• Facebook
  • LinkedIn
  • KONTAKT
  • ANNONCERING
  • OM KEMIFOKUS
  • PARTNERLOGIN

KemiFOKUS

Fokus på kemi

  • Analytisk kemi
  • Arbejdsmiljø/Indeklima
  • Biokemi
  • Biologi
  • Bioteknologi
  • Branchenyt
  • Energi
  • Fødevarekemi
  • Historisk kemi
  • Kemiteknik
  • Kemometri
  • Klikkemi
  • Klima og miljø
  • Lovgivning og patenter
  • Medicinalkemi
  • Nanoteknologi
  • Organisk kemi
  • Artikler fra Dansk Kemi

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik22. 12. 2020 | Heidi Thode

Hybride modeller: En pragmatisk implementering af Industri 4.0

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik22. 12. 2020 By Heidi Thode

Ved at kombinere avanceret maskinlæring og traditionel kemisk og biokemisk modellering, kan hybridmodelleringskonceptet være den gamechanger, der er nødvendig for en realiserbar implementering af Industri 4.0.

Læs originalartiklen her

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 8, 2020 og kan læses uden illustrationer, strukturer og ligninger herunder.

Af Rasmus Fjordbak Nielsen1, Nima Nazemzadeh1, Martin Peter Andersson2, Krist V. Gernaey1 og Seyed Soheil Mansouri1
1 Process and Systems Engineering Center, Institut for Kemiteknik, Danmarks Tekniske Universitet
2 Combustion and Harmful Emission Control Center, Institut for Kemiteknik, Danmarks Tekniske Universitet

Digitalisering af kemiske og biokemiske processer er kommet langt i de sidste to årtier. Mulighederne for systematisk dataindsamling er blevet flere og væsentligt forbedrede. Mange nye måleteknikker er opstået og de eksisterende er blevet væsentligt forbedret samt automatiseret. Som følge af dette er det for en lang række af kemiske og biokemiske processer nu muligt at monitorere både kritiske kvalitetsattributter (CQA) og kritiske procesparametre (CPP), hvilket giver mulighed for nye og forbedrede procesautomatiseringer.
Med den øgede tilgængelighed af data og mangfoldigheden af proces​​sensorer er det oplagt at tro, at datadrevet modellering, populært kendt som maskinlæring, er en god måde at udnytte den ekstra information på. Især når man ser på forskellige anvendelser af maskinlæring i dag. Dette kan for eksempel være i selvkørende biler, hvor data kan komme fra flere radarer, lys- og ultralydssensorer og videokameraer. Dette illustrerer rigtig godt, hvordan maskinlæring kan udnytte mange forskellige inputs uden behov for konventionel programmering (svarende til modellering baseret på basale fysiske principper).
I modsætning til mange anvendelser af maskinlæring, kan dataindsamling inden for industrielle rammer dog stadig være forbundet med relativt høje omkostninger, især i den tidlige udvikling af en ny proces. Dette resulterer typisk i færre data, der kan bruges til træning af den datadrevne model og dermed også en lavere pålidelighed af modellen. Desuden ønskes det ofte at have en model, der kan forklare procesdynamikken i stedet for blot at kunne forudsige dem. På den anden side kan en mere pålidelig model, baseret på traditionel modellering, være for dyr og tidskrævende at udlede, da dette let kan kræve en omfattende mængde eksperimentelt arbejde.
Som afvejning mellem de traditionelle modeller, baseret på fysiske og kemiske principper og modeller, baseret udelukkende på data, findes konceptet kaldet hybridmodellering. Denne metode udnytter det bedste fra begge verdener, herunder fleksibiliteten i maskinlæringsmodeller samt udnyttelsen af ​​eksisterende procesviden i form af traditionelle matematiske modeller. Dette giver en mere robust model sammenlignet med en fuldt ud datadrevet model og er samtidigt et mere pragmatisk valg sammenlignet med modeller baseret udelukkende på traditionel modellering.
Denne type af modellering er i øjeblikket et forskningsfokus på Institut for Kemiteknik på DTU. Mange forskellige kemiske og biokemiske processer modelleres her i øjeblikket ved hjælp af hybride modeller, herunder fermentering, kromatografi, krystallisation og flokkuleringsprocesser.

