Prediccin del comportamiento termogravimtrico de la energa de activacin de los residuos cscara de papa (solanum tuberosum)
Prediction of the thermogravimetric behavior of the activation energy of potato peel waste (solanum tuberosum)
Previso do comportamento termogravimtrico da energia de ativao da batata (solanum tuberosum) descasca os resduos
Correspondencia: michel.jara@espoch.edu.ec
Ciencias Tcnicas y Aplicadas
Artculo de Investigacin
* Recibido: 23 de junio de 2022 *Aceptado: 12 de julio de 2022 * Publicado: 09 de agosto de 2022
I. Ingeniera Qumica, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo (ESPOCH), Riobamba, Ecuador.
II. Ingeniero Qumico, Mster en Qumica, Magster en Calidad y Productividad, Facultad de Ciencias, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo (ESPOCH), Riobamba, Ecuador.
III. Ingeniera en Empresas, Magster en Auditora Integral, Facultad de Ciencias, Escuela Superior Politcnica de Chimborazo (ESPOCH), Riobamba, Ecuador.
IV. Ingeniera Qumica, Mster en Qumica, Magster en Gestin Ambiental, investigadora independiente, Riobamba, Ecuador.
Resumen
El uso de combustibles fsiles genera un impacto negativo en el medio ambiente. Por lo que se ha impulsado la investigacin del aporte energtico de los residuos agroindustriales, pues en el ecuador el consumo anual de papa por persona est en 30 kg. El comportamiento trmico de materiales como la cscara de papa se determina por termogravimetra. Esta investigacin desarroll una red neuronal artificial capaz de predecir el comportamiento termogravimtrico de la energa de activacin en los residuos de cscara de papa (Solanum tuberosum). Se utilizaron datos experimentales del anlisis termogravimtrico de la cscara de papa y clculos mediante modelos cinticos propuestos, estableciendo una base de 100 datos en el modelo de prediccin. El desarrollo de la red se llev a cabo en el software Matlab con tres variables de entrada correspondientes al tiempo, temperatura y peso. Se desarrollaron 375 neuronas en la capa oculta de acuerdo con el coeficiente de correlacin de pearson de 1 y error cuadrtico medio de 2,327E-09 que evidenciaron como mejor algoritmo de entrenamiento el de regularizacin bayesiana; por ltimo, se emple una variable de salida correspondiente a la energa de activacin calculada por el mtodo cintico de Flynn Wall Ozawa, validando de esta manera al modelo de prediccin con un valor del 95% de confianza. La informacin de la energa de activacin real obtenidos por termogravimetra y predicha por la red neuronal artificial muestran estadsticamente que no existe una diferencia significativa, de tal manera que el mtodo de prediccin de redes neuronales artificiales desarrollado resulta muy efectivo para la prediccin de la energa de activacin de los residuos de cscara de papa.
Palabras Clave: Cscara de papa; Anlisis termogravimtrico; Redes neuronales artificiales; Modelos Cinticos; Energa de activacin; Matlab.
Abstract
The use of fossil fuels generates a negative impact on the environment. For this reason, research on the energy contribution of agro-industrial residues has been promoted, since in Ecuador the annual consumption of potatoes per person is 30 kg. The thermal behavior of materials such as potato skins is determined by thermogravimetry. This research developed an artificial neural network capable of predicting the thermogravimetric behavior of activation energy in potato peel residues (Solanum tuberosum). Experimental data from thermogravimetric analysis of potato peel and calculations using proposed kinetic models were used, establishing a base of 100 data in the prediction model. The development of the network was carried out in Matlab software with three input variables corresponding to time, temperature and weight. 375 neurons were developed in the hidden layer according to a Pearson correlation coefficient of 1 and a mean square error of 2.327E-09, which showed the Bayesian regularization as the best training algorithm; Finally, an output variable corresponding to the activation energy calculated by the Flynn Wall Ozawa kinetic method was used, thus validating the prediction model with a 95% confidence value. The information of the real activation energy obtained by thermogravimetry and predicted by the artificial neural network show statistically that there is no significant difference, in such a way that the artificial neural network prediction method developed is very effective for the prediction of the activation energy. activation of potato peel residues.
Keywords: potato skin; thermogravimetric analysis; Artificial neural networks; Kinetic Models; Activation energy; matlab.
