De bulkchemie gebruikt al jaren continuous manufacturing, maar de laatste paar jaar ontdekken ook de farma en de fijnchemiesector de voordelen van flowreactoren. Hoe ver staan de ontwikkelingen?

‘Bij een batchproces doe je alle ingrediënten bij elkaar, start je de reactie en ga je iets anders doen. Tussentijds, even na de lunch of desnoods de volgende dag, check je de voortgang’, illustreert Kaspar Koch, managing director van FutureChemistry, een bedrijf dat flow-microreactoren verkoopt. ‘In een flowproces daarentegen voert een pompsysteem alle chemicaliën continu aan in een flowreactor. Er is dus ook constante output.’

Flowreactoren zijn er in alle vormen en maten. Door de grootste kun je bij wijze van spreken heenlopen, die zijn al vele jaren te vinden in de Botlek in Rotterdam en andere bulkindustrieën. Dat heet continuous manufacturing. Maar de kleinere soorten, flow-microreactoren ter grootte van een USB-stick tot een bloempot, vinden de laatste tijd hun weg naar specialistische sectoren, namelijk de farmaceutische en de fijnchemielaboratoria- en industrie. Want ook die sectoren beginnen de vele voordelen van de flowchemie, een andere term voor een chemisch continuproces, in te zien.

Grotere performance

Een belangrijk pluspunt van een flowreactor is zijn efficiëntie. Een producent wil de kostprijs zo laag mogelijk houden. Dus moet een investering in een procesverbetering ook zo goedkoop mogelijk zijn. Bij procesverbetering gold altijd de economy of scale: maak je een productieonderdeel tweemaal zo groot, dan wordt dat minder dan tweemaal zo duur. En dus werd alles steeds groter.

‘3D-metaal-printen maakt de productie goedkoper’

Maar een tweemaal zo groot productieonderdeel bleek niet tweemaal zoveel te produceren. ‘Microreactoren halen een veel grotere performance’, zegt Raf Reintjens, manager procesintensificatie bij DSM Innosyn Route Scouting Services. Op dit moment brengt hij flowreactoren naar de industrie. ‘Het aantal kilogram dat per minuut per reactor wordt gemaakt, gaat veel harder omhoog bij opschaling dan de kosten van de reactor omhooggaan. Dat komt doordat bij opschaling de vele dunne kanaaltjes in een reactor een enorme toename van de oppervlakte-volumeverhouding veroorzaken.’

Een ander voordeel van de flowchemie is dat je reacties veel veiliger kunt uitvoeren. Reintjens’ collega en directeur van DSM Innosyn Route Scouting Services André de Vries: ‘Veel reacties in de farma- en fijnchemie-industrie zijn exotherm en sommige intermediairen zijn explosief. In flowreactoren krijg je door de continue stroom en de grote oppervlak-volumeverhouding geen ophopingen van gevaarlijk materiaal.’

Koch voegt daaraan toe: ‘Je kunt goed volgen hoe het reactieproces verloopt en hebt daardoor veel controle over de reactie en het eindproduct. Ook kent een flowproces minder bijproducten, omdat de warmte efficiënter wordt afgevoerd.’

Radioactief en nano

Naast exotherme reacties is flowchemie ook geschikt om radioactieve stoffen te maken, stelt Koch. ‘Wij hebben een standaardsysteem geïntroduceerd, waarbij je geautomatiseerd isotopen samenvoegt en veilig laat reageren tot bijvoorbeeld PET-tracers voor diagnostische doeleinden. Een andere applicatie van flowreactoren is nanodeeltjes produceren. Omdat je een heel gecontroleerd continu-systeem hebt, krijg je toegang tot heel specifieke groottes van nanokristallen, die je anders niet kunt maken.’

