Daarnaar doet een team van wetenschappers en studenten onderzoek bij BioBTX in het Zernike Advanced Processing Lab (ZAP) in Groningen. Heinrich Wörtche, de nieuwe lector Sensors & Smart Systems bij het Kenniscentrum Biobased Economy van de Hanzehogeschool, is een van de trekkers van dit onderzoek. Hij werkt daarbij samen met professor Hans Kuipers (TU/e), expert op het gebied van reactortechnologie en Erik Heeres, hoogleraar chemische technologie aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG).
‘In een laboratorium vindt de reactie vaak in glas plaats. Je kunt dus zien en meten wat er gebeurt. Dat wordt anders als de processen plaatsvinden in een stalen vat van een kubieke meter of groter’, zegt Wörtche. ‘De flow, de vloeistofdynamiek in een chemische reactor wordt heel anders als ik uitga van 5, van 5.000 of 50.000 liter. Ik moet goed begrijpen hoe die opschaling de dynamiek en efficiency van de chemische processen en de validering van modellen die ik daarbij gebruik verandert. Dat is een van de key ingrediënten om met succes een industrieel proces te ontwikkelen dat ook economisch haalbaar is.’
In situ metingen
Probleem is dat een stalen reactorvat geen directe mogelijkheden biedt om in situ, bijvoorbeeld in het centrum van de reactor, te zien wat er gebeurt. Van buiten naar binnen meten is onmogelijk. Dat maakt opschaling een langdurig en kostbaar proces dat hoofdzakelijk wordt bepaald door theoretische modellen en trial & error.
Om te kunnen meten in de reactor zijn bovendien sensoren nodig die bestand zijn tegen agressieve omstandigheden: chemicaliën, beweging, hoge temperaturen, hoge druk. Maar die ook hun meetgegevens mee naar buiten kunnen brengen: realtime of na afloop van het proces. Een mogelijke oplossing biedt ingenieursbureau Antea Group (het voormalige Oranjewoud), dat in samenwerking met de TU/e het technologieplatform Smarbles heeft ontwikkeld. Het gaat daarbij om ‘sensorballetjes’, een soort golfballen die bomvol zitten met elektronica en sensoren.
Kunstmatige intelligentie
‘De strategie is dat ze niet realtime communiceren, maar metingen doen in de reactor en die opslaan in intern geheugen. Ze bevatten ook een stukje kunstmatige intelligentie (AI) en kunnen hun gedrag tijdens de meting aanpassen, zodat ze altijd optimaal draaien. Een van onze studenten is nu bezig met de eerste voorbereidende ontwikkelingen zodat we deze sensoren bij BioBTX kunnen toepassen. Ze gaan dan een tijdje meedraaien in de reactor en worden er daarna uitgehaald, uitgelezen en geanalyseerd. De data is niet realtime, maar dat is niet zo belangrijk omdat ze een klokje hebben dat kan worden gesynchroniseerd. Dat de meting in situ gebeurt, is het belangrijkst.’
De onderzoekers zijn vooral geïnteresseerd in het bewegingspatroon. Dat geeft de vloeistofdynamiek in de reactor weer. Het bepalen van de positie van de sensorballen ten opzichte van elkaar en bijvoorbeeld de reactorwand is echter niet eenvoudig. GPS of radar hebben geen bereik in een stalen vat. Daarom worden de sensorballen voorzien van een ultrasoon-transceiver waarmee ze, net als duikboten, hun afstand tot de reactorwanden kunnen bepalen. Bovendien kunnen ze met elkaar informatie uitwisselen over hun positie. Zo ontstaat langzaamaan een beeld van waar de balletjes zijn en hoe ze zijn gepositioneerd tegenover elkaar.
Wat in chemische reactoren ook vaak een rol speelt, is dat er op een bepaald moment tijdens de reactie zuurstof of ander gas in de reactor moet worden geblazen, bijvoorbeeld om bacteriologische reacties te versterken. ‘Doordat deze gasbubbeltjes botsen met onze sensoren, kunnen we hun concentratie meten in een bepaalde locatie in de reactor. Zo kunnen we optimaliseren bij welke druk de reactor moet draaien, hoe sterk het gas moet worden ingeblazen en of er andere mixing-elementen nodig zijn om de effectiviteit te verhogen. Het is een typisch leerproces, waarin we de processen beter willen begrijpen om de modellen die we van deze processen hebben, te valideren en te verbeteren. Daarbij is alle data die we uit de analyse halen interessant. Zelfs als de meetresultaten niet helemaal perfect zijn. Want nu weten we helemaal niets.’
De verzamelde gegevens kunnen worden geanalyseerd door studenten van de opleiding Bio-informatica van de Hanzehogeschool. ‘Daar werken mensen die in staat zijn om grote datahoeveelheden te analyseren, al dan niet met toepassing van AI en Deep Learning. Aan de andere kant hebben we de experts van de TU/e en de RUG die deze data en de modellen van de reactoren samenvoegen en verbeteren.’
Ecosysteem
De sensortechnologie wordt nu verder ontwikkeld in samenwerking met studenten van de Hanzehogeschool. Doel daarvan is een snellere opschaling van chemische start-ups in de regio mogelijk te maken. ‘We willen een ecosysteem genereren van jonge, actieve bedrijven die deze technologie toepassen.’
De eerste sensorballetjes gaan naar verwachting volgend jaar al de reactoren in. Een vervolgstap is volgens Wörtche de ontwikkeling van een technologie om de gehele binnenzijde van de reactoren te bekleden met microsensoren voor vloeistofdynamiek. ‘Dan kunnen we op grote schaal vloeipatronen gaan meten.’
De technologie is niet beperkt tot de groene chemie, maar toepassing daar ligt volgens Wörtche voor de hand gezien de unieke faciliteiten die in het ZAP beschikbaar zijn: een fieldlab dat de focus legt op het opschalen van processen. ‘Het is de perfecte plek om deze innovaties van jonge ingenieurs direct in de praktijk te brengen.’
Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met Hanzehogeschool Groningen.
