EDITIE 33, SEPTEMBER 2017

Buchem brengt met flowchemie de witte en de
blauwe jassen bij elkaar in een stel zuurkasten

Het in Apeldoorn gevestigde Buchem is er dit jaar als één van de eerste bedrijven ter wereld in geslaagd om op basis van flowchemie een productieplatform aan te bieden waarmee vanuit ontwikkeling direct kan worden gestart met multi-kilo productie. Door de slimme combinatie van flowprocessen met batchprocessen als vacuümdestillatie vult het bedrijf het gat tussen productie op labschaal en grootschalige productie.

Is het een laboratorium, of is het een productiefaciliteit? Dat is de vraag die spontaan naar boven komt bij het betreden van de pas verbouwde en opnieuw ingerichte hal bij het ‘custom synthesis & manufacturing’ bedrijf Buchem in Apeldoorn. Want je weet dat er op behoorlijke schaal chemicaliën worden geproduceerd, maar je ziet alleen maar apparatuur in zuurkasten.

 “Eigenlijk is het een groot laboratorium, alleen worden er geen proefjes gedaan, maar vindt er productie plaats van hoeveelheden van maximaal 1.000 kilo per jaar. De productieschaal is hierbij teruggebracht tot laboratoriumschaal; alles gebeurt in de zuurkasten”, geeft Nico Aelmans, sinds 2014 eigenaar en directeur van Buchem, aan. Crux voor die miniaturisering van de productie zit hem in de toepassing van flowchemie, een sterk opkomende technologie waarbij in een flowreactor reacties onder nauwgezet te regelen omstandigheden continu kunnen plaatsvinden. “Motor achter deze implementatie is Mathias Guggisberg, die al enkele jaren werkte bij Buchem voordat ik erin investeerde, en mij wist te overtuigen van de meerwaarde van flowtechnologie voor ons bedrijf”, stelt Aelmans. “We hebben samen een strategie ontwikkeld, waarbij het overigens niet alleen over flowchemie gaat. We hebben er namelijk voor gekozen om naast het nog beter benutten van onze kennis over chemie en syntheses ook te excelleren in technologie. Excelleren in technologie doe je in dit geval niet door je alleen te richten op flowchemie, maar juist door deze technologie te combineren met batchprocessen. Het gaat niet alleen om de flowreactor: er zit nog heel wat voor, en er komt nog heel wat na.”

Mathias Guggisberg bij de Rotavapor R-220 Pro rotatieverdamper van Büchi Labortechnik,
die met batchgewijze verdamping van oplosmiddelen en fractionering het continuproces
van de flowreactor in de andere zuurkast goed bij kan houden.

 

Rotatieverdamper houdt proces bij

Mathias Guggisberg legt uit hoe de combinatie van flowchemie met batchprocessen in de praktijk wordt vormgegeven. “De syntheses die wij hier uitvoeren zijn bijna altijd meerstaps syntheses. In die sequentie is er altijd wel een moment dat bepaalde gassen of vloeistoffen gescheiden moeten worden of dat er een vast-vloeistof scheiding nodig is. Dat zijn handelingen die goed in batch te doen zijn. Door deze batchprocessen slim te koppelen aan de flowchemie ben je toch in staat om er een min of meer continu geheel van te maken. Dat is ons ook gelukt bij de huidige configuratie in de nieuwe productiehal waarmee we voor een klant iedere dag meerdere kilo’s van een niet nader te noemen verbinding maken. Voor de natrein hadden we een technologie nodig om fracties te scheiden. We hebben eerst gekeken naar klassieke destillatie, maar dat was voor dit project niet rendabel, en deze stap zou in dat geval ook te veel tijd kosten. Een betere oplossing vonden we hiervoor bij Büchi Labortechnik in de vorm van de Rotavapor R-220 Pro rotatieverdamper. Met deze techniek heb je weliswaar minder scheidend vermogen dan bij klassieke destillatie, maar die is voor deze toepassing meer dan toereikend. Groot voordeel van de Rotavapor is de snelheid. De rotatieverdamper gebruiken we om oplosmiddel te verwijderen en om het eindproduct in verschillende fracties te scheiden. Een deel van die fracties voldoet direct aan de spec’s van de klant; andere fracties moeten nog een keer door de rotatieverdamper om ook aan alle eisen te kunnen voldoen. Om al die kilo’s verbinding te produceren is het zaak dat je het continuproces batchgewijs met de rotatieverdamper kunt bijhouden. Dat is ons gelukt, waarbij we zelfs kunnen volstaan met een 20 liter kolf, die voor ons beter te handlen is dan zo’n grote van 50 liter.” Een ander voordeel is het bedieningsgemak. Alle parameters zijn eenvoudig aan de hand van een touch screen in te stellen en aan te sturen. Handig, maar vooral ook veilig, is een externe bedieningsunit die buiten de zuurkast kan worden gehangen zodat de inloopzuurkast, waarin de hele opstelling is geplaatst, tijdens het proces dicht kan blijven.