'Om bij enzymen het flowconcept al bij voorbaat afschieten, vind ik zonde'

Bij flowchemie denken mensen misschien alleen aan snelle reacties., maar dat is onterecht. ‘De temperatuur in een flowreactor kun je zeker 100 °C hoger zetten dan in een batchreactor. Zo wordt de reactie duizendmaal zo snel’, stelt Reintjens. ‘Toch werkt die truc niet altijd’, zegt De Vries. ‘Laat reacties die uren nodig hebben en waarbij de temperatuur absoluut niet omhoog kan, zoals bij bepaalde enzymreacties, alsjeblieft in batch.’ Daar is Koch het niet helemaal mee eens: ‘Bij enzymen wordt het inderdaad lastig, maar het flowconcept al bij voorbaat afschieten, vind ik zonde. Ik daag iedereen uit er in ieder geval over na te denken.’

3D-printen

Een van de obstakels om de flowtechnologie te implementeren in andere industrieën dan de bulkchemie was de productie van de reactoren zelf. ‘Het bleek vrij duur om dit soort kleine reactorbuisjes te maken. In sommige niches binnen de farmaceutische en de fijnchemie-industrie lukt het wel, maar om de flowchemie breder te kunnen toepassen, gingen wij op zoek naar manieren waarop de productie goedkoper kan. Dat bleek 3D-metaalprinten te zijn’, zegt Reintjens.

3D-metaalprinten geeft de ontwerper ongelimiteerde vrijheid in het ontwerp van reactoren. Dat is handig om allerlei features aan te brengen, zoals versmallingen of spiraalvormen. ‘Bovendien ga je heel efficiënt om met metaal’, vertelt De Vries. ‘Je gebruikt alleen metaalpoeder voor de reactor. Wat overblijft, gebruik je gewoon voor de volgende reactor.’ 3D-printen is daardoor relatief goedkoop. Sterker nog, je kunt zelfs microreactoren laten printen in tantaal, een corrosiebestendig metaal dat nu haast onbetaalbaar is in zowel flow- als batchprocessen.

De doelgroep is de ‘middenindustrie’

Op dit moment werkt DSM samen met distributeur Chemtrix in Geleen en printproducent Melotte in het Vlaamse Zonhoven om de 3D-geprinte metaalflowreactoren naar de industrie te brengen. Het formaat is nu nog beperkt tot 30 bij 30 cm, goed voor een productie van 1 tot 10 kiloton per jaar. De doelgroep van de 3D-geprinte flowreactoren is dan ook de ‘middenindustrie’: de sectoren tussen de specialistische farma- en fijnchemie (productie van minder dan 1 kiloton per jaar) en de bulkindustrie.

Maar juist dit middensegment is nog niet heel happig om 3D-geprinte flowreactoren in te zetten. ‘De productieomgeving ziet veel liever een groot metaal stuk, dan onze ietwat fragiel uitziende reactoren. Dat is een groot misverstand; ze zijn sterker dan je denkt. Zo probeerden we een microreactor op te blazen en zelfs bij 1.300 bar gebeurde er niets’, zegt De Vries. Maar zo’n grote druk is eigenlijk nooit nodig; de meeste flowprocessen gaan tot 50 bar.

Koch ziet zeker mogelijkheden voor stalen reactoren. ‘En met 3D-printen kun je bepaalde elementen toevoegen die je op andere wijze moeilijk of niet kunt uitvoeren. Nu is nog de vraag of het goedkoper kan dan met de huidige technieken.’

Toenemende vraag

De vraag naar flowreactoren neemt steeds meer toe, merkt Koch. ‘Tijdens de oprichting van FutureChemistry in 2007 was er vooral nieuwsgierigheid: wat is flowchemie nu precies en wat kan je ermee? Maar nu merken we dat allerlei soorten bedrijven, groot en klein, met concrete problemen naar ons toekomen en de oplossing serieus in flowchemie zoeken.’

‘Het aandeel flowprocessen zal de komende tijd zeker stijgen’

De Vries ziet eveneens de opmars van de flowchemie in het algemeen. ‘Er zijn heel veel initiatieven. Ook van controlerende overheidsinstanties als de FDA en de EMA om middels flowchemie meer en betere medicijnen en voedingstoffen op de markt te brengen. Niet alle reactiestappen zullen in flow kunnen, maar het aandeel flowprocessen in de industrie zal de komende tijd zeker stijgen. Nu is dat minder dan 1 %, maar dat zal in 10 jaar tijd naar 10 tot 20 % gaan.’