Chemische technologieën kunnen bijdragen aan de energietransitie, onder meer door groene elektriciteit te gebruiken voor chemische productie. Onderzoekers van het lectoraat Material Sciences van Zuyd Hogeschool en het Centre of Expertise CHILL werken hieraan in het RaakPro-project Light-Up. Samen met bedrijven en de Universiteit van Amsterdam hebben ze een geautomatiseerd platform voor fotoflowchemische productie ontwikkeld. Met succes, want een vervolgproject voor verdere opschaling is inmiddels gestart.
Wat je leest in dit artikel
Chemelot (chemisch industrieterrein in Zuid-Limburg, waar ook Zuyd Hogeschool is gevestigd, red.) heeft de ambitie om in 2050 de meest duurzame chemie- en materialenhub te zijn die competitief en veilig is. Door innoveren te koppelen aan opleiden, helpt de hogeschool deze ambitie waar te maken.
Over het onderzoek
In het chemisch hogeschoolonderzoek kunnen geen eindproducten worden gemaakt. De grote toegevoegde waarde ligt in het demonstreren dat innovatieve technologieën werken. Ook gebruikt de hogeschool het onderzoek om meer werknemers van de toekomst in aanraking te laten komen met deze technologieën. Geautomatiseerde flowchemie is een veelbelovende techniek voor de energietransitie.
Gino van Strijdonck is lector Material Sciences bij Zuyd Hogeschool. Hij vertaalt (academische) kennis naar innovaties met de focus op geavanceerde (biobased) materialen. Hij maakt hierbij gebruik van nanotechnologie, de ontwikkeling van (biobased) materialen voor 3D-printing en duurzame synthese met behulp van microreactortechnologie.
Tim den Hartog, hoofdonderzoeker Zuyd Hogeschool en projectleider Light-Up is geïnteresseerd in innovatieve duurzame oplossingen voor onder andere energieomzetting met behulp van chemische technologie, chemie en materiaalkunde. Zijn focus ligt op fotoflowchemie en het opschalen van flowchemische processen. Zijn doel is om een nieuwe generatie professionals op te leiden die hun kennis kunnen toepassen om een duurzamere samenleving te realiseren.
Evelien Baeten van het Zuyd-lectoraat Material Sciences is docent-onderzoeker bij Zuyd Hogeschool. Als doctor in de scheikunde met een ingenieursachtergrond heeft ze zich voornamelijk beziggehouden met polymeerchemie, vaak gecombineerd met microreactortechnologie (flowchemie). Evelien is een punctuele en onafhankelijke onderzoeker met een hands-on mentaliteit, die graag in een innovatieve omgeving werkt.
Sam Castermans is onderzoeker bij Centre of Expertise CHILL. Met een masterdiploma Moleculaire Chemie is Sam Castermans gespecialiseerd in Organische Chemie en alle relevante analysetechnieken, zoals (2D) NMR en Massaspectrometrie. Tijdens zijn studie en diverse stages heb hij veel ervaring opgedaan met koolhydraatchemie. Bij het Centre of Expertise CHILL doet hij samen met aankomende jonge professionals onderzoek binnen Communities for Development.
Koen Quaedflieg is student Zuyd Academie Applied Science.
Isabela Ramalho Rezende Diniz is student UFMG Minas Gerais Brazil
De industrie moet in 2050 klimaatneutraal zijn, onder meer door hergebruik van materialen en inzet van ‘groene’ energie. Voor de productie van fijnchemicaliën en farmaceutica kan de chemische industrie daaraan bijdragen met fotoflowchemie. De productie wordt in dit geval gedreven door sterke lampen, die met groene elektriciteit kunnen worden gevoed.
In de afgelopen twintig jaar heeft de academische wereld kennis over fotoflowchemie op labschaal ontwikkeld. De uitdaging is nu om met deze kennis de stap naar grotere schaal te zetten. Zuyd Hogeschool heeft in het Light-Up project die uitdaging opgepakt in samenwerking met bedrijven en de Universiteit van Amsterdam. De chemische sleuteltechnologieën die daarbij zijn ingezet, betreffen (bio)procestechnologie/procesintensivering, (geavanceerde) reactortechnologie, analytische technologieën en elektriciteitsaangedreven chemische reactietechnologieën.
