Innovatieve fotoreactor biedt groeikansen voor flowchemie

costa^TM technologie in hanu^TM reactor maakt industriële opschaling mogelijk

Creaflow nam als dochterbedrijf van Ecosynth begin 2020 haar intrek in het gloednieuwe pand van BlueChem, de duurzame chemie-incubator die start- en scale-ups ondersteunt in hun route naar opschaling. Met de ontwikkeling van hun innovatieve fotochemische HANU^TM doorstroomreactor maakt Creaflow de productie van nieuwe moleculen op een grotere schaal mogelijk, en stelt zo een einde aan de beperkingen van klassieke fotoreactoren. Koen Van Aken (CEO) en Hannes Gemoets (Head of R&D) vertellen enthousiast over hun innovatie en blikken ambitieus vooruit naar een succesvolle wereldwijde vermarkting ervan. 

Pionier in duurzaamheid

Creaflow zag in 2018 het levenslicht als spin-off van Ecosynth, dat zelf in 2001 werd opgericht met als missie de chemische en farmaceutische industrie te ondersteunen in hun transitie naar een duurzame chemie.

Koen Van Aken, CEO van Ecosynth én van Creaflow blikt terug: “Anno 2001 bevond duurzaamheid zich echt nog in een pioniersfase. Van bij de start kozen we bewust voor een hybride businessmodel, waarbij we zowel contract research voor derden uitvoerden als eigen R&D-projecten opzetten. Ons onderzoek richtte zich zowel op het ontwikkelen van nieuwe moleculen als de ontwikkeling van innovatieve en efficiëntere processen. Daarbij werd de focus gelegd op niche-gebieden waarin we specifieke expertise konden opbouwen, om deze in een latere fase te valoriseren onder meer via licenties op eigen patenten en spin-offs.

Fotochemie is een nichemarkt die lange tijd bleef steken op laboratoriumschaal in academische kringen

schaalbare fotochemie

Fotochemie was zo’n nichemarkt die lange tijd bleef steken op laboratoriumschaal in academische kringen. Wegens de perceptie van niet schaalbaar te zijn, bleef een industriële doorbraak van fotochemie op grote schaal achterwege. Tot op vandaag zijn er slechts een beperkt aantal fotoreactoren in een industriële setting actief, specifiek ontwikkeld voor hooguit een handvol processen zoals de synthese van vitamine D3 en A (door BASF en Hoffmann-LaRoche), rose oxide (Symrise), caprolactam (Toray) en artemisinine (Sanofi en Huvepharma).”

Nochtans heeft fotochemie heel wat te bieden voor de farmaceutische en chemische industrie. “Werken met licht is binnen de ontwikkeling van nieuwe moleculen heel bijzonder en verschilt als activatietechnologie sterk van de thermische activering”, schetst Van Aken. “Met licht kan met een minimum aan energie doelgericht een welbepaalde functionele groep geactiveerd worden.”

nieuwe syntheseroutes

De microflowreactor is een veelbelovend concept voor continue productie in fijnchemie en farma. De toevoeging van fotochemie opent daarbij nieuwe syntheseroutes, zeker voor temperatuurgevoelige componenten en reacties waar een ongewenste parallelle reactie de overhand krijgt bij hogere temperaturen. Hannes Gemoets, hoofd R&D bij Creaflow: “De hogere selectiviteit bij lagere temperaturen bij gekende transformaties is inderdaad een pluspunt, maar het grootste voordeel is dat men via fotochemie toegang heeft tot een aantal transformaties die thermisch niet mogelijk zijn. Dit geeft de mogelijkheid om met een fotochemische stap alternatieve en kortere routes naar een eindmolecule te ontwikkelen.”