Resumo
O uso de combustveis fsseis gera um impacto negativo no meio ambiente. Por isso, tem sido promovida a pesquisa sobre a contribuio energtica dos resduos agroindustriais, j que no Equador o consumo anual de batatas por pessoa de 30 kg. O comportamento trmico de materiais como cascas de batata determinado por termogravimetria. Esta pesquisa desenvolveu uma rede neural artificial capaz de prever o comportamento termogravimtrico da energia de ativao em resduos de casca de batata (Solanum tuberosum). Foram utilizados dados experimentais da anlise termogravimtrica da casca de batata e clculos utilizando os modelos cinticos propostos, estabelecendo uma base de 100 dados no modelo de predio. O desenvolvimento da rede foi realizado no software Matlab com trs variveis de entrada correspondentes a tempo, temperatura e peso. 375 neurnios foram desenvolvidos na camada oculta de acordo com um coeficiente de correlao de Pearson de 1 e um erro quadrtico mdio de 2,327E-09, que mostrou a regularizao Bayesiana como o melhor algoritmo de treinamento; Por fim, foi utilizada uma varivel de sada correspondente energia de ativao calculada pelo mtodo cintico Flynn Wall Ozawa, validando assim o modelo de predio com um valor de confiana de 95%. As informaes da energia de ativao real obtida pela termogravimetria e predita pela rede neural artificial mostram estatisticamente que no h diferena significativa, de modo que o mtodo de predio da rede neural artificial desenvolvido muito eficaz para a predio da energia de ativao. de resduos de casca de batata.
Palavras-chave: casca de batata; anlise termogravimtrica; Redes neurais artificiais; Modelos Cinticos; Energia de ativao; matlab.
Introduccin
En Ecuador existen alrededor de 50 mil hectreas de sembros de la papa, de las cuales, 300 mil toneladas forman parte del sustento y alimentacin familiar y se estima que en el pas cada persona consume 30 Kg de papa por ao, siendo en promedio los residuos generados por persona correspondientes a 0,6 Kg; considerando as la cscara como residuo principal del consumo de papa. Por lo que la falta de manejo y desarrollo investigativo han hecho de este residuo una materia prima poco valorada lo que ha trado como consecuencias la generacin de gases tipo metano debido a su descomposicin, afectando al ecosistema (MAGAP, 2020).
El anlisis termogravimtrico (TGA) se ha convertido en un procedimiento de mucho inters al momento de analizar el comportamiento trmico de diferentes materiales en este caso de los residuos de cscara de la papa, proporcionando informacin importante para el anlisis cintico como es la prdida de masa de la biomasa en cuestin con respecto a diferentes intervalos de tiempo y temperatura resultando de gran importancia ya que estos permiten calcular variables dentro del proceso de degradacin trmica como es la energa de activacin, constante de reaccin y orden de la misma, fundamentada en el uso de mtodos o ecuaciones iso convencionales. (Finkelstein, 2015). (Crtes & Bridgwater, 2015) (PHOTOMETRICS, 2010) (Crtes & Bridgwater, 2015). (Chen N. , 2017)
Hoy en da, se estn llevando a cabo varios mtodos computacionales para la prediccin de datos trmicos, reduciendo el nmero de procedimientos y anlisis de laboratorio (Ozgue, 2018), por lo que el uso de inteligencia artificial en este trabajo permite la prediccin de la energa de activacin a diferentes tasas de calentamiento.
Existen estudios sobre la aplicacin de RNA en la prediccin de datos trmicos, estos se han centrado principalmente en materiales que tienen rutas de descomposicin ms predecibles, como los polmeros y compuestos. Se ha determinado la cintica de reaccin de diferentes materiales polimricos mediante datos basados en el anlisis TGA a varias velocidades de calentamiento (Conesa, 2004), como compuestos de carbono reforzado con fibra de carbono y en biomasa celulsica (CRFC) (Bezerra, Bento, Rocco, Lourenco, & Pardini, 2008). (Yildiz, 2016) (Chen H. , 2011). (Burgaz, 2014). (Ozgue, 2016) (Basu, 2018).
