Femdobbelt boost i formaldehydudbytte

Der er et presserende behov for miljøvenlige metoder til industriel produktion af kemikalier. LMU-forskere beskrev for nylig en sådan procedure til syntese af formaldehyd, og har nu forbedret det ved hjælp af maskinlæring.

Formaldehyd er et af de vigtigste råvarer, der anvendes i den kemiske industri, og tjener som udgangspunkt for syntesen af ​​mange mere komplekse kemiske produkter. Industriel produktion af formaldehyd er i øjeblikket baseret på en storstilet procedure, som forbruger fossile brændstoffer og kræver et højt energiinput. Der er derfor et presserende behov for mere effektive og mere bæredygtige syntesemåder, som kan yde et væsentligt bidrag til at afbøde klimaet. LMU kemiker professor Oliver Trapp og hans kolleger har nu udviklet en ny arbejdsgang til fremstilling af formaldehyd, som er baseret på en algoritme konstrueret ved hjælp af maskinlæring. Den nye procedure øger udbyttet af forbindelsen med en faktor på 5, som holdet nu rapporterer i journalen Kemisk Videnskab . Forfatterne af undersøgelsen er overbevist om, at deres nye tilgang har et stort potentiale og i princippet kan anvendes til andre syntetiske procedurer.

Industriel syntese af formaldehyd begynder med syngas [en blanding af kulilte (CO) og molekylært brint (H2)] - hvortil methanol tilsættes, inden det oxideres ved hjælp af en katalysator. Imidlertid, selve produktionen af ​​syngas kræver høje temperaturer og fossile brændstoffer som naturgas eller kul. I en tidligere undersøgelse, LMU-forskerne beskrev udviklingen af ​​et reaktionsskema, der gjorde det muligt at syntetisere et formaldehydderivat i et enkelt trin fra en blanding af brintgas og kuldioxid, i nærværelse af en homogen katalysator, under moderate temperatur- og trykforhold. Ved tilsætning af methanol, dette derivat kunne derefter omdannes til det ønskede slutprodukt. Strategien har en række fordele i forhold til den konventionelle procedure. "Først og fremmest, det tillader CO ₂ , som er et biprodukt af flere industrielle processer (f.eks. i produktionen af ​​stål), der skal genanvendes. Så denne tilgang øger ikke kun effektiviteten af ​​formaldehydsyntese, det reducerer også akkumuleringshastigheden af ​​CO ₂ i atmosfæren. I lyset af de igangværende klimaændringer, dette er en meget efterspurgt og meget velkommen bivirkning af proceduren, " siger Trapp. "Desuden, hele processen kræver langt mindre energi end alternative synteseveje, da det forekommer ved lavere temperaturer og involverer færre trin."

Gruppen har nu optimeret denne procedure ved at variere ikke mindre end syv parametre, der påvirker udbyttet af formaldehydsyntese i deres system, og bruge maskinlæring til at identificere de parameterkombinationer, der giver de bedste resultater. Det væsentlige ved maskinlæringsalgoritmer er, at de er i stand til at lære af erfaring, når de forsynes med passende 'trænings'-datasæt. "I den metode, vi brugte, kaldet tilfældig skov, de indledende datasæt indeholder valide resultater opnået på grundlag af empiriske observationer eller beregninger, " siger Trapp. En delmængde af disse data bruges til at træne algoritmen, så den kan konstruere en matematisk sammenhæng mellem disse inputdata og de tilsvarende resultater. Så resultatet af dette trin er en matematisk model. Modellens evne til at redegøre for resten af ​​dataene kan derefter evalueres, og modellen kan tunes gradvist.

Ved at bruge denne metode, LMU-teamet var i stand til at bestemme de optimale reaktionsbetingelser for deres kemiske system. Ved at indstille inputparametrene korrekt i en ny reaktionsopsætning, de var i stand til at teste effektiviteten af ​​algoritmen direkte. "Det nye reaktionsskema øgede effektiviteten af ​​syntese med 500% i forhold til den konventionelle måde for formaldehydproduktion, " siger Trapp. "Dette resultat overgik væsentligt vores forventninger, og det demonstrerer potentialet i moderne algoritmer til at maksimere resultater med minimal praktisk indsats."

Forfatterne er overbeviste om, at deres resultater vil motivere kemiingeniører til at adoptere processen og implementere den i teknisk skala. "BASF, vores partner i projektet, er allerede i gang med at vurdere processens industrielle relevans, " siger Trapp. I betragtning af at den årlige globale produktion af formaldehyd overstiger 20 millioner tons med en betydelig margin, og efterspørgslen efter stoffet fortsætter med at stige, dette forholdsvis godartede alternativ til den nuværende syntesemetode kunne yde et mærkbart bidrag til reduktionen af ​​drivhusgasser.