Bij de ontwikkeling van hun reactoren streefde Creaflow ernaar de limieten, waar bestaande microreactoren voor fotochemie bij opschaling op botsen, te verleggen. “Een procesingenieur gaat uiteindelijk kiezen voor een continu proces met een maximaal en controleerbaar warmte- en massatransport en een minimale verblijftijd distributie, dat bovendien geschikt is voor opschaling met een minimum aan procesoptimalisatie. Net in deze combinatie van aspecten onderscheiden onze reactoren zich”, verduidelijkt Gemoets.

Wie is dr. Hannes Gemoets?
Hannes P. L. Gemoets werd geboren in Gent (°1991). In 2013 behaalde hij een M. Sc. diploma Chemische Technologie (cum laude) aan de KU Leuven (Faculteit Ingenieurswetenschappen Gent). Later dat jaar verhuisde hij naar Nederland om zijn doctoraat te behalen aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) in de groep Microstroomchemie & Procestechnologie, onder leiding van Prof. Timothy Noël en Prof. Volker Hessel. Zijn onderzoek richtte zich op de ontwikkeling van nieuwe continu-flow methoden voor C-H functionalisatie strategieën (d.w.z. C-H activering en fotoredox katalyse). Sinds 2018 is hij actief bij Creaflow, waar hij zich als Head of R&D richt op het ontwerp en de ontwikkeling van innovatieve en schaalbare continu-flow (foto)reactoren.

Unieke reactortechnologie

De unieke karakteristieken van de HANU^TM doorstroomreactoren worden mogelijk gemaakt door het aanwenden van de gepantenteerde COSTA^TM technologie, wat staat voor:

• Continu proces in een lineare plaat doorstroomreactor
• Oscillerend flow regime
• STAtische mengelementen in het proceskanaal.

Pulsatie op de processtroom

Hannes Gemoets geeft tekst en uitleg: “Bovenop de normale processtroom van de pomp wordt er een pulsatie op de processtroom aangebracht d.m.v. een pulsator die in serie staat, en dit resulteert in combinatie met statische mengelementen in het reactorkanaal in een zeer intense menging.

Deze manier van opereren levert enkele extra unieke voordelen op. Zo is de mengintensiteit controleerbaar en onafhankelijk van de processtroomsnelheid. Dit is een echte ‘game changer’ onder de flowreactoren, aangezien het hierdoor mogelijk wordt om ook heel trage fotochemische reacties (die een lange belichtingstijd nodig hebben) uit te voeren in een volledig continu proces, zonder dat er ingeboet moet worden op de mengefficiëntie van het proces. De pulsatie zorgde bovendien voor een significante verbetering van het propstroom karakter (‘plug flow’) van de reactor, een belangrijke parameter voor de prestatie van de flow reactor.”

De belangrijkste troef is wellicht dat de reactor lineair kan opgeschaald worden van lab- naar piloot- tot zelfs commerciële schaal door het proceskanaal te verbreden, en dit zonder dat er enige procescondities hoeven gewijzigd te worden.

 “De belangrijkste troef is wellicht dat de reactor lineair kan opgeschaald worden zonder procescondities te wijzigen”

Temperatuurbeheersing

Op de reactor werden hoogvermogen LED’s geïmplementeerd, die in samenwerking met onze Duitse partner Peschl Ultraviolet (Mainz) speciaal werden ontwikkeld. De HANU^TM doorstroomreactor is geschikt voor zowel zichtbaar als uv-licht, aangezien de reactor zowel een borosilicaat- als een kwartsvenster kan bevatten. “De leds maken niet alleen een efficiënte energie-omzetting vanuit elektriciteit mogelijk, maar genereren door hun monochromatisch licht niet langer onnodige golflengtes die nevenreacties kunnen teweegbrengen of naar warmte worden omgezet.

De warmte wordt bovendien zeer effectief afgevoerd door middel van een interne op vloeistof gebaseerde warmtewisselaar die zich in de nabijheid van het metalen proceskanaal bevindt.”

