3D-geprinte microreactoren faciliteren continue productie

Cryogene organometaalchemie fluitje van cent met CryoFlowSkid

InnoSyn B.V. is een jonge, onafhankelijke contract R&D-organisatie met circa 60 medewerkers, gelokaliseerd op de Brightlands Chemelot Campus in Geleen. De onderneming ontstond pas medio 2017 als gevolg van een herstructurering van de R&D-activiteiten binnen Royal DSM. Toch beschikt InnoSyn al over een gedegen track record van ‘high end’ industriële proces R&D-resultaten. Dit succes is gebaseerd op de mensen, competenties en infrastructuur voortkomende uit het voormalige DSM Innovative Synthesis.

Breed kennisveld

Met haar kerncompetenties (organische chemie, biokatalyse, chemokatalyse, flowchemie, fotochemie, kristallisatie) bestrijkt InnoSyn een breed kennisveld. Haar bezetting bestaat uit een team gepassioneerde chemici en technologen met jarenlange ervaring in de ontwikkeling van nieuwe en/of het verbeteren van bestaande processen. De ondersteuning die InnoSyn biedt, strekt zich over de ganse lengte van de innovatietrechter, van ideeëngeneratie tot en met de uiteindelijke implementatie in de fabriek. Ter ondersteuning van de procesontwikkeling en opschaling staat een state-of-the-art pilot-plantfaciliteit ter beschikking, waar ook productie van precommerciële hoeveelheden mogelijk is.

De flowchemiegroep van InnoSyn is reeds 15 jaar actief in het ontwikkelen en toepassen van microreactortechnologie, een van de paradepaardjes binnen procesintensificatie

De flowchemiegroep van InnoSyn is reeds 15 jaar actief in het ontwikkelen en toepassen van microreactortechnologie, een van de paradepaardjes binnen procesintensificatie, gekenmerkt door extreem verbeterd stof- en warmtetransport. Deze eigenschappen maken de microreactor bij uitstek geschikt voor intrinsiek snelle en exotherme chemie, die middels conventionele reactortechnologie lastig of niet te beheersen zijn.

In de initiële hypephase, waarin de wereld overspoeld werd met wetenschappelijke publicaties die de mogelijkheden en kansen van deze reactoren aan het licht brachten, worstelde InnoSyn met de vraag hoe deze nieuwe bevinding naar een voldoende technology readiness level gebracht kon worden teneinde toepassing in de procesindustrie mogelijk te maken. De grootste horde op deze weg was niet de onwil van de plantmanager om de nieuwe technologie te omarmen, maar het tekortschieten van de kosten/prestatieverhouding en de robuustheid van de nieuwkomer. Nieuwe technologie moet haar bestaansrecht verdienen in het technologie-ecosysteem; ze moet zich meten met de best-in-class bestaande technologische oplossing. Deze billijke vergelijking werd zelden gezien in publicaties.

Early adaptor op zoek naar industriële reactoren

InnoSyn opereerde destijds als een early adopter van deze nieuwe technologie en was op zoek naar bedrijven die industriële reactoren konden leveren die een echte competitive edge waarmaakten. Al snel bleek dat het veel geroemde voordeel van de numbering-up strategy eigenlijk een groot nadeel vertegenwoordigde. De micrometer grote kanaaldiameters waaraan de technologie haar naam dankte, bleken tevens de achilleshiel te zijn op weg naar commercialisatie. Industriële productiecapaciteit vergde een astronomisch aantal parallelle microreactoren, met als gevolg hoge fabricagekosten en onpraktische manifoldingproblemen. InnoSyns experts stonden voor een dilemma: de werking van de technologie berustte op de micrometerdimensie, maar de maakbaarheid werd hiermee de das omgedaan. Dat was een behoorlijke teleurstelling als je net op labschaal getuige was geweest van hun superieure werking. Maakbaarheid en prestatie bleken echter wel samen te kunnen gaan. Hoe was dat mogelijk?

Tussen laminaire en turbulente stroming

CFD-simulatie van het ontstaan van Dean-vortices in zigzagkanaal bij toenemend reynoldsgetal

Reactor performanceparameters voor 3D-geprinte microreactoren

Waar de stroming in een typische microreactor volledig laminair is, laat een millimeter breed kanaal toe om in het overgangsgebied tussen laminaire en turbulente stroming te opereren zonder in buitensporige drukval te stranden. Door de geometrie van het kanaal slim te kiezen, worden wervelingen (secondary flow) opgewekt die loodrecht op de stromingsrichting staan. Deze interne draaikolken strekken de laminaire vloeistoflaagjes uit, waardoor de fysische overdrachtsprocessen weer hun werk kunnen doen over micrometerafstanden. Toenemende stroomsnelheid (Reynolds) en kromming van het kanaal intensiveren dit fenomeen (Figuur 1). Deze millimeter brede kanalen deden in prestatie niet onder voor een ware microreactor (Figuur 2), terwijl hun dimensie de maakbaarheid en manifoldingproblematiek sterk ten goede kwam. Met de grotere dimensie kwam de stap naar een industriële toepassing dichterbij, maar we waren er nog niet. Deze kennissprong betekende voor ons de transitie van een gebruiker naar een reactorontwerper, maar hoe konden we ons ontwerpvoordeel verzilveren?