Det kendte og det ukendte:
et eksempel på hybridmodellering

En af de processer, der for tiden bliver undersøgt ved hjælp af hybridmodelleringsmetoden, er flokkulerings-processen, som traditionelt har været svær at modellere. Dette bliver udført i samarbejde med Novozymes og en dansk producent af analyseinstrumenter til online og at-line partikelanalyse, ParticleTech ApS. I disse studier er en laboratorie-flokkulering af silicapartikler i vand blandt andet blevet undersøgt, hvor målet er at forudsige partikelstørrelsesfordelingen i slutningen af ​​en batchoperation.
For en række batchoperationer blev partikelstørrelsesfordelingen målt løbende ved at tage billeder af silica-partiklerne i den vandige suspension. Dette blev gjort ved hjælp af en avanceret billedanalysesensor, udviklet af BioSense Solutions ApS. Billederne blev efterfølgende segmenteret, og partikelstørrelser blev ekstraheret ved hjælp af ParticleTech Analyzer-softwaren (udviklet af ParticleTech ApS). Desuden blev pH og omrøringshastigheden målt.
For denne proces fortæller vores forudgående viden os, at de dominerende fænomener er agglomerering og brud af partikler. Det er desuden muligt at opsætte en massebalance, som kobler disse fænomener sammen. Massebalancen ved agglomerering og brud udgør vores mekanistiske model. De kinetiske hastighedsudtryk for agglomerering og brud er derimod ukendte, og skal dermed bestemmes ved hjælp af den datadrevne model. Med denne struktur vil det desuden være muligt at tilføje mere procesviden til modellen, enten som yderligere input til den datadrevne model eller som direkte input til den mekanistiske model.
Til at modellere agglomerationshastigheden, brudhastigheden og datterpartikel-størrelsesfordelingen (på grund af brud af partikler) blev der anvendt et dybt neuralt netværk. Inputtet til det neurale netværk var her alle de målte procesvariable. Denne model viste sig at være i stand til at forudsige systemets adfærd til en vis grad, se model A i figur 2 [1]. Ikke desto mindre syntes det, at i tilfælde af lavere pH ville den hybride model have vanskeligheder med at forudsige agglomerationshastigheden nøjagtigt.
Dette blev forbedret ved at tilføje mere viden, baseret på yderligere fysisk forståelse til den hybride model [2]. Det vides nemlig, at silica har tendens til at aggregere ved lavere pH-værdier (pH <3), da tiltrækningskræfterne overvinder de frastødende kræfter blandt molekylerne. For højere pH kan de ikke overvinde de frastødende kræfter, og sandsynligheden for at partiklerne vil skabe aggregater, bliver dermed meget lille. Ved at beregne kollisionseffektiviteten ved hjælp af Derjaguin, Landau, Vervey og Overbeek-teorien (DLVO), der tager højde for tiltrækning og frastødning af partikler, og tilføje dette som input til maskinlæringsmodellen, kunne man yderligere forbedre forudsigelsen, se model B i figur 2. Dette illustrerer rigtig fint, hvor let maskinlæringsmodellen kan tilpasses til flere inputs (både sensordata og/eller forudsigelser baseret på yderligere fysisk/kemisk baserede modeller) og derved agere som en lim mellem traditionelle modeller og danne en hybrid model, som på en effektiv måde kan kombinere klassisk viden med de store mængder data, der bliver genereret i industrien.

Hybride modellers rolle i Industri 4.0
Med en hybrid procesmodel er der mange proces-udviklings- og driftsopgaver, der kan blive gjort lettere. Frem for alt kan den tidlige udvikling og design af en ny proces have meget gavn af en fleksibel procesmodel. I denne fase kan forståelsen af ​​procesdynamikken være meget begrænset, hvilket betyder, at en traditionel kemisk-fysisk model ikke er let tilgængelig. Da hybride modeller er meget mere fleksible, kan denne type model anvendes selv med mindre procesforståelse og derefter forbedres gradvist, når flere og flere data indsamles, og der opnås en bedre procesforståelse. Dette giver mulighed for at designe eksperimenter baseret på en model (kendt som modelbaseret design af eksperimenter). Dette resulterer i, at procesdynamikken og de optimale procesbetingelser kan bestemmes hurtigere og det ved brug af færre eksperimenter.
Desuden kan den hybride model gradvist forbedres i løbet af processens levetid ved at træne modellen med operationelle data. Dette resulterer i den såkaldte digitale tvilling, som kan bruges til at give procesoperatøren forudsigelser af procesresultatet i realtid og muliggøre afbødning af potentielle procesforstyrrelser. Endelig kan en hybridmodel væsentligt lette implementeringen af ​​realtidsoptimering og/eller komplekse kontrolstrategier, såsom modelbaseret proceskontrol [3]. Disse metoder giver blandt andet mulighed for en forbedret kontrol af de kritiske kvalitetsattributter, men giver også mulighed for let at tilpasse sig skiftende produktkrav.
Alt i alt har hybridmodellering et stort potentiale til at reducere tiden brugt på udvikling af en nøjagtig og fungerende matematisk model, der skal bruges i industriel produktion, herunder i den indledende procesudvikling, til procesovervågning og proceskontrol.