Ook geschikt voor slurrieproces

Het gebruik maken van vaste deeltjes in een proces (bij aanvang of gevormd tijdens de reactie) is momenteel een grote beperking van flowreactoren aangezien deze deeltjes zich aan de reactorkanalen kunnen hechten en uiteindelijk verstopping kan optreden. “Dankzij de pulserende stroom blijven de deeltjes in suspensie en gaan ze vlot door de HANU^TM reactor heen. Onze flowreactoren zijn dus ook bruikbaar voor multifaseprocessen zoals slurries”, vertelt Gemoets.

Door middel van het venster kan men het volledige proceskanaal visueel inspecteren

“Door middel van het venster kan men het volledige proceskanaal overigens visueel inspecteren. Daarbij komt nog dat onze reactor - in tegenstelling tot chip of capillaire reactoren - kan opengeschroefd worden. Op deze manier kunnen residuen die zich eventueel toch aan de wand van de reactor gehecht hebben, eenvoudig fysiek verwijderd worden. Dit is een belangrijke aspect met oog op toepassingen in de farmasector, waar ‘cleaning validation’ via reactorwand bemonstering zeer belangrijk is.”

De succesvolle vertaling van een vast-vloeistof photoredox gekatalyseerd proces van een milliliter laboratoriumschaal naar een schaalbaar continu proces is een mooi voorbeeld. Dit resulteerde in een publicatie in het wetenschappelijke tijdschrift Organic Process & Research Development. Ook hoog aangeschreven academische groepen op gebied van flowchemie, o.a. de groep van prof. Timothy Noël (UvA, Amsterdam) en prof. C. Oliver Kappe (University of Graz, Oostenrijk), publiceerden recentelijk schaalbare processen gebruikmakend van de HANU^TM doorstroomreactoren.

Assemblage op maat

De mogelijkheid tot openen van de HANU^TM reactoren biedt het belangrijk bijkomend voordeel dat men de gepaste onderdelen kan assembleren naargelang de procesvereisten, zoals de comptabiliteit van de componenten van de processtroom met het materiaal van de reactor en de kritische procesparameters.

“Zo kan men reactoren assembleren die optimaal geschikt zijn voor specifieke transformaties en wordt de reactor dus aangepast aan de reactie, en niet omgekeerd zoals nu vaak het geval is. Hierdoor zijn onze reactoren geschikt voor zowel fotochemische als niet-fotochemische reacties.”

Drukbestendigheid 

Hoewel in tubulaire microreactoren makkelijk drukken tot 100 bar worden gehaald - wat vooral voor hydrogeneringen en oxidaties interessant is - is de drukbestendigheid van de HANU^TM reactoren beperkt tot 10 bar. “Dit komt door het feit dat de reactor bestaat uit een samenstelling van verschillende onderdelen: een basisblok met glas en deksel. Aangezien meer dan 90% van alle fotochemische toepassingen echter binnen deze procescondities valt, beschouwen wij die gelimiteerde drukbestendigheid niet als een beperking”, nuanceert Gemoets. “Met onze nieuwe reactoren in ontwikkeling voor (niet-)fotochemische hogetemperatuur en hogedruktoepassingen worden procesdrukken tot zo’n 60 bar mogelijk.” 

Wie is dr. Koen Van Aken? 