Welk constructiemateriaal?

Een basisaspect in de fabricage van elk apparaat is de keuze van het constructiemateriaal. Het materiaal moet functioneel zijn, voorzien in een lange, bestendige levensduur en de toepassing van economisch efficiënte maaktechnologieën niet belemmeren.

In de microreactorpublicatiegolf passeerden veel constructiematerialen de revue: glas, metaal, keramiek en zelfs kunststof, elk met hun eigen mix aan voor- en nadelen. De vraag welk materiaal nu het meest geschikt was, kon niet evident worden beantwoord. Er volgde een leercurvetraject, waarin InnoSyn verscheidene materialen beproefde en met verschillende firma’s samenwerkte met als doel het ontwerp naar een TRL 5/6-prototype op te schalen. Elk materiaaltype bracht specifieke maak- en bewerkingstechnieken met zich mee, die op hun beurt weer een uitwerking hadden op de fabricagekosten. We ontwikkelden een methode om de verschillende resultaten correct met elkaar te vergelijken. Gaandeweg begon metaal zich af te tekenen als favoriete constructiemateriaal.

Conventionele metaalbewerking vs. 3D-printen

Met conventionele metaalbewerking wordt het reactorkanaal gevormd door materiaal weg te nemen uit een metalen plaat, om vervolgens tot een reactor te komen door meerdere platen te stapelen en te verbinden. Deze aanpak is arbeidsintensief en verbruikt relatief veel materiaal per volume reactorkanaal, iets wat met name speelt als er behoefte is aan een kostbare corrosiebestendige legering. De komst van 3D-metaalprinten bracht een ware revolutie teweeg. De ontwikkeling van 3D-metaalprinten verloopt momenteel exponentieel en wordt gedreven door aerospace, automotive en medische industrie.

De toepassing in de chemische procesindustrie lift momenteel mee op deze trend. InnoSyn benut sinds 2010 Selective Laser Melting (SLM) als voorkeurmaaktechnologie vanwege de gunstige invloed op prestatie, kosten, functionaliteit en robuustheid. SLM mag met recht worden gezien als de enabling technology voor het realiseren van industriële microreactortoepassingen. De ongekende ontwerpvrijheid van SLM sluit perfect aan bij de behoefte aan complexe kanaalgeometrieën om de prestatie te verbeteren of functionaliteit te introduceren. SLM kenmerkt zich door een extreem laag materiaalverbruik. Je print immers alleen een relatief dunne wand om de beoogde kanaalgeometrie te omsluiten, waardoor het makkelijker wordt om dure corrosiebestendige metalen toe te passen. Tot slot liggen de fabricagekosten voor een dergelijk complex object beduidend lager in vergelijk met de conventionele fabricage.

Er zijn uiteraard ook nadelen. Zo heeft het oppervlak van een geprint object een zekere wandruwheid van Ra 5-10 μm die het schoonmaken lastiger maakt. Voor het printen van overhangende structuren is het ook noodzakelijk dat supports worden meegeprint. Na afloop worden deze supports verwijderd in de nabewerking.

Ontwikkeling van een flowskid

Process flow-diagram voor het CryoFlowSkid

Het mobiele CryoFlowSkid met PLC-besturingskast

De kritieke fase in de adoptie van een innovatie is het moment waar de early majority overtuigd moet worden van de meerwaarde. Deze groep is bereid de nieuwe technologie een kans te geven, maar heeft wel heel pragmatische eisen met betrekking tot de toepassing. We constateerden dat een geavanceerde microreactor vaak niet genoeg was. De gebruiker had behoefte aan een soepel lopende reactiestap en worstelde zelf vaak met het voorzien in de juiste randapparatuur en samenhang. Vergelijk de situatie met de IT-techneut, die zelf zijn computer uit componenten kan bouwen, versus de reguliere gebruiker, die gewoon behoefte heeft aan een werkende PC. Dit inzicht was de drijfveer achter de ontwikkeling van een flowskid (Figuur 3 en 4), waarin de microreactor weliswaar het hart vormt, maar waar alle essentiële periferie aanwezig is en zodanig met elkaar interacteert dat een soepel werkend systeem ontstaat. Een dergelijk systeem overtuigt vele malen makkelijker dan de losse reactormodule.