Las redes neuronales (RNA) se disean a partir de una serie de capas (entrada, oculta y salida) y cada capa comprende muchas "neuronas". Cada neurona acepta un valor de entrada de la capa anterior y lo asigna a una funcin no lineal. La salida de esta funcin se utiliza como entrada para la siguiente capa en la RNA, hasta llegar a la ltima capa, donde la salida corresponde al objetivo que se va a predecir. Adems, un parmetro ajustable, el "peso" (o coeficiente) de cada funcin de la neurona se ajusta en el diseo de este modelo para minimizar el error del valor predicho, un proceso conocido como "entrenamiento" de la red neuronal. (Rosario, 2020) (Lecun, 2015) (Jaiswal, 2018).
El inters de los acadmicos en la idea de que el aprendizaje artificial y automtico puede reemplazar a actividades del ser humano, para asumir roles en el lugar de trabajo y remodelar el proceso organizacional existente ha ido creciendo constantemente (Haefner, 2021). (Sunphorka, 2017). (Kumar & Selvarajo, 2015) (Gmez, 2019). (Rosario, 2020) (MATHWORKS, 2020).
Metodologa
En la Error! No se encuentra el origen de la referencia.1 se describe mediante fases, la metodologa empleada para su desarrollo.
Figura 1. Metodologa del trabajo
Fuente: Jara, Michel, 2021
Es importante mencionar que las variables obtenidas por anlisis termogravimtrico estn sujetas a clculos antes de reemplazar en los modelos cinticos.
Tabla 1. Modelos cinticos
Nombre del mtodo |
Ecuacin |
Arrhenius |
|
ASTM-E698 |
|
|
|
Kissinger-Akahira-Sunose(KAS) |
|
Friedman |
|
Fuente: (Lecun, 2015)
Se estableci una base de datos en Microsoft Excel a partir de la informacin proporcionada por dos anlisis termogravimtricos, donde el modelo de Flynn-Wall-Ozawa (FWO) present menor desviacin en sus datos 12,98 y 12,62 en sus diferentes tasas de calentamiento 5C/min y 15C/min respectivamente.
Se disea las variables de entrada y salida de la red neuronal artificial:
Tabla 2. Variables de entrada y salida de la red neuronal artificial
Capa |
Variables |
Unidades |
|
Entradas |
Tiempo |
t |
s |
Temperatura |
T |
K |
|
Peso |
P |
mg |
|
Salidas |
Energa de activacin |
Ea |
KJ/mol |
Fuente: Jara, Michel, 2021
Se importa la base de datos desde Microsoft Excel hacia el espacio de trabajo de Matlab. Se normalizan los datos para las entradas y salida con la finalidad de evitar la redundancia en los datos; lo que conlleva una mejora en el proceso de entrenamiento y prediccin de la red, mediante siguiente ecuacin:
|
(1) |
Con los datos normalizados, se utiliza la aplicacin Neural Net Fitting (nftool) de la caja de herramientas de Matlab.
Las neuronas en la capa oculta se determinan en funcin del error cuadrtico medio (MSE) y la correlacin lineal (R) que presenta la red neuronal durante su entrenamiento. Para entrenar la red se establecen inicialmente 7 neuronas en la capa oculta y en base al MSE y la correlacin (R) obtenido con esta cantidad de neuronas, se ir aumentando progresivamente el nmero de neuronas en la capa oculta. Se selecciona el nmero ptimo de neuronas en funcin del menor MSE y el R ms cercano a 1.
En la Tabla 3, se presentan los diferentes ensayos realizados durante el entrenamiento de la red:
Tabla 3. Ensayos realizados ensayos realizados durante el entrenamiento de la red.
