Semi-supervised machine learning approach for reaction stoichiometry and kinetic model identification using spectral data from flow reactors

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出版日 2023-10-11
DOI 10.1039/D3RE00334E
インパクトファクター 4.239
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要旨

Continuous flow reactors integrated with spectroscopic instruments allow for rapid collection of informative spectral data. The measured spectral data and a calibration model can be used to monitor reaction progress, elucidate reaction kinetics, and gain mechanistic insights efficiently. However, developing a calibration model is a time and resource-consuming task. Here, we propose a novel calibration-free integrated model identification framework, called, a semi-supervised machine learning approach (SSML) for identifying reaction systems rapidly using spectral data with minimal labelled data. Using the proposed SSML approach, the stoichiometric matrix and physically meaningful extents of reaction are identified from spectral data alone without invoking kinetic models. Subsequently, the computed extents are used for kinetic model discrimination and parameter estimation using the incremental identification method. The proposed method is demonstrated using an enzymatic hydrolysis reaction and a complex Wittig reaction system carried out in a micro-reactor equipped with an in situ UV-visible spectrophotometer. The results from the proposed calibration-free modelling framework are compared with those obtained using the traditional calibration-based method.

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Reaction Chemistry & Engineering

Reaction Chemistry & Engineering
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Reaction Chemistry & Engineering is an interdisciplinary journal reporting cutting-edge research focused on enhancing the understanding and efficiency of reactions. Reaction engineering leverages the interface where fundamental molecular chemistry meets chemical engineering and technology. Challenges in chemistry can be overcome by the application of new technologies, while engineers may find improved solutions for process development from the latest developments in reaction chemistry. Reaction Chemistry & Engineering is a unique forum for researchers whose interests span the broad areas of chemical engineering and chemical sciences to come together in solving problems of importance to wider society. All papers should be written to be approachable by readers across the engineering and chemical sciences. Papers that consider multiple scales, from the laboratory up to and including plant scale, are particularly encouraged.

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