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dc.creatorFuhr, Ana Carolina Ferreira Piazzi
dc.date.accessioned2023-04-18T19:53:36Z
dc.date.available2023-04-18T19:53:36Z
dc.date.issued2023-02-16
dc.identifier.urihttp://repositorio.ufsm.br/handle/1/28742
dc.description.abstractFructooligosaccharides separation and purification are crucial for industrial applications where such methods are critically needed. However, some specific characteristics of the process can affect the selectivity of the separation process. In this work, machine learning models and additive explanation techniques were used in order to identify and analyze the main variables that affect the separation process. Initially, a comparison was made between activated carbon and zeolite as adsorbents in fixed bed columns, to determine which one has the highest selectivity for the fructooligosaccharides separation. To compare the adsorbents, eXtreme Gradient Boosting and Shapley Additive explanation were used to determine the best process conditions for each adsorbent considering the variables, temperature, time and ethanol concentration. The eXtreme Gradient Boosting showed high predictive power for both adsorbents, reaching of 0.84 0.91 for activated carbon and 0.87 0.98 for zeolite. Activated charcoal shows selectivity for fructooligosaccharides at low ethanol concentrations (7.95% v/v). Zeolite required ethanol concentrations about 8 times higher than activated carbon. In the second step, the prediction of the concentrations of the saccharides separated from a mixture containing fructooligosaccharides in zeolite fixed bed columns was carried out, using different models of machine learning, Decision Trees, Random Forest, Gradient Boosting, AdaBoost and Neural Networks Artificial. The feature importance was performed in tree-based models. Input variables were time, temperature, ethanol concentration, eluent flow rate, percentage ratio of injection volume to bed. Gradient Boosting was the best model to predict concentrations, showing 0.600 0.840, 0.0590 22.318 and 0.187 3.002 for test data. Most significant variables: ethanol concentration (for glucose concentration), percentage ratio of injection volume to bed (for fructose concentration) and time (for sucrose and fructooligosaccharides concentration). Finally, a survey of different experimental conditions was carried out in the literature, such as type of adsorbent, type of eluent, eluent concentration, eluent flow rate, temperature, column dimensions, which affect the fructooligosaccharides purity. For this, a selection of the best model, AdaBoost, Decision Tree, Random Forest, eXtreme Gradient Boosting, K Nearest Neighbors, and Ridge Regression, was performed to predict purity. After selection, the best model was optimized, and the Shapley Additive explanation methodology was applied to identify the most important variables. The best model for prediction was the Random Forest, presenting of 0.935, of 0.868, of 36.313, of 4.849, of 6.026, and of 7.885%, for test data. According to the Shapley Additive explanation the variables that most affect purity are: diameter, eluent concentration, temperature, eluent flow rate, activated carbon as adsorbent and length. The results obtained showed that machine learning is a valuable tool to better understand the ideal conditions for the fructooligosaccharides separation, allowing higher recovery rates and greater efficiency.eng
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESpor
dc.languageporpor
dc.publisherUniversidade Federal de Santa Mariapor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/*
dc.subjectAprendizado de máquinapor
dc.subjectTécnicas de explicação aditivaspor
dc.subjectSeparaçãopor
dc.subjectPurificaçãopor
dc.subjectMachine learningeng
dc.subjectAdditive explanation techniqueseng
dc.subjectSeparationeng
dc.subjectPurificationeng
dc.titleModelos de aprendizado de máquina interpretáveis aplicados na predição da separação e purificação de frutooligosacarídeospor
dc.title.alternativeNterpretable machine learning models applied to the prediction of separation and purification of fructoligosaccharideseng
dc.typeTesepor