 

Controle over exotherme reactie

Veiligheid is ook één van de belangrijkste redenen om flowchemie in te zetten. “In het geval van deze custom synthesis productie is er sprake van een exotherme reactie. Dat is bij batchreacties een enorm probleem, omdat door de vrijkomende reactie-energie een runaway reactie kan ontstaan. Bij een flowreactor, waar je met heel klein volumes werkt –bij deze reactor is dat 170 ml– kan dat goed worden voorkomen. Door de grote verhouding van koelvolume ten opzichte van reactorvolume zijn we niet bang voor een runaway omdat het vermogen om te koelen veel groter is.

 

Nico Aelmans, sinds 2014 eigenaar en directeur van Buchem,
vult met zijn bedrijf door de slimme combinatie van flowchemie
met batchprocessen het gat tussen productie op labschaal
en grootschalige productie.

En als het dan toch dreigt mis te gaan, kan je de reactie gewoon afkappen, door extreem te koelen en de dosering van de reagentia te staken. Overigens hebben we voor deze reactie ook de chemie aangepast, zodat het proces veiliger, minder giftig is geworden. Daarmee maken we alles nog veiliger dan het al was, want we werken immers in een gesloten systeem: je zuigt het reagens aan vanuit de gekoelde opslag direct in de reactor, wat ook weer een gesloten systeem is. Bovendien vindt het hele proces in de gesloten zuurkast plaats; de procescontrole aan de hand van precies te definiëren parameters als temperatuur en verblijfstijd (via de pompsnelheid) vindt, net als bij de Büchi, vanaf een panel buiten de zuurkast plaats”, legt Mathias Guggisberg uit. Door het werken met kleine volumina is procescontrole ook directer uit te voeren, wat weer leidt tot betere opbrengsten. Bij batchprocessen zie je bijvoorbeeld altijd temperatuurverschillen tussen het midden en de buitenkant van het reactiemengsel; bij flowchemie is die overal hetzelfde. Een zelfde verhaal kan je optekenen voor ruimtelijke concentratieverschillen van reagentia, zodat reacties in de regel ook sneller en effectiever zullen verlopen. “Voor één bepaalde reactie waarvoor we inmiddels patent hebben aangevraagd, zijn we wel vijftien jaar op zoek geweest naar een efficiënte route. Die doen we nu in flow, met 100% opbrengst. Het kan wat dat betreft niet beter!”, lacht Nico Aelmans tevreden.

“Flow moet je alleen toepassen als het meerwaarde heeft,
qua veiligheid, opbrengst, maakbaarheid.
We doen het niet omdat we het kunnen.”

 

Procesengineering op maat

Buchem heeft veiligheid hoog in het vaandel staan. Hierbij komt deze externe bedieningsunit goed van pas, omdat hierdoor tijdens het proces de de inloopzuurkast, waarin de opstelling is geplaatst, tijdens het proces dicht kan blijven.

De succesvolle implementatie van flowreactortechnologie bij Buchem wil niet zeggen dat je met flow de heilige graal binnenhaalt waarmee je alles naar je hand kunt zetten. “Integendeel”, stelt Nico Aelmans. “Op de eerste plaats moet je flow alleen toepassen als het meerwaarde heeft, qua veiligheid, opbrengst, maakbaarheid. We doen het niet omdat we het kunnen. Daarbij komt dat je niet kunt spreken over de flowreactor. Er zijn verschillende reactortechnologieën en nog veel meer verschillende modellen, die vaak voor een bepaalde reactie op maat worden gemaakt. Daarbij moet je ook goed nadenken over hoe je je flow opzet, hoe je de zuurkasten inricht, waar je doorvoeren maakt. Dat is op zich al een hele puzzel voor één project, maar je wilt ook een stukje flexibiliteit kunnen inbouwen voor latere projecten, modulair ontwerpen, ook in samenhang met het (deels batchgeoriënteerde) traject voor en na de reactor, zodat je bepaalde onderdelen die je voor een volgend proces nodig hebt, kunt vervangen of aanpassen.” Om dat voor elkaar te krijgen heeft Buchem voor het huidige project zijn kennis over de synthese en de applicatie in een nauwe samenwerking gecombineerd met de kennis van Chemtrix op het gebied van reactor design en Flowid met betrekking tot engineering & installatie. Het hart van het systeem is een Plantrix flowreactor van Chemtrix, die is opgebouwd uit reactormodules van siliciumcarbide (SiC), om te kunnen dealen met de uitdagende procesomstandigheden. De andere partner, Flowid, heeft de hele installatie ontworpen, inclusief besturing van de pompjes en de doorlopen naar de inloopzuurkast voor de Rotavapor. Hierbij stonden veiligheid voor de operator, reductie van de workload en een modulair, gemakkelijk aan te passen configuratie voorop. Een niet te onderschatten factor in dat proces zijn de materiaalkeuzes. Waar gebruik je staal, waar hastelloy, waar teflon? “Aan de ene kant wil je gerichte keuzes maken voor de betreffende toepassing, maar tegelijkertijd kijk je ook naar de toekomst: waarvoor kan ik bijvoorbeeld die pomp in die bepaalde uitvoering nog meer gebruiken? Wil ik die pomp in hastelloy uitvoering ook gebruiken voor toepassingen waar ook een veel goedkopere, stalen uitvoering voldoet? Ook dat zijn issues waarover je in zo’n samenwerkingsverband als dat met Chemtrix en Flowid waardevolle adviezen kunt krijgen”, aldus Mathias Guggisberg.