Gino van Strijdonck, lector Material Sciences, Zuyd Hogeschool: “Chemelot heeft de ambitie om in 2050 de meest duurzame chemie- en materialenhub te zijn die competitief en veilig is. Door innoveren te koppelen aan opleiden, helpen we deze ambitie waar te maken. Hoewel in chemisch hogeschoolonderzoek geen eindproducten kunnen worden gemaakt, ligt er grote toegevoegde waarde in het demonstreren dat innovatieve technologieën werken. Ook gebruiken we het onderzoek om meer werknemers van de toekomst in aanraking te laten komen met deze technologieën.”
Isabela Ramalho Rezende Diniz: "Dit project heeft grote betekenis voor mij en voor de maatschappij. Op persoonlijk vlak biedt het mij een ongelooflijke kans voor professionele en persoonlijke groei. Ik heb namelijk toegang tot geavanceerde onderzoekslaboratoria en krijg de kans om bij te dragen aan innovatieve oplossingen. Voor de maatschappij heeft het project brede toepassingen in verschillende industriële sectoren, waaronder de chemische en farmaceutische industrie, en stimuleert het vooruitgang in efficiëntie en duurzaamheid. Bovendien sluit het aan bij de doelstelling van de Europese Unie om tegen 2050 klimaatneutraal te zijn. Light-Up ondersteunt ook de overgang naar groenere technologieën en duurzamere processen, die van cruciaal belang zijn voor het aanpakken van de wereldwijde klimaatcrisis."
Tim den Hartog, hoofdonderzoeker Zuyd Hogeschool en projectleider Light-Up: "Wij zijn zeer blij dat we het vertrouwen hebben gekregen om de ontwikkeling voort te zetten in SPRONG CONNECT en nieuwe technologieën op grotere schaal dan het lab te kunnen demonstreren. Voorbeelden daarvan zijn van groot belang om implementatierisico’s te verminderen voor bedrijfsinvesteringen. De mix van automatisering, machine learning en chemie is een zeer krachtige om de nieuwe schonere chemische processen van de toekomst te ontwikkelen.
Bedrijven, onderzoekers en studenten moeten dan wel samenwerken om de kennis die verspreid aanwezig is bij meerdere partners samen te brengen. Want dat hebben we in dit project wel geleerd: het bouwen van geautomatiseerde opstellingen is goed mogelijk, maar vereist wel veel gefragmenteerde kennis. Een hechte samenwerking kweek je door gezamenlijk doelen te stellen en bij bedrijven interesse te wekken voor het opleiden van mensen en het laagdrempelig introduceren van hun technieken bij jong talent."
Koen Quaedflieg, student Zuyd Academie Applied Science: "Om Shakespeare aan te halen: ‘To automate, or not to automate; that’s no longer the question.’ Met schakelkleppen is automatisering zo eenvoudig. Het zou eeuwig zonde zijn om het niet te gebruiken – het bespaart mij tijd en maakt het leven efficiënter voor de maatschappij."
Sam Castermans, onderzoeker bij CHILL: "Geautomatiseerde flowchemie is een veelbelovende techniek voor de energietransitie."
Over een periode van twee jaar hebben studenten commerciële apparatuur geselecteerd en samengebracht om een opstelling voor fotoflowchemie te bouwen. Deze opstelling wordt aangestuurd vanuit een computer met veiligheidsprotocollen die zijn gebaseerd op veiligheidsstudies door de studenten. Onderdeel van de opstelling zijn twee instrumenten voor in-line analyse. De resultaten daarvan helpen om heel snel het proces te optimaliseren met behulp van machine-learning algoritmes. Met het Light-Up project hoopt het Centre te kunnen laten zien dat fotoflowchemie kan worden uitgevoerd op grotere schaal dan labschaal. Op die manier kan men aantonen dat industriële implementatie niet moeilijk is.