dc.description.resumoA separação e a purificação de frutooligossacarídeos é crucial para aplicações industriais em que tais métodos são extrememente necessários. No entanto, algumas características específicas do processo podem afetar a seletividade de separação. Neste trabalho, foram utilizados modelos de aprendizado de máquina e técnicas de explicação aditivas a fim de identificar e analisar as principais variáveis que afetam o processo de separação. Inicialmente, foi realizado uma comparação entre carvão ativado e zeólita como adsorventes em colunas de leito fixo, para determinar qual deles tem a maior seletividade para separação de frutooligossacarídeos. Para a comparação dos adosrventes, foram utilizadas eXtreme Gradient Boosting e Shapley Additive explanation para determinar as melhores condições de processo para cada adsorvente considerando as variáveis, temperatura, tempo e concentração de etanol no eluente. O eXtreme Gradient Boosting apresentou alto poder preditivo para ambos os adsorventes, atingindo de 0,84 0,91 para carvão ativado e 0,87 0,98 para zeólita. O carvão ativado mostra seletividade para frutooligossacarídeos em baixas concentrações de etanol (7,95% v/v). A zeólita exigiu concentrações de etanol cerca de 8 vezes maiores do que o carvão ativado. Na segunda etapa, foi realizada a previsão das concentrações dos sacarídeos separados de uma mistura contendo frutooligossacarídeos em colunas de leito fixo de zeólita, por meio de diferentes modelos de aprendizado de máquina, Árvores de Decisão, Floresta Randômica, Gradient Boosting, AdaBoost e Redes Neurais Artificiais. A importância das variáveis foi realizada em modelos baseados em árvore. As variáveis de entrada foram tempo, temperatura, concentração de etanol, taxa de fluxo do eluente, razão percentual de volume da injeção para o leito. O Gradient Boosting foi o melhor modelo para prever as concentrações, mostrando 0,600 0,840, 0,0590 22,318 e 0,187 3,002 para dados de teste. Variáveis mais significativas: concentração de etanol (para a concentração de glicose), razão percentual de volume da injeção para o leito (para a concentração de frutose) e tempo (para a concentração de sacarose e frutooligossacarídeos). Por último, foi realizada uma prospecção na literatura de diferentes condições experimentais, como tipo de adsorvente, tipo de eluente, concentração de eluente, taxa de fluxo de eluente, temperatura, dimensões da coluna, que afetam a pureza dos frutooligossacarídeos. Para isso foi realizada uma seleção do melhor modelo, AdaBoost, Árvore de Decisão, Floresta Randômica, eXtreme Gradient Boosting, K Nearest Neighbors, e Regressão Ridge, para a predição da pureza. Após a seleção, o melhor modelo foi otimizado e aplicada a metodologia Shapley Additive explanation para identificar as variáveis mais importantes. O melhor modelo para a predição foi a Floresta Randômica, apresentando de 0,935, de 0,868, de 36,313, de 4,849, de 6,026, e de 7,885%, para dados de teste. De acordo com a Shapley Additive explanation as variáveis que mais afetam a pureza são: diâmetro, concentração de eluente, temperatura, taxa de fluxo do eluente, carvão ativado como adsorvente e comprimento. Os resultados obtidos mostraram que o aprendizado de máquina é uma ferramenta valiosa para entender melhor as condições ideais para a separação de frutooligossacarídeos, permitindo taxas de recuperação mais altas e maior eficiência.por
dc.contributor.advisor1Salau, Nina Paula Gonçalves
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4234840503539989por
dc.contributor.advisor-co1Kuhn, Raquel Cristine
dc.contributor.referee1Carvalho, Frede de Oliveira
dc.contributor.referee2Forte, Marcus Bruno Soares
dc.contributor.referee3Silveira, Christian Luiz da
dc.contributor.referee4Rodrigues, Rodolfo
dc.creator.Latteshttp://lattes.cnpq.br/8848158642213383por
dc.publisher.countryBrasilpor
dc.publisher.departmentEngenharia Químicapor
dc.publisher.initialsUFSMpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Engenharia Químicapor
dc.subject.cnpqCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICApor
dc.publisher.unidadeCentro de Tecnologiapor


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