Anerkendelser
Forfatterne af denne artikel vil gerne takke alle de involverede industrielle og akademiske partnere i udviklingen af de præsenterede værktøjer. Ydermere vil vi gerne udtrykke en stor tak for den økonomiske støtte til dette projekt fra Greater Copenhagen Food Innovation-projektet (CPH-Food), Novozymes, EU’s regionale fond (BIOPRO-SMV-projektet) og fra Innovationsfonden Danmark gennem det strategiske forskningscenter BIOPRO2 (Sags nr. 4105-00020B).

E-mail:
Rasmus Fjordbak Nielsen: rfjoni@kt.dtu.dk

Referencer:
1. R.F. Nielsen, N. Nazemzadeh, L.W. Sillesen, M.P. Andersson, K. V Gernaey, S.S. Mansouri, Hybrid machine learning assisted modelling framework for particle processes, Comput. Chem. Eng. 140 (2020).
2. N. Nazemzadeh, L.W. Sillesen, R.F. Nielsen, M.N. Jones, K. V. Gernaey, M.P. Andersson, S.S. Mansouri, Integration of Computational Chemistry and Artificial Intelligence for Multi-scale Modeling of Bioprocesses, Comput. Aided Chem. Eng. 48 (2020) 295-300.
3. F. Nielsen, Rasmus, K. V. Gernaey, S.S. Mansouri, A hybrid model predictive control strategy using neural network based soft sensors for particle processes, Comput. Aided Chem. Eng. 48 (2020) 1177-1182.

Skrevet i: Artikler fra Dansk Kemi, Kemiteknik

Seneste nyt fra redaktionen

Hvad sker der på spildevandsanlægget, når ”det pisser ned”?

Analytisk kemiArtikler fra Dansk KemiTop25. 02. 2026

Hvordan moderne kemiske analysemetoder hjælper os til at forstå dynamikken af mikroforureninger i spildevandet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Kristoffer Kilpinen1, Selina

ISO 13391 og ISO 25078

Artikler fra Dansk KemiGrøn omstilling18. 02. 2026

– beregning af skovens klimaeffekter En ny international ISO-standard for beregning af skovens klimaeffekter giver emnet fornyet aktualitet. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af

Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi18. 02. 2026

Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Kemisk Forenings Nomenklaturudvalg (KFNU) i dets nuværende inkarnation daterer sig fra 1940. Udvalgets første større bedrift var i 1952 at nedkomme med

CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

CleanCloud er et EU-finansieret forskningsprojekt, hvor der blandt andet er udført to målekampagner på Villum Research Station (VRS) på Station Nord i Nordgrønland, med det formål at undersøge, hvordan partikler og skyer interagerer. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses

Supporting chemical thermodynamics:

Artikler fra Dansk KemiKemiteknik18. 02. 2026

The role of infrared spectroscopy The use of molecular vibrations to probe structure in hydrogen bonding liquids. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) By Evangelos Drougkas, Georgios

To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

Artikler fra Dansk KemiHistorisk kemi18. 02. 2026

Naturvidenskab kom ind i latinskolen – den lærde skole – i midten af 1800-tallet. Hvad var det for lærere, der underviste i naturvidenskab i den lærde skole og realskolen? Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Svampe giver køerne kamp til stregen, når det kommer til produktion af mælkeprotein

Artikler fra Dansk KemiBioteknologi18. 02. 2026

Vores fødevareproduktion er alt for klimabelastende, og én af løsningerne findes i mælkeprotein produceret af svampe med en teknologi, der kaldes præcisionsfermentering. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs

Konsekvenserne af kunstig iltning af søer

Artikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

- effektvurdering på Danmarks længst iltede søer: Hald Sø og Furesø. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer eller ligninger herunder(læs originalartiklen her) Af Sofie Kamlarczyk1, Henrik Skovgaard2, Julia Groth1, Theis Kragh1 og Kasper

Strontium understøtter tandemaljens robusthed – men hvordan?

