Van molecuul tot chemische fabriek

br />
Gammastralen dringen door tot in een reactorvat. Ze registreren wat er binnen gebeurt, een ingewikkelde stroming van gas, vloeistof en katalysatordeeltjes. Op computers bewegen driedimensionale simulaties van moleculen over het beeldscherm. Zo ontrafelen onderzoekers de ruimtelijke interacties tussen moleculen. En in een vat met twee stromende vloeistoffen plakken kleine deeltje aan elkaar en vormen zo een poeder onder het toeziend oog van een digitale camera.

Als het aan prof.dr.ir. H.E.A. van den Akker ligt, kennen chemische reactorvaten over tien jaar weinig geheimen meer. Nu zijn veel chemische processen ontwikkeld door domweg uit te proberen wat een optimale temperatuur, roersnelheid, katalysator en oplosmiddel is, maar over tien jaar moeten computermodellen de optimale procesomstandigheden kunnen voorspellen.

,,De TU heeft alle kennis in huis voor het ontwerp van chemische fabrieken”, vertelt Van den Akker. Tot voor kort waren verschillende afdelingen echter vooral met hun eigen deelonderzoekje bezig. ,,De integratie van alle nieuwe kennis kwam niet op de universiteit tot stand; dat deden chemische bedrijven.” Die maakten de processen geschikt voor de productie van grote hoeveelheden eindproduct. En dat kon veel tijd kosten, soms meer dan tien jaar. ,,Door de integratie van de verschillende vakgebieden nu wetenschappelijk aan te pakken kunnen chemische fabrieken beter, efficiënter en sneller ontworpen worden.”

In Van den Akkers Dioc Mastering the molecules in manufacturing werken biotechnologen, chemici, fysici, regeltechneuten, wiskundigen en apparatenbouwers samen. Met twaalf promovendi, vier postdocs en twee technische assistenten is dit het grootste van de zestien Diocs. Van de Akker: ,,Er waren wel wat dwarsverbanden tussen de verschillende groepen, maar de samenwerking is serieuzer geworden. Tot voor kort werkten mensen samen op een enkel project. Daarna ging ieder zijn eigen weg. Nu ontwikkelen we binnen het Dioc samen een nieuwe methodologie.”
Synthese

De aanpak van het farmaceutische bedrijf Merck dient als voorbeeld. In zo’n drie jaar heeft dit bedrijf de productie van een nieuw geneesmiddel op poten gezet en dat is ongehoord snel in de chemische technologie. ,,Merck loopt voor op de universiteit.”

Merck ontwikkelde een productieproces voor een nieuw geneesmiddel tegen HIV. ,,Het ging om een hele moeilijke synthese met veel tussenproducten. Per patiënt zijn er grammen per dag van nodig, dus het moest op grote schaal worden geproduceerd met een zuiverheid die aan hoge eisen voldoet.”

Ook al heeft het Dioc acht miljoen gulden tot zijn beschikking, de integratie van de kennis van het kleine met het grote gaat op de universiteit niet gemakkelijk. ,,Onderzoekers spreken hun eigen taal en kijken zelden naar het grotere geheel.” Van den Akker denkt dat te doorbreken door colloquia te organiseren voor alle deelnemers van het Dioc en door voor elk van de zes deelprojecten een werkoverleg te houden. Zo ontmoeten promovendi en postdocs van verschillende afdelingen elkaar. ,,Die waren elkaar anders niet tegengekomen.” Verder heeft elke promovendus twee promotoren, elk gespecialiseerd op een verschillend vakgebied.

Daarnaast hebben alle onderzoeksgroepen in het Dioc een groter accent op modellen gelegd. Door de computermodellen van alle deelprocessen op een slimme manier met elkaar te verbinden, willen de onderzoekers kunnen voorspellen welke invloed een verandering in het proces heeft op het eindproduct.

Het bedrijfsleven kijkt nog de kat uit de boom. Van den Akker: ,,Ze betalen nog niet mee aan het onderzoek van het Dioc. Bedrijven vinden ons plan nu nog erg ambitieus. We moeten duidelijk verder zijn voordat bedrijven inspringen. Bedrijven met aandeelhouders zijn ook steeds minder geïnteresseerd in lange-termijnprojecten.”
Botsende deeltjes

Ir. Elco Hollander is de eerste aio die twee jaar geleden onder de vlag van het Dioc van start ging. Met een digitale camera volgt hij de groei van kleine kristallen die onder invloed van snelheidsverschillen in een bekende stroming tegen elkaar botsen en dan aan elkaar groeien. Lukt het om de invloed van een constante stroming op de groei van de deeltjes te bepalen, dan kan hij met een computermodel de optimale roercondities voor bijvoorbeeld het maken van verfdeeltjes voorspellen.

,,Theoretisch moet ik de deeltjes met laserlicht net goed genoeg kunnen bekijken. Ik heb ook numeriek aangetoond dat stroming een grote invloed heeft op het proces. De praktijk valt echter altijd tegen.” Probleem is namelijk dat de golflengte van het licht ongeveer even groot is als de grootte van de deeltjes.

