Scheiden tegen de stroom in

/strong>

Jensen (29) kreeg de Malcolm D. Lilly Award op een congres over biotechnologie in Denemarken. Het was een soort competitie onder jonge onderzoekers, die allemaal hun onderzoek en de impact daarvan op de chemie presenteerden. De trofee die bij de prijs hoort is een model van een fermentor, een vat waarin micro-organismen zoals bacteriën worden gekweekt. Van de stoffen in de fermentor maken bacteriën onder andere antibiotica. De trofee is toepasselijk want Jensens onderzoek ging over de processtap na de productie van de antibiotica.

Na de productie van antibiotica volgt het scheiden. Jensen: ,,Ze worden namelijk niet netjes apart van elkaar gemaakt maar in een grote soep.” Om de antibiotica in bijvoorbeeld medicijnen of voedingsmiddelen te kunnen gebruiken moeten de stoffen zuiver zijn en dus van elkaar gescheiden worden. Dit scheiden gebeurt door zogenaamde fine chemicals-bedrijven, de grondstoffenleveranciers voor onder andere de farmaceutische industrie.

Mengsel

De Noor Jensen volbracht zijn zoektocht naar een efficiëntere scheidingsmethode in het kader van een samenwerking tussen Alpharma, zo’n Noors fine chemical-bedrijf, en de TU. Het bedrijf betaalde, de TU leverde de faciliteiten. Voor het onderzoek verhuisde hij met zijn vrouw naar Nederland om op het Kluyverlaboratorium vier jaar aan zijn onderzoek te werken. Het Nederlands is hij allang meester.

Een beproefde manier om twee stoffen te scheiden is chromatografie: de stoffen worden opgelost en vervolgens door een met korrels gevulde buis, de chromatografiekolom, geleid. Afhankelijk van het materiaal van de korrels en de vereiste productie kan deze kolom in diameter variëren van een centimeter tot een meter, met lengtes tot wel tien meter. Niet alle opgeloste stoffen binden even goed aan de korrels in de buis. Jensen: ,,Het stofje dat zich het minst goed bindt, komt er als eerste aan de andere kant weer uit. Aan het eind van de buis kun je de stoffen zo één voor één apart opvangen.”

Het doel van chromatografie is als dat van raffinage: het verkrijgen van zuivere producten uit een mengsel. Het proces is echter totaal anders omdat antibiotica % anders dan olie % niet teveel verhit mogen worden. Belangrijk verschil is dat het kraken van ruwe aardolie een continuproces is, terwijl bij chromatografie telkens maar een bepaalde hoeveelheid gescheiden kan worden. Tussen twee batchprocessen door moeten de korrels in de buis regenereren en schoonspoelen, wat het proces erg inefficiënt maakt en bovendien veel oplosmiddel kost. Jensen: ,,Een groot deel van de tijd ben je niet bezig met scheiden maar met het verwijderen van achtergebleven deeltjes. Pas als alles eruit is, kun je aan de volgende batchbeginnen.”

Omslachtig

Tot zover was er voor Jensen niets nieuws, dat kwam pas toen hij een al vijftig jaar oude techniek waarin scheiden met chromatografie wèl in een continuproces kon, nog verder ging verbeteren. Door de korrels tegen de stroom van het oplosmiddel in te bewegen ontstond een betere stofoverdracht tussen de opgeloste stoffen en de korrels. Het resultaat is een sneller proces. Door die tegenstroom ontstaat er een stationaire toestand in de buis, waarin in theorie op dezelfde plaats altijd dezelfde concentratie van een stof aanwezig is. Terwijl de toevoer van het mengsel continu is, kunnen de te scheiden stoffen zo op twee plaatsen afgetapt worden. Overigens bleek het te omslachtig om de korrels daadwerkelijk in tegenstroom te brengen. In plaats daarvan verplaatsen inlaat- en aftappunten zich over de kolom % om zo hetzelfde effect te verkrijgen. De naam van de techniek luidt dan ook simulated moving bed (SMB). Door hergebruik van de oplosvloeistof is er maar de helft van nodig, vergeleken met het traditionele proces.

Het nieuwe van Jensen’s scheidingsmethode schuilt erin dat de concentratie van het oplosmiddel niet overal even groot is in de buis. De concentratie is hoog waar dat voor een snelle scheiding nodig is en laag waar het dat niet is. Met zo’n verloop van de concentratie was bij het traditionele batch-proces al veel winst behaald, maar in een SMB-proef was het nog niet eerder toegepast. Doordat de oplossingen van de zuivere producten ook nog eens geconcentreerder zijn dan bij andere technieken, kost het minder energie om de vaste stof uit de oplossing terug te winnen. Jensen heeft inmiddels patent op zijn vinding aangevraagd. Hij kan hierdoor ongeremd over zijn methode publiceren, zonder dat een ander bedrijf er met zijn methode vandoor gaat.

Lokroep

Het chemiebedrijf dat Jensen sponsort maakt nu nog maar weinig gebruik van de SMB-techniek. Jensen: ,,Ik hoop dat ik daar verandering in aan kan brengen.” Op het Kluyverlaboratorium zijn er inmiddels plannen om de scheidingstechniek ook toe te passen bij het scheiden van eiwitten. Of Jensen daar na zijn promotie nog een bijdrage aan zal leveren weet hij nog niet. De lokroep van het hoge noorden blijft klinken.