Artikler fra Dansk KemiMedicinalkemi18. 02. 2026

Fluorid styrker tænders emalje ved at erstatte hydroxid i hydroxyapatit og sænke opløseligheden. Strontium styrker også tænders emalje, selv om strontium-analogen til Ca5(OH)(PO4)3 er mere opløselig. Artiklen har været bragt i Dansk Kemi nr. 1, 2026 og kan læses uden illustrationer, strukturer

Per- og polyfluorerede alkylstoffer (PFAS)

AktueltArtikler fra Dansk KemiKlima og miljø18. 02. 2026

– et problem i hele Kongeriget Danmark Seneste års monitering viser, at miljøet og mennesker i Danmark, Færøerne og Grønland kan være kritisk belastet af per- og polyfluorerede alkylstoffer (de såkaldte PFAS). I Danmark har brugen af PFAS – i særligt industrien, landbruget og brandøvelser – været

Tilmeld Nyhedsbrev

Tilmeld dig til dit online branchemagasin/avis





Få fuld adgang til indlægning af egne pressemeddelelser...
Læs mere her

/Nyheder

  • DENIOS ApS

    Find det perfekte opsamlingskar på et øjeblik

  • MD Scientific

    PuriFlash oprensningssystem

  • Holm & Halby

    WorkShop: Fryserrobotter

  • DENIOS ApS

    Lithiumbatterier: Sådan sikrer du din virksomhed

  • Busch Vakuumteknik A/S

    Energiomkostninger reduceret med 50% via et centraliseret vakuumsystem

  • Kem-En-Tec Nordic

    Nyt produkt – Streptavidin

  • DENIOS ApS

    Sådan fejrer vi valentinsdag hos DENIOS

  • Holm & Halby

    Holm & Halby klar med seminarprogram for foråret 2026

  • Holm & Halby

    TÜV-certificering styrker dokumenteret kvalitet hos Holm & Halby

  • Holm & Halby

    Workshop sætter fokus på Green Chemistry i sporstofanalysen

Vis alle nyheder fra vores FOKUSpartnere ›

Seneste Nyheder

  • Hvad sker der på spildevandsanlægget, når ”det pisser ned”?

    25.02.2026

  • ISO 13391 og ISO 25078

    18.02.2026

  • Ti, Mo, Cs, Pr, Nd – hvad har disse fem til fælles?

    18.02.2026

  • CleanCloud målekampagne i Nordøstgrønland

    18.02.2026

  • Supporting chemical thermodynamics:

    18.02.2026

  • To naturfagslærere fra slutningen af 1800-tallet

    18.02.2026

  • Svampe giver køerne kamp til stregen, når det kommer til produktion af mælkeprotein

    18.02.2026

  • Konsekvenserne af kunstig iltning af søer

    18.02.2026

  • Strontium understøtter tandemaljens robusthed – men hvordan?

    18.02.2026

  • Per- og polyfluorerede alkylstoffer (PFAS)

    18.02.2026

  • Grønlandske miner og metaller  

    10.02.2026

  • 2026-udgaven af Torkil Holm Prisen måtte deles af to markante forskningsprofiler

    03.02.2026

  • Italienskfødt, dansk-bosat forsker modtager årslegat for at sætte molekyler på menuen

    27.01.2026

  • To år med enhedspatentet og Enhedspatentdomstolen

    26.01.2026

  • Materialer til konstruktion af små modulære atomreaktorer med smeltet fluorid-salt

    20.01.2026

Alle nyheder ›

Læs Dansk Kemi online

Annoncering i Dansk Kemi

KONTAKT

TechMedia A/S
Naverland 35
DK - 2600 Glostrup
www.techmedia.dk
Telefon: +45 43 24 26 28
E-mail: info@techmedia.dk
Privatlivspolitik
Cookiepolitik