Chromatografie benaderen als ingenieur
Bastienne Wentzel



"Wij willen niet één scheiding optimaliseren maar álle scheidingen optimaliseren."

Door het enthousiasme en de passie van de Brusselse hoogleraar Gert Desmet raakt de jonge chemisch ingenieur Ken Broeckhoven besmet met het onderzoekersvirus. Een decennium later wint Broeckhoven dezelfde prijs voor getalenteerde jonge wetenschappers in de scheidingstechnologie als zijn voorbeeld.

De '2019 Emerging Leader in Chromatography Award' die je in maart kreeg toegekend is bijzonder omdat het van de online community 'LCGC' vandaan komt, en omdat ook je promotor Gert Desmet hem eerder al won. Wat betekent deze Award voor jou?

"Dit is een heel mooie promo voor mijn werk en een hele eer omdat het magazine door veel mensen wereldwijd gelezen wordt. Niet alleen academici maar mensen die in de praktijk met chromatografie bezig zijn. Een van de leukste complimenten voor mijn lezing tijdens Pittcon ter ere van de prijs was dat mensen de lezing heel duidelijk, begrijpelijk en interessant vonden. Ik vind het belangrijk om een lezing zo te brengen dat je je publiek mee hebt, want alleen spreken voor de drie andere specialisten op je vakgebied die je werk toch al volgen, daar heb je niet zoveel aan."

Je bent chemisch ingenieur van origine. Hoe kom je in de vloeistofchromatografie terecht?

"Dat is eigenlijk door toedoen van mijn promotor Gert Desmet. Ik zag het aanvankelijk niet zitten om na mijn masterstudie nog vier jaar op de universiteit door te brengen, maar Gert was zo extreem enthousiast en gepassioneerd over het onderzoek dat ik na een jaar masteronderzoek in zijn groep overtuigd was om onderzoek te blijven doen. Het unieke aan onze groep is dat we de chromatografie niet als analytisch chemici benaderen maar als ingenieurs. We gebruiken technieken als CFD, 3D-printen of microchips voor het oplossen van vraagstukken. Dat geeft voor mij veel waarde aan het vak."

Wat was de stand van zaken op het gebied van HPLC toen jij begon rond 2004?

"Dat was een heel interessante periode, want de UHPLC (Ultra High Performance LC) was net geïntroduceerd, waarbij een druk tot 1000 bar werd gebruikt in plaats van 400 bar. De eerste vraagstukken waar ik aan werkte waren computersimulaties en metingen van de effecten van die hoge druk. Vloeistoffen zijn in eerste benadering onsamendrukbaar, eigenschappen als dichtheid en viscositeit worden dan ook meestal onafhankelijk van de druk beschouwd. Maar bij 1000 bar is dat allemaal niet meer zo correct. Je krijgt ook andere effecten zoals viskeuze opwarming waarbij de temperatuurverschillen de prestaties van het systeem beïnvloeden. Daarnaast werden partikels met een vaste kern en een poreuze laag ontwikkeld als stationaire fase-materiaal (de zogenaamde superficially porous particles), die betere prestaties leverden dan geheel poreuze deeltjes. Er is toen heel wat nieuwe technologie geïntroduceerd die langzamerhand mainstream is geworden."

In deze periode heb je ook de kinetische plot theorie van Gert Desmet verder ontwikkeld. Collega's noemen dit als je belangrijkste werk. Wat houdt het in?

"De klassieke methode om performantie te vergelijken in de chromatografie is de van Deemter curve. Die geeft een schotelhoogte als functie van de elutiesnelheid. Een kleinere schotelhoogte geeft een betere scheiding. Maar in de van Deemter vergelijking staat geen informatie over de benodigde druk en dus de maximaal mogelijke lengte van je kolom. Wanneer je bijvoorbeeld kiest voor kleinere deeltjes gaat de schotelhoogte omlaag wat een betere scheiding oplevert, maar de benodigde druk is veel hoger. Dus moet de elutiesnelheid omlaag, of moet je een kortere kolom gebruiken, wat dan weer een effect heeft op de efficiëntie. De kinetische plot is een combinatie van de schotelhoogte en de druk en geeft de tijd weer die je nodig hebt om een zekere efficiëntie te bereiken (efficiëntie is een omgekeerde maat voor de piekverbreding en daarmee voor de kwaliteit van de scheiding, bw). Met een kinetische plot kun je bijvoorbeeld zien dat je bij dezelfde druk voor een snellere scheiding met een lagere performantie het best kleine deeltjes gebruikt, en voor heel efficiënte scheidingen die wat langer mogen duren beter grote deeltjes gebruikt in langere kolommen."