Hollanders digitale camera verzamelt acht gigabyte aan data per half uur, zo’n zesduizend floppy disks. Na statistische bewerkingen weet hij nu echter nog niet honderd procent zeker wat hij ziet. ,,Of het gaat lukken om de gegevens goed te interpreteren is kantje boord”, vertelt Hollander.

Bij elkaar geraapt

,,Voor mijn werk zou het weinig uitmaken als ik niet in het Dioc zou zitten. De samenwerking met de andere aio’s van het Dioc houdt op bij de maandelijkse colloquia”, vertelt tweedejaars promovendus, ir. J.A. Roubos. ,,Dat vind ik wel jammer, want het werd gebracht als een project waarin veel zou worden samengewerkt. Ik heb echter het idee dat de projecten enigszins bij elkaar geraapt zijn. Ik ben met de schimmel streptomyces bezig, een andere aio in het Dioc is met de schimmel pencilium bezig en weer een andere aio met een gist. Bovendien kijken we op een verschillende schaal naar onsorganisme. Daardoor zijn er te weinig raakvlakken om veel aan elkaar te hebben.”

Roubos is zowel bij regeltechniek als bij bioprocestechnologie aangesteld. ,,Tussen deze twee groepen is de samenwerking wel goed. Ik heb mijn bureau bij regeltechniek en werk veel samen met een postdoc bij bioprocestechnologie. Die zit echter niet in het Dioc.” Roubos test uit of je tijdens de ontwikkelfase van een biotechnologisch proces al gebruik kunt maken van modellen.

Micro-organismen zijn kleine chemische fabriekjes die erg beïnvloed worden door hun omgeving. ,,In ons geval is in de groeifase andere voeding nodig dan in de fase waarin ze het gewenste product moeten produceren. De samenstelling van de ‘chemische fabriek’, de stofwisseling, is enigszins bekend. Met experimenten proberen we te herleiden hoe die processen echter in de tijd verlopen. Ik gebruik neurale netwerken en fuzzy logic om vervolgens de dynamica van het micro-organisme te modelleren.”

,,Het gezamenlijke doel van het Dioc is heel ambitieus, maar uiteindelijk doe je toch je eigen onderzoek. Mastering the molecules, dat zou iedereen wel willen. Om een betere samenwerking te krijgen, hadden ze misschien een minder breed onderwerp moeten kiezen, bijvoorbeeld kristallisatie. Als je daar met zestien mensen aan had gewerkt, had je meer kans gehad dat je het proces helemaal kunt doorgronden van molecuul tot fabriek.”

Chemische fabrieken kunnen efficiënter ontworpen worden als verschillende soorten technologen op de TU meer samenwerken. Een mooie taak voor het Dioc Mastering the molecules in manufacturing.

Gammastralen dringen door tot in een reactorvat. Ze registreren wat er binnen gebeurt, een ingewikkelde stroming van gas, vloeistof en katalysatordeeltjes. Op computers bewegen driedimensionale simulaties van moleculen over het beeldscherm. Zo ontrafelen onderzoekers de ruimtelijke interacties tussen moleculen. En in een vat met twee stromende vloeistoffen plakken kleine deeltje aan elkaar en vormen zo een poeder onder het toeziend oog van een digitale camera.

Als het aan prof.dr.ir. H.E.A. van den Akker ligt, kennen chemische reactorvaten over tien jaar weinig geheimen meer. Nu zijn veel chemische processen ontwikkeld door domweg uit te proberen wat een optimale temperatuur, roersnelheid, katalysator en oplosmiddel is, maar over tien jaar moeten computermodellen de optimale procesomstandigheden kunnen voorspellen.

,,De TU heeft alle kennis in huis voor het ontwerp van chemische fabrieken”, vertelt Van den Akker. Tot voor kort waren verschillende afdelingen echter vooral met hun eigen deelonderzoekje bezig. ,,De integratie van alle nieuwe kennis kwam niet op de universiteit tot stand; dat deden chemische bedrijven.” Die maakten de processen geschikt voor de productie van grote hoeveelheden eindproduct. En dat kon veel tijd kosten, soms meer dan tien jaar. ,,Door de integratie van de verschillende vakgebieden nu wetenschappelijk aan te pakken kunnen chemische fabrieken beter, efficiënter en sneller ontworpen worden.”

In Van den Akkers Dioc Mastering the molecules in manufacturing werken biotechnologen, chemici, fysici, regeltechneuten, wiskundigen en apparatenbouwers samen. Met twaalf promovendi, vier postdocs en twee technische assistenten is dit het grootste van de zestien Diocs. Van de Akker: ,,Er waren wel wat dwarsverbanden tussen de verschillende groepen, maar de samenwerking is serieuzer geworden. Tot voor kort werkten mensen samen op een enkel project. Daarna ging ieder zijn eigen weg. Nu ontwikkelen we binnen het Dioc samen een nieuwe methodologie.”
Synthese

De aanpak van het farmaceutische bedrijf Merck dient als voorbeeld. In zo’n drie jaar heeft dit bedrijf de productie van een nieuw geneesmiddel op poten gezet en dat is ongehoord snel in de chemische technologie. ,,Merck loopt voor op de universiteit.”