Na het behalen van een doctoraat aan de KU Leuven in 1993, bekleedde Koen Van Aken (°1965) een postdoctorale functie aan de Staatsuniversiteit van Atlanta, Georgia. Nadien vervoegde hij het Center of Molecular Design bij Janssen Pharmaceutica (een divisie van Johnson & Johnson). Als senior wetenschapper hield hij zich bezig met het ontwerpen van hiv-geneesmiddelen in nauwe samenwerking met Dr. Paul Janssen, wat uiteindelijk resulteerde in door de FDA goedgekeurde geneesmiddelen. Na de oprichting van het bedrijf EcoSynth in 2001 behaalde hij een master in Innovatie & Ondernemerschap aan Vlerick Gent Management School (2007). Zijn 23 jaar ervaring in academische en industriële organische chemie wordt geïllustreerd door (co-)auteurschap van meer dan 40 publicaties (waaronder 17 patenten). De belangrijkste interesses zijn duurzame chemie, stroomchemie, nieuwe activeringstechnologieën, optimalisatie van reactieparameters, automatisering van organische chemie en procesontwikkeling. Als huidige gastprofessor doceert hij 'Duurzame Chemie' als opleiding aan de Katholieke Universiteit Leuven. Hij was ook voorzitter van de haalbaarheidsstudie voor het Vlaams Initiatief Duurzame Chemie en lid van de voormalige raad van bestuur van FISCH, nu getransformeerd in CATALISTI.

Groot potentieel

In een tijdperk waarin het 'Internet der Dingen' (IoT) door de geavanceerde connectiviteit van apparatuur ongekende mogelijkheden biedt, liggen er ook veel kansen voor flowchemie. Het verwerven van ‘big data’ zal in combinatie met technologische ontwikkelingen zoals informatiefeedback, model-predictieve controle (AI) en robotisering, een revolutie teweegbrengen in de manier waarop chemische processen zullen ontworpen en geoptimaliseerd worden. “In dat opzicht zijn flowreactoren en continue processen uitermate geschikt voor automatisering en toepassingen van snelle in-line dataverzameling. Zo bouwt onze Duitse partner Peschl Ultraviolet onze technologie in in volledige ‘turnkey’ systemen, waarbij gebruik gemaakt wordt van digitalisering en automatisering van het proces via o.a. PLC-systemen en kijken we ook naar in-line fotospectrometrische analyse”, aldus Gemoets. 

Creaflow startte in 2019 met de commercialisatie van de HANU^TM reactor. “Onze potentiële klanten zijn bedrijven in de farma, chemische industrie, voeding en biotech die nieuwe moleculen willen maken of efficiëntere processen willen introduceren maar op de beperkingen van de huidige generatie doorstroomreactoren botsen. In de bulkchemie is continuproductie al jaren de maatstaf, maar de jongste jaren ontdekken ook steeds meer bedrijven in de farma en fijnchemie de voordelen van flowreactoren. Om deze groeiende vraag tegemoet te komen, heeft Creaflow zich recent versterkt met business manager Ruud Merkx, die alle aspecten van de commercialisatie van de reactoren verder zal uitbouwen. We blikken dan ook bijzonder positief vooruit naar de verdere introductie van onze reactoren in de industrie”, besluit Van Aken hoopvol.

“BlueChem biedt ons mogelijkheden voor toekomstige opschaling” 
BlueChem opende begin mei 2020 de deuren van haar gloednieuwe pand op het eco-bedrijventerrein Blue Gate Antwerp. De eerste incubator voor duurzame chemie in België helpt beloftevolle starters en ambitieuze groeibedrijven om hun innovatieprojecten in duurzame chemie en circulaire economie op te schalen naar industriële productie. Creaflow was een van de eerste bedrijven die er een kantoor in gebruik nam.

“We bevinden ons hier in de haven van Antwerpen, het hart van een van de grootste chemieclusters ter wereld. Deze uitvalsbasis zal ons zeker extra visibiliteit geven,” aldus Koen Van Aken. Hannes Gemoets vult aan: “BlueChem geeft ons de kans om in contact te komen met zowel innovatieve start-ups als grote internationale spelers binnen de duurzame chemiewereld. De kruisbestuiving kan leiden tot verdere innovatieve ontwikkelingen en samenwerkingen. Met ons kantoor op de Blue Gate-site zitten we overigens niet alleen dichtbij onze potentiële eindgebruikers, maar zien we ook mogelijkheden voor toekomstige opschaling van Creaflow.”

Ontdek welke andere innovatieve start-ups zijn gehuisvest in BlueChem.