Wat is jouw bijdrage aan de kinetische plot theorie?

"Gert Desmet heeft de theorie ontwikkeld voor isocratische scheidingen waarbij de vloeistoffase constant van samenstelling is. Ik heb de methode uitgebreid naar gradient scheidingen in LC en later aangepast voor GC en SFC (supercritical fluid chromatography, met superkritisch CO2 als vloeistoffase, bw). Het is een heel praktische tool die op allerlei vraagstukken toegepast kan worden. Zo hebben we laten zien dat de performantie van een HPLC-systeem bij 600 bar met relatief grote superficially porous particles hetzelfde is als een UHPLC systeem met kleinere, volledige poreuze deeltjes bij 1000 bar. Je kunt dus kiezen welk systeem het beste uitkomt, óf zowel hoge druk als superficially porous particles combineren voor een nog betere scheiding."

Dus eigenlijk een heel praktische tool. Wordt het ook zo gebruikt door analisten?

"We hebben met fabrikanten van HPLC-kolommen en -apparatuur samengewerkt om experimenteel te bewijzen dat de voorspelling van de kinetische plot juist is. Gebruikers nemen vaak een kolom en gebruiken die bij de opgegeven optimale snelheid. Maar een langere kolom bij een hogere druk zou dezelfde scheiding kunnen geven in minder tijd. Een probleem is dat in gereguleerde omgevingen (bijvoorbeeld de farmaceutische industrie) geen al te grote wijzigingen mogen aangebracht worden aan de methodes, omdat ze anders opnieuw moeten gevalideerd worden, wat de introductie van nieuwe technieken tegenhoudt."

Je recentere werk is meer toegepast van aard, je brengt de dilemma's in beeld die spelen binnen de vloeistofchromatografie.

"Ja dat kun je zo samenvatten. Wij zijn niet zozeer een groep die een scheidingsprobleem voor een specifiek staal oplost. Wij zijn meer van het grote plaatje. Dus niet: hoe kunnen we déze scheiding optimaliseren, maar: hoe kunnen we álle scheidingen optimaliseren. Hoe kunnen we onze toestellen verbeteren en wat is de reden achter de performantie die we zien? We vragen ons bijvoorbeeld af: wat zijn de gevolgen van die extreem hoge druk in UHPLC? Wat zijn de fundamentele limitaties en hoeveel zin heeft het om nog verder te gaan naar bijvoorbeeld 3000 bar? We hebben zelf zo'n systeem gebouwd met heel interessante resultaten. Er ontstaat bv. door viskeuze opwarming zoveel warmte dat de temperatuur aan het einde van de kolom kan oplopen tot 85 °C, waar deze in het begin van de kolom maar 20°C is. Het lijkt erop dat extreem hoge druktoestellen eerder geschikt zijn voor zeer efficiënte scheidingen dan voor heel snelle scheidingen omdat anders de kolom te kort en de opwarming te groot wordt."

Zie je deze extreem hoge druksystemen als belofte voor de toekomst?

"Ik denk dat op dit moment de technische uitdagingen vrij groot zijn voor zo'n systeem en dat er eerder geleidelijk steeds 100 bar bij zal komen. Parallel wordt er veel ingezet op multidimensionale chromatografie. In plaats van een scheiding optimaliseren doet men twee scheidingen achter elkaar die op heel verschillende interacties zijn gebaseerd. De uitdaging is om deze verschillende technieken op elkaar te laten aansluiten. Dat is wat onze groep binnen het ChIMiC-consortium gaat doen. De techniek is vooral geschikt voor extreem complexe stalen in bijvoorbeeld metabolomics of proteomics, met veel componenten en grote concentratieverschillen, waarbij men in alle componenten geïnteresseerd is. Ik verwacht dat de multidimensionale chromatografie de komende jaren steeds meer ingeburgerd zal raken, samen met miniaturisatie, dus capillaire systemen of chips voor kleinere stalen en draagbare systemen."