verandert er praktisch gezien niet veel voor John. “Het is vooral een erkenning van het werk dat ik de afgelopen jaren heb gedaan. Verder is het onderzoek op het vlak van geïntensiveerde reactoren nu volledig mijn verantwoordelijkheid met de leerstoel Intensified Chemical Reactors.”

Praktisch gezien gaat hij door waarmee hij bezig was: het verbeteren van geïntensiveerde reactoren en processen en daarbij zoveel mogelijk samenwerken met andere partijen. eRefinery uit Delft bijvoorbeeld waar wetenschappers en studenten zich onder andere bezig houden met de elektrochemische omzetting van CO2 naar brandstof of chemicaliën, en omzetting van biomassa naar chemische bouwstenen met Universiteit Maastricht en Chemelot InSciTe. Maar vooral ook samenwerking met het bedrijfsleven. John: “Chemische technologie in het algemeen en geïntensiveerde reactoren in het bijzonder kunnen het (deel)antwoord zijn op uiteenlopende vraagstukken die te maken hebben met de duurzame productie van energie, chemicaliën, de wereldwijde voedselproblematiek, het verwerken van afval tot grondstoffen enzovoort. Zo voert bijvoorbeeld de horeca jaarlijks grote hoeveelheden frituurvet en -olie af dat niet meer geschikt is om in te frituren maar na behandeling mogelijk wel een grondstof is voor andere doeleinden, bijvoorbeeld surfactanten. En zo zijn er nog vele vraagstukken die beantwoord kunnen worden met de inzet van microreactoren. We streven hierbij naar projecten van een jaar omdat je hiermee meer onderzoeksvragen kunt behandelen maar ook omdat dit financieel voor bedrijven beter is te behappen. Vragen of voorstellen? Ik hoor ze graag!”