De Brusselse Ken Broeckhoven voelt zich geëerd met de 2019 Emerging Leader in Chromatography Award. Hoe heeft hij bijgedragen aan de chromatografie in zijn nog jonge carrière?

Door het enthousiasme en de passie van de Brusselse hoogleraar Gert Desmet raakt de jonge chemisch ingenieur Ken Broeckhoven (36) 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 van de online-community LCGC.

 

Wat betekent die prijs voor jou?

‘Dit is een heel mooie promo voor mijn werk en een hele eer, omdat veel mensen wereldwijd het magazine lezen. Niet alleen academici, maar ook 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 om vraagstukken op te lossen. 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. Daarbij gebruikte je een druk tot 1.000 bar in plaats van 400 bar. De eerste vraagstukken waaraan ik werkte, waren computersimulaties en metingen van de effecten van die hoge druk. Vloeistoffen zijn in eerste benadering onsamendrukbaar, eigenschappen als dichtheid en viscositeit beschouw je dan ook meestal onafhankelijk van de druk. Maar bij 1.000 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 zijn in die tijd partikels ontwikkeld met een vaste kern en een poreuze laag als stationaire fase-materiaal, 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 die periode heb je ook de kinetische-plottheorie 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. Dit levert een betere scheiding op, 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, red.). 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-plottheorie?

‘Gert Desmet heeft de theorie ontwikkeld voor isocratische scheidingen waarbij de vloeistoffase constant van samenstelling is. Ik heb de methode uitgebreid naar gradiëntscheidingen in LC en later aangepast voor GC en SFC, supercritical fluid chromatography, met superkritisch CO₂ als vloeistoffase. Het is een heel praktische tool die je op allerlei vraagstukken kunt toepassen. 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 1.000 bar. Je kunt dus kiezen welk systeem het beste uitkomt, of zowel hoge druk als superficially porous particles combineren voor een nog betere scheiding.’

 

‘De technische uitdagingen voor systemen met extreme druk zijn vrij groot’

 

Dus eigenlijk een heel praktische tool. Gebruiken analisten het ook zo?

‘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 zetten die in 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 je in gereguleerde omgevingen, zoals de farmaceutische industrie, geen al te grote wijzigingen mag aanbrengen aan de methodes, omdat ze anders opnieuw moeten worden gevalideerd, 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 sample 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?

Zo vragen we ons af wat de gevolgen zijn van die extreem hoge druk in UHPLC. Wat zijn de fundamentele limitaties en hoeveel zin heeft het om nog verder te gaan naar bijvoorbeeld 3.000 bar? We hebben zelf zo’n systeem gebouwd met heel interessante resultaten. Er ontstaat door viskeuze opwarming zo veel warmte dat de temperatuur aan het einde van de kolom kan oplopen tot 85 °C, waar die in het begin van de kolom maar 20 °C is. Het lijkt erop dat extreem-hogedruktoestellen 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 die extreem-hogedruksystemen 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, doe je twee scheidingen achter elkaar die op heel verschillende interacties zijn gebaseerd. De uitdaging is om die 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 je in alle componenten geïnteresseerd bent. Ik verwacht dat de multidimensionale chromatografie de komende jaren steeds meer ingeburgerd zal raken, samen met miniaturisatie, dus capillaire systemen of chips voor kleinere samples en draagbare systemen.’

---

 

CV Ken Broeckhoven

2017-heden: associate professor, Vrije Universiteit Brussel (VUB)
2012-2017: tenure track professor, VUB
2010-2013: postdoctoral researcher, VUB
2006-2010: promotie in vloeistof­chromatografie, VUB
2001-2006: master burgerlijk scheikundig ingenieur, VUB