Merck ontwikkelde een productieproces voor een nieuw geneesmiddel tegen HIV. ,,Het ging om een hele moeilijke synthese met veel tussenproducten. Per patiënt zijn er grammen per dag van nodig, dus het moest op grote schaal worden geproduceerd met een zuiverheid die aan hoge eisen voldoet.”

Ook al heeft het Dioc acht miljoen gulden tot zijn beschikking, de integratie van de kennis van het kleine met het grote gaat op de universiteit niet gemakkelijk. ,,Onderzoekers spreken hun eigen taal en kijken zelden naar het grotere geheel.” Van den Akker denkt dat te doorbreken door colloquia te organiseren voor alle deelnemers van het Dioc en door voor elk van de zes deelprojecten een werkoverleg te houden. Zo ontmoeten promovendi en postdocs van verschillende afdelingen elkaar. ,,Die waren elkaar anders niet tegengekomen.” Verder heeft elke promovendus twee promotoren, elk gespecialiseerd op een verschillend vakgebied.

Daarnaast hebben alle onderzoeksgroepen in het Dioc een groter accent op modellen gelegd. Door de computermodellen van alle deelprocessen op een slimme manier met elkaar te verbinden, willen de onderzoekers kunnen voorspellen welke invloed een verandering in het proces heeft op het eindproduct.

Het bedrijfsleven kijkt nog de kat uit de boom. Van den Akker: ,,Ze betalen nog niet mee aan het onderzoek van het Dioc. Bedrijven vinden ons plan nu nog erg ambitieus. We moeten duidelijk verder zijn voordat bedrijven inspringen. Bedrijven met aandeelhouders zijn ook steeds minder geïnteresseerd in lange-termijnprojecten.”
Botsende deeltjes

Ir. Elco Hollander is de eerste aio die twee jaar geleden onder de vlag van het Dioc van start ging. Met een digitale camera volgt hij de groei van kleine kristallen die onder invloed van snelheidsverschillen in een bekende stroming tegen elkaar botsen en dan aan elkaar groeien. Lukt het om de invloed van een constante stroming op de groei van de deeltjes te bepalen, dan kan hij met een computermodel de optimale roercondities voor bijvoorbeeld het maken van verfdeeltjes voorspellen.

,,Theoretisch moet ik de deeltjes met laserlicht net goed genoeg kunnen bekijken. Ik heb ook numeriek aangetoond dat stroming een grote invloed heeft op het proces. De praktijk valt echter altijd tegen.” Probleem is namelijk dat de golflengte van het licht ongeveer even groot is als de grootte van de deeltjes.

Hollanders digitale camera verzamelt acht gigabyte aan data per half uur, zo’n zesduizend floppy disks. Na statistische bewerkingen weet hij nu echter nog niet honderd procent zeker wat hij ziet. ,,Of het gaat lukken om de gegevens goed te interpreteren is kantje boord”, vertelt Hollander.

Bij elkaar geraapt

,,Voor mijn werk zou het weinig uitmaken als ik niet in het Dioc zou zitten. De samenwerking met de andere aio’s van het Dioc houdt op bij de maandelijkse colloquia”, vertelt tweedejaars promovendus, ir. J.A. Roubos. ,,Dat vind ik wel jammer, want het werd gebracht als een project waarin veel zou worden samengewerkt. Ik heb echter het idee dat de projecten enigszins bij elkaar geraapt zijn. Ik ben met de schimmel streptomyces bezig, een andere aio in het Dioc is met de schimmel pencilium bezig en weer een andere aio met een gist. Bovendien kijken we op een verschillende schaal naar onsorganisme. Daardoor zijn er te weinig raakvlakken om veel aan elkaar te hebben.”

Roubos is zowel bij regeltechniek als bij bioprocestechnologie aangesteld. ,,Tussen deze twee groepen is de samenwerking wel goed. Ik heb mijn bureau bij regeltechniek en werk veel samen met een postdoc bij bioprocestechnologie. Die zit echter niet in het Dioc.” Roubos test uit of je tijdens de ontwikkelfase van een biotechnologisch proces al gebruik kunt maken van modellen.

Micro-organismen zijn kleine chemische fabriekjes die erg beïnvloed worden door hun omgeving. ,,In ons geval is in de groeifase andere voeding nodig dan in de fase waarin ze het gewenste product moeten produceren. De samenstelling van de ‘chemische fabriek’, de stofwisseling, is enigszins bekend. Met experimenten proberen we te herleiden hoe die processen echter in de tijd verlopen. Ik gebruik neurale netwerken en fuzzy logic om vervolgens de dynamica van het micro-organisme te modelleren.”

,,Het gezamenlijke doel van het Dioc is heel ambitieus, maar uiteindelijk doe je toch je eigen onderzoek. Mastering the molecules, dat zou iedereen wel willen. Om een betere samenwerking te krijgen, hadden ze misschien een minder breed onderwerp moeten kiezen, bijvoorbeeld kristallisatie. Als je daar met zestien mensen aan had gewerkt, had je meer kans gehad dat je het proces helemaal kunt doorgronden van molecuul tot fabriek.”