Cryogene organometaalchemie

InnoSyn koos cryogene organometaalchemie als eerste chemisch technologieplatform om deze innovatiegedachte te bewijzen. Het is een type chemie welke voornamelijk in de productie van geneesmiddelen wordt toegepast en waar batchgewijze uitvoering de industriële state-of-the-art is. De chemie kenmerkt zich door een opeenvolging van meerdere sterk exotherme reactiestappen met intrinsiek zeer snelle kinetiek en de behoefte aan zeer lage reactietemperatuur vanwege de instabiliteit van de tussenproducten.

Met een batchreactor worden zulke conversies uitgevoerd in fed-batch mode vanwege het limiterend koelvermogen. De warmteontwikkeling wordt gestuurd door de reagenstoevoer over een zekere tijd te spreiden. Gedurende de doseertijd, die enkele uren kan bedragen, wordt degradatie van het ontstane tussenproduct voorkomen door diep te koelen, soms wel tot -80 °C. Ondanks de lage temperatuur resulteert de urenlange doseertijd in selectiviteitsverlies. Het is overduidelijk dat een continue procesvoering met adequaat hoge koelcapaciteit hier grote voordelen zal bieden en zelfs bij hogere temperatuur kan opereren, waardoor de bijdrage van de kostbare diepkoeling afneemt. De microreactor beantwoordt perfect aan de noden van de reactie: snelle menging van reagentia, hoog koelvermogen, korte reactietijd.

Touchscreenbedieningspaneel van de PLC-besturingskast

De microreactormodules (Figuur 5) kunnen op maat worden ontworpen. Eindelijk wordt de reactor aangepast aan de chemie en niet andersom.

Transitie naar continue productie

Potentiële gebruikers van het CryoFlowSkid werden benaderd om de behoefte te peilen en een User Requirement Specification op te stellen. Daaruit bleek dat er een grote behoefte was aan een betrouwbaar, gemakkelijk te implementeren systeem om de transitie naar continue productie te faciliteren. Een systeem dat flexibel inzetbaar moet zijn in het brede veld van cryogene organometaalchemie: halogeen-Li-uitwisseling, arylboronic acidssynthese, Grignard-koppelingen enz. De capaciteitsvraag gaat uit naar pilotplantschaal ~3kg/u om het operating window vast te leggen en materiaal te maken voor klinische studies, om daarna verder op te schalen naar productie. InnoSyn heeft ruime labschaalervaring met het toepassen van microreactortechnologie voor dit type chemie en verwerkte deze kennis in het conceptueel ontwerp.
Voor de detailengineering en constructie werd een partner gevonden in het gerenommeerde De Dietrich Process Systems.

CryoFlowSkid

Deze samenwerking resulteerde in de ontwikkeling van het CryoFlowSkid, een pilotplantproductiesysteem dat alle vitale functionaliteiten herbergt die nodig zijn voor een robuuste, betrouwbare procesvoering van de microreactorconfiguratie.

• Het gehele systeem is compact uitgevoerd, zodat het in een drive-inzuurkast kan worden geplaatst. De besturingskast staat los en kan worden weggereden van het procesdeel.
• Het procesdeel is uitgevoerd in explosieklasse 2.
• Procesbesturing, data-acquisitie en safeguarding zijn geautomatiseerd (PLC).
• Bediening loopt via een overzichtelijk touchscreen (Figuur 6).
• De reagenstoevoer wordt gestuurd op massastroom middels coriolisflowsensoren en pulsatievrije tandradpompen.
• Het reactorsysteem is modulair van opzet, zodat het eenvoudig kan worden aangepast aan de betreffende chemie: aantal reactiestappen, gewenste verblijftijd, gewenste warmtetransport.
• Verschillende recepturen en protocollen kunnen in het besturingssysteem worden geladen.
• Alle gekoelde onderdelen bevinden zich in een geïsoleerde kamer die met droge stikstof wordt gespoeld om ijsafzetting te voorkomen.
• Druksensoren zijn flushmounted ingebouwd teneinde dood volume te voorkomen en zo het schoonspoelen te faciliteren.
• De drukval, over elke module in de reactorconfiguratie, wordt gemonitord als vroege alarmering voor het optreden van verstopping.
• De reactoren bevatten meerdere temperatuursensoren die in het reactiekanaal meten om zodoende het temperatuurprofiel te bepalen.
• De quenchreactie wordt eveneens continu uitgevoerd.
• Het besturingssysteem bewaakt het operating window en schakelt automatisch terug naar stand-by indien er verstoringen gedetecteerd worden. De productafvoer schakelt van de on-specopvang naar de waste-opvang.

Het CryoFlowSkid werd in november 2019 gepresenteerd op de CPhI in Frankfurt.