De huidige opstelling bevat nog geen lamp, maar er ligt al een nieuw ontwerp dat wel een lamp bevat. Er is een vervolgproject toegekend, SPRONG CONNECT met een consortium van meer dan twintig partners, om het onderzoek voort te zetten. Het uiteindelijke doel is om op pilotschaal (kg/dag productie) te kunnen laten zien dat fotoflowchemie industrieel kan worden geïmplementeerd.
The SPRONG-collaboration “Collective process development for an innovative chemical industry” (CONNECT) aims to accelerate the chemical industry’s climate/sustainability transition by process development of innovative chemical processes.The CONNECT SPRONG-group integrates the expertise of the research groups “Material Sciences” (Zuyd Hogeschool [Zuyd]), “Making Industry Sustainable” (Hogeschool Rotterdam [HRotterdam]), “Innovative Testing in Life Sciences & Chemistry” and “Circular Water” (both Hogeschool Utrecht [HUtrecht]) and affiliated knowledge centres (Centres of Expertise CHILL [affiliated to Zuyd] and HRTech, and Utrecht Science Park InnovationLab [ILab]).The combined CONNECT-expertise generates critical mass to facilitate process development of necessary energy-/material-efficient processes for the 2050 goals of the Knowledge and Innovation Agenda (KIA) Climate and Energy (mission C) using Chemical Key Technologies. CONNECT focuses on process development/chemical engineering. We will collaborate with SPRONG-groups centred on chemistry and other non-SPRONG initiatives.The CONNECT-consortium will generate a Learning Community of the core group (universities of applied science [UASs] and knowledge centres), companies (high-tech equipment, engineering and chemical end-users), secondary vocational training, universities, sustainability institutes and regional governments/network organizations that will facilitate research, demand articulation and professionalization of students and professionals.
Dit onderzoek is medegefinancierd door Regieorgaan SIA, onderdeel van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), Het wordt uitgevoerd door onderzoekers Tim den Hartog (projectleider) en Evelien Baeten van het Zuyd-lectoraat Material Sciences onder leiding van lector Gino van Strijdonck.
In het Light-Up project participeren vanuit de industrie de MKB-bedrijven Beartree Automation, CHILL, De Heer, Innosyn, Peschl Ultraviolet en Swagelok. Grotere consortiumpartners zijn TNO, Mettler Toledo Autochem, Brightlands Chemelot Campus en Chemtrix. Daarnaast is hoogleraar Flow Chemistry Timothy Noël van de Universiteit van Amsterdam bij het onderzoek betrokken. Signify ondersteunt de ontwikkeling vanuit het vervolgproject SPRONG CONNECT.
Centre of Expertise, onderdeel van Zuyd Hogeschool
Zuyd University of Applied Sciences (ZUYD) and partners will develop photoflow chemistry reaction set-ups that will be powered with light as sustainable energy source, and as such contribute to the transition of the current chemical industry to a climate neutral one. To develop these reaction set-ups, a consortium of partners from the Dutch, Belgian and German chemical and high-tech ecosystems will cover all aspects related to required hardware, e.g. transparent reactors and energy-efficient light sources, automation and multiphase reactions. The mix of partners from academia (University of Amsterdam: the Noël group), an applied research organization (TNO), Center of Expertise CHILL, ZUYD, the Brightlands Chemelot Campus and multiple companies (Beartree Automation, Chemtrix, Creaflow, Ecosynth, De Heer, Innosyn, Mettler-Toledo, Peschl Ultraviolet and Swagelok Nederland) ensures an efficient and integrated development along technology readiness levels (TRL) ranging from two/three to five/six. Together we will answer the overarching question: With which advanced reaction set-up(s) can we efficiently perform and further optimize multiphase solution-based photochemical reactions that require gas and/or solid reagents, and efficiently showcase our capabilities? The development of the advanced reaction set-ups will allow us to answer our research question: How far can we extend the applicability of photoflow transformations beyond the current commercial state-of-the-art by the use of advanced reaction set-ups? Dissemination of several demonstrator transformations using our advanced set-ups will showcase capabilities of Light-Up partners and speed up the uptake of photoflow chemistry in industry. We will develop the next generation of advanced reaction set-ups for photoflow chemistry by combining the knowledge of the chemical and high-tech sectors, and facilitating knowledge exchange between sectors, to contribute to a climate neutral industry.