Nog een half jaar promotieonderzoek te gaan en nu al onderscheiden: Thomas Jensen kreeg een prijs voor een proces waardoor biochemische producten zoals eiwitten en antibiotica efficiënter van elkaar gescheiden kunnen worden.

Jensen (29) kreeg de Malcolm D. Lilly Award op een congres over biotechnologie in Denemarken. Het was een soort competitie onder jonge onderzoekers, die allemaal hun onderzoek en de impact daarvan op de chemie presenteerden. De trofee die bij de prijs hoort is een model van een fermentor, een vat waarin micro-organismen zoals bacteriën worden gekweekt. Van de stoffen in de fermentor maken bacteriën onder andere antibiotica. De trofee is toepasselijk want Jensens onderzoek ging over de processtap na de productie van de antibiotica.

Na de productie van antibiotica volgt het scheiden. Jensen: ,,Ze worden namelijk niet netjes apart van elkaar gemaakt maar in een grote soep.” Om de antibiotica in bijvoorbeeld medicijnen of voedingsmiddelen te kunnen gebruiken moeten de stoffen zuiver zijn en dus van elkaar gescheiden worden. Dit scheiden gebeurt door zogenaamde fine chemicals-bedrijven, de grondstoffenleveranciers voor onder andere de farmaceutische industrie.

Mengsel

De Noor Jensen volbracht zijn zoektocht naar een efficiëntere scheidingsmethode in het kader van een samenwerking tussen Alpharma, zo’n Noors fine chemical-bedrijf, en de TU. Het bedrijf betaalde, de TU leverde de faciliteiten. Voor het onderzoek verhuisde hij met zijn vrouw naar Nederland om op het Kluyverlaboratorium vier jaar aan zijn onderzoek te werken. Het Nederlands is hij allang meester.

Een beproefde manier om twee stoffen te scheiden is chromatografie: de stoffen worden opgelost en vervolgens door een met korrels gevulde buis, de chromatografiekolom, geleid. Afhankelijk van het materiaal van de korrels en de vereiste productie kan deze kolom in diameter variëren van een centimeter tot een meter, met lengtes tot wel tien meter. Niet alle opgeloste stoffen binden even goed aan de korrels in de buis. Jensen: ,,Het stofje dat zich het minst goed bindt, komt er als eerste aan de andere kant weer uit. Aan het eind van de buis kun je de stoffen zo één voor één apart opvangen.”

Het doel van chromatografie is als dat van raffinage: het verkrijgen van zuivere producten uit een mengsel. Het proces is echter totaal anders omdat antibiotica % anders dan olie % niet teveel verhit mogen worden. Belangrijk verschil is dat het kraken van ruwe aardolie een continuproces is, terwijl bij chromatografie telkens maar een bepaalde hoeveelheid gescheiden kan worden. Tussen twee batchprocessen door moeten de korrels in de buis regenereren en schoonspoelen, wat het proces erg inefficiënt maakt en bovendien veel oplosmiddel kost. Jensen: ,,Een groot deel van de tijd ben je niet bezig met scheiden maar met het verwijderen van achtergebleven deeltjes. Pas als alles eruit is, kun je aan de volgende batchbeginnen.”

Omslachtig

Tot zover was er voor Jensen niets nieuws, dat kwam pas toen hij een al vijftig jaar oude techniek waarin scheiden met chromatografie wèl in een continuproces kon, nog verder ging verbeteren. Door de korrels tegen de stroom van het oplosmiddel in te bewegen ontstond een betere stofoverdracht tussen de opgeloste stoffen en de korrels. Het resultaat is een sneller proces. Door die tegenstroom ontstaat er een stationaire toestand in de buis, waarin in theorie op dezelfde plaats altijd dezelfde concentratie van een stof aanwezig is. Terwijl de toevoer van het mengsel continu is, kunnen de te scheiden stoffen zo op twee plaatsen afgetapt worden. Overigens bleek het te omslachtig om de korrels daadwerkelijk in tegenstroom te brengen. In plaats daarvan verplaatsen inlaat- en aftappunten zich over de kolom % om zo hetzelfde effect te verkrijgen. De naam van de techniek luidt dan ook simulated moving bed (SMB). Door hergebruik van de oplosvloeistof is er maar de helft van nodig, vergeleken met het traditionele proces.

Het nieuwe van Jensen’s scheidingsmethode schuilt erin dat de concentratie van het oplosmiddel niet overal even groot is in de buis. De concentratie is hoog waar dat voor een snelle scheiding nodig is en laag waar het dat niet is. Met zo’n verloop van de concentratie was bij het traditionele batch-proces al veel winst behaald, maar in een SMB-proef was het nog niet eerder toegepast. Doordat de oplossingen van de zuivere producten ook nog eens geconcentreerder zijn dan bij andere technieken, kost het minder energie om de vaste stof uit de oplossing terug te winnen. Jensen heeft inmiddels patent op zijn vinding aangevraagd. Hij kan hierdoor ongeremd over zijn methode publiceren, zonder dat een ander bedrijf er met zijn methode vandoor gaat.

Lokroep

Het chemiebedrijf dat Jensen sponsort maakt nu nog maar weinig gebruik van de SMB-techniek. Jensen: ,,Ik hoop dat ik daar verandering in aan kan brengen.” Op het Kluyverlaboratorium zijn er inmiddels plannen om de scheidingstechniek ook toe te passen bij het scheiden van eiwitten. Of Jensen daar na zijn promotie nog een bijdrage aan zal leveren weet hij nog niet. De lokroep van het hoge noorden blijft klinken.