Aplicación de Modelos de Aprendizaje Automático en Bioreactores Coaxiales: Clasificación y Predicción de Torque
Autores: Rahimzadeh, Ali; Ranjbarrad, Samira; Ein-Mozaffari, Farhad; Lohi, Ali
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2024
Acceso abierto
Artículo científico
2024
Aplicación de Modelos de Aprendizaje Automático en Bioreactores Coaxiales: Clasificación y Predicción de Torque
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Química
Palabras clave
Bioreactores coaxiales
Dispersión de gases
Hidrodinámica
Eficiencia del bioreactor
Dinámica de fluidos computacional
Modelos de aprendizaje automático
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
Consultas: 29
Citaciones: Sin citaciones
Los biorreactores coaxiales son conocidos por dispersar eficazmente gas dentro de fluidos no newtonianos. Sin embargo, debido a su complejidad de diseño, muchos aspectos de su diseño y función, incluida la relación entre la hidrodinámica y la eficiencia del biorreactor, permanecen inexplorados. Hoy en día, varios modelos numéricos, como la dinámica de fluidos computacional (CFD) y modelos de inteligencia artificial, ofrecen oportunidades excepcionales para investigar el rendimiento de los biorreactores coaxiales. Por primera vez, este estudio aplicó varios modelos de aprendizaje automático, tanto clasificadores como regresores, para predecir el par generado por un biorreactor coaxial. En este sentido, se realizaron 500 simulaciones CFD a diferentes tasas de aireación, velocidades del impulsor central, velocidades del impulsor ancla y modos de rotación. Los resultados obtenidos de las simulaciones CFD se utilizaron para entrenar y probar los modelos de aprendizaje automático. Se realizaron escalado cuidadoso de características y validación cruzada k-fold para mejorar el rendimiento de todos los modelos y prevenir el sobreajuste. Un hallazgo clave del estudio fue la importancia de seleccionar las características adecuadas para el modelo. Resulta que solo con conocer la velocidad del impulsor central y el par generado por el biorreactor coaxial, el modo de rotación se puede etiquetar con perfecta precisión utilizando modelos de vecinos más cercanos (kNN) o máquinas de soporte vectorial. Además, se examinaron modelos de regresión, incluidos perceptrones multicapa, kNN y bosques aleatorios, para predecir el par de los impulsores coaxiales. Los resultados mostraron que el modelo de bosque aleatorio superó a todos los demás modelos. Finalmente, el análisis de importancia de características indicó que el modo de rotación era el parámetro más significativo para determinar el valor del par.
Descripción
Los biorreactores coaxiales son conocidos por dispersar eficazmente gas dentro de fluidos no newtonianos. Sin embargo, debido a su complejidad de diseño, muchos aspectos de su diseño y función, incluida la relación entre la hidrodinámica y la eficiencia del biorreactor, permanecen inexplorados. Hoy en día, varios modelos numéricos, como la dinámica de fluidos computacional (CFD) y modelos de inteligencia artificial, ofrecen oportunidades excepcionales para investigar el rendimiento de los biorreactores coaxiales. Por primera vez, este estudio aplicó varios modelos de aprendizaje automático, tanto clasificadores como regresores, para predecir el par generado por un biorreactor coaxial. En este sentido, se realizaron 500 simulaciones CFD a diferentes tasas de aireación, velocidades del impulsor central, velocidades del impulsor ancla y modos de rotación. Los resultados obtenidos de las simulaciones CFD se utilizaron para entrenar y probar los modelos de aprendizaje automático. Se realizaron escalado cuidadoso de características y validación cruzada k-fold para mejorar el rendimiento de todos los modelos y prevenir el sobreajuste. Un hallazgo clave del estudio fue la importancia de seleccionar las características adecuadas para el modelo. Resulta que solo con conocer la velocidad del impulsor central y el par generado por el biorreactor coaxial, el modo de rotación se puede etiquetar con perfecta precisión utilizando modelos de vecinos más cercanos (kNN) o máquinas de soporte vectorial. Además, se examinaron modelos de regresión, incluidos perceptrones multicapa, kNN y bosques aleatorios, para predecir el par de los impulsores coaxiales. Los resultados mostraron que el modelo de bosque aleatorio superó a todos los demás modelos. Finalmente, el análisis de importancia de características indicó que el modo de rotación era el parámetro más significativo para determinar el valor del par.