 

Boost voor de flowchemie

Met het Buchem productieplatform op basis van flowreactortechnologie kunnen volgens Nico Aelmans de ontwikkelaars van flowreactoren weer een stap vooruit zetten.“Probleem voor deze bedrijven is dat ze multinationals moeten overtuigen om fors te investeren in flowreactorapparatuur zonder dat ze keihard aan kunnen tonen dat het voor de betreffende applicatie ook werkt en rendabel is. Door met ons samen te werken in projecten kan je dat wel concreet maken. Klanten laten bijvoorbeeld eerst twee, drie jaar bij ons produceren. Als dat goed gaat, kunnen ze zelf in flowchemie investeren en zelf gaan produceren. Dat begint heel goed te lopen, en we hebben dan ook steeds meer strategische allianties met fabrikanten van apparatuur voor flowchemie. Het mooie aan deze langzaam naar zeker volwassen wordende pionierswereld is dat er steeds meer van dat soort bedrijven komen en dat ze elkaar nauwelijks bijten omdat ze allemaal een verschillende invalshoek hebben. Dat zie je ook bij Flowid en Chemtrix. Beiden ontwikkelen flowreactoren (Flowid timmert aan de weg met de Spin Pro reactor met spinning-disc technologie, red.), maar van de ene kopen we de reactor, en van de ander huren we engineeringcapaciteit in. Dat pakt voor ons zeer goed uit, zeker in combinatie met een Büchi rotatieverdamper voor de batchgewijze opzuivering.”

 

Büchi Labortechnik

www.buchi.nl

 

Buchem

www.buchem.com

 

Van Tenax naar customer manufacturing

Het in 1988 opgerichte Buchem maakte aanvankelijk één product: tenax, dat eerder bij Akzo mislukte als isolator voor hoogspanningsinstallaties, maar bij Buchem een tweede leven kreeg als absorptiemiddel in de uit de GC bekende Tenax-buisjes. Buchem, dat deze merknaam heeft beschermd, produceert het nog steeds –als enige op de wereld– en is op dit moment zelfs bezig met productontwikkeling van variaties net iets andere eigenschappen hebben. In de loop der tijd is het pakket uitgebreid met onder meer stabiele isotopen, die deels worden ingekocht van de Amerikaanse leverancier Cambridge Isotope Laboratories en deels zelf worden geproduceerd en ook weer aan CIL worden verkocht. Buchem is sterk in het labellen van moleculen, bijvoorbeeld met een Deuterium-, C- of N-isotoop.

Met name voor de vitamines heeft het bedrijf daarin veel expertise in. Bij vitamine A is het een van de weinigen in de wereld die dat kunnen. Waar tot aan de overname door Nico Aelmans in 2014 de chemische kennis nog veel werd ingezet om bijna opportunistisch elke uitdaging op te pakken die langskwam, wordt die kennis nu effectiever gebruikt voor customer manufacturing. Er worden nog steeds op milligram-schaal nieuwe dingen gemaakt, maar nu om daar met behulp van geavanceerde productietechnieken als flowchemie tot oplossingen voor klanten mee te komen. Voor klanten, waaronder inmiddels verschillende multinationals uit de mondiale top tien , zijn vaak de hoeveelheden te laag, of past het proces niet goed binnen hun installaties, of hebben ze gewoon iemand nodig die zich chemisch en technologisch vastbijt in het probleem. Ook melden zich steeds meer high-tech start-up bedrijven die wel een idee hebben, maar niet kunnen produceren. Waar twee PhD’s in de nevenvestiging bij de Universiteit Leiden het chemisch geweten van Buchem vormen, zorgen de twaalf medewerkers in Apeldoorn voor de vertaalslag naar productie en de uitvoering ervan.

KENNISPLATFORM VOOR LABORATORIA