Topologas de red |
Levenberg-Marquardt |
Bayesian Regularization |
Scaled Conjugate Gradient |
|||
Entrada-N neuronas-Salida- |
MSE |
R |
MSE |
R |
MSE |
R |
3-7-1 |
2,903E-02 |
0,68587 |
3,496E-06 |
0,57305 |
1,48E-04 |
0,76769 |
3-15-1 |
1,190E-05 |
0,77809 |
7,669E-03 |
0,76637 |
5,24E-03 |
0,66846 |
3-23-1 |
2,158E-04 |
0,76310 |
2,157E-04 |
0,77054 |
1,17E-04 |
0,77913 |
3-44-1 |
6,541E-10 |
0,92426 |
8,030E-03 |
0,77084 |
3,49E-04 |
0,77112 |
3-55-1 |
5,635E-02 |
0,74815 |
2,780E-03 |
0,75744 |
2,29E-02 |
0,58437 |
3-67-1 |
9,966E-05 |
0,84495 |
7,957E-03 |
0,76367 |
1,57E-03 |
0,40323 |
3-77-1 |
1,084E-03 |
0,76233 |
8,131E-03 |
0,76378 |
1,89E-03 |
0,70658 |
3-91-1 |
5,971E-04 |
0,72604 |
8,190E-03 |
0,76426 |
8,19E-04 |
0,74302 |
3-103-1 |
2,008E-04 |
0,75107 |
8,199E-03 |
0,76445 |
5,16E-03 |
0,66011 |
3-115-1 |
1,742E-02 |
0,93345 |
8,223E-03 |
0,76653 |
1,06E-02 |
0,24612 |
3-128-1 |
1,544E-02 |
0,94775 |
2,647E-03 |
0,76509 |
3,74E-03 |
0,54047 |
3-140-1 |
9,034E-04 |
0,79312 |
1,241E-09 |
0,52041 |
3,08E-02 |
0,56760 |
3-152-1 |
6,502E-04 |
0,59353 |
8,222E-03 |
0,76603 |
5,66E-03 |
0,70161 |
3-165-1 |
4,984E-02 |
0,74584 |
7,871E-03 |
0,77613 |
3,21E-02 |
0,60275 |
3-177-1 |
1,190E-04 |
0,89208 |
8,139E-03 |
0,76708 |
1,59E-03 |
0,73837 |
3-189-1 |
4,212E-04 |
0,83754 |
7,852E-03 |
0,77898 |
7,44E-03 |
0,70896 |
3-202-1 |
1,349E-04 |
0,92651 |
7,404E-03 |
0,77962 |
4,54E-03 |
0,70878 |
3-214-1 |
1,013E-01 |
0,67599 |
8,202E-03 |
0,76670 |
2,32E-02 |
0,52741 |
3-227-1 |
3,810E-04 |
0,60888 |
7,631E-03 |
0,78466 |
8,24E-04 |
0,76455 |
3-300-1 |
7,407E-02 |
0,69348 |
2,550E-03 |
0,79050 |
2,76E-03 |
0,67214 |
3-365-1 |
1,646E-03 |
0,82313 |
3,065E-08 |
0,99999 |
2,24E-03 |
0,53497 |
3-370-1 |
2,650E-04 |
0,82678 |
1,156E-09 |
0,99999 |
5,00E-03 |
0,72070 |
3-375-1 |
2,220E-03 |
0,83480 |
2,327E-09 |
1,00000 |
4,76E-03 |
0,32321 |
Fuente: Jara, Michel, 2021
De los ensayos presentados en la Tabla 3 se puede identificar que la mejor arquitectura de red (ver
Figura 2) consta de los siguientes parmetros:
- 3 neuronas de entrada correspondiente a tiempo, temperatura y peso.
- 375 neuronas en la capa oculta (Cantidad de neuronas que present un MSE bajo y la mejor correlacin R)
- 1 neurona en la capa de salida correspondientes a la energa de activacin predicha.
Figura 2. Arquitectura de la red neuronal artificial
Fuente: Jara, Michel, 2021
La Tabla 3, permite determinar la arquitectura de red y evidencia que el algoritmo de regularizacin bayesiana tiene la correlacin lineal ms cercana a 1 y menor error cuadrtico medio que los algoritmos de Levenberg-Marquardt y Scaled Conjugate Gradient. En la validacin de la red neuronal artificial, se comparan los resultados obtenidos por la red con los resultados obtenidos por anlisis TGA y modelos cinticos; empleando un nuevo conjunto de 10 datos. Esta validacin permitir evaluar el rendimiento de la red neuronal artificial mediante un anlisis de la varianza (ANOVA).
Tabla 4. Ejemplo de tabla ANOVA
Fuente |
Suma de Cuadrados |
Gl |
Cuadrado Medio |
Razn-F |
Valor-P |
Entre grupos |
0,00776574 |
1 |
0,00776574 |
0,000254299 |
0,686 |
Intra grupos |
549,681 |
18 |
30,5378 |
|
|
Total (Corr.) |
549,689 |
19 |
|
|
|
Fuente: Jara, Michel, 2021
Resultados
Anlisis termogravimtrico de la cscara de papa experimental
Tabla 5. Especificaciones del ensayo
Muestra |
Biomasa |
Descripcin |
Cscara de papa |
Tipo de ensayo |
Termogravimetra |
Equipo / mquina |
Mettler Toledo TGA-1 |
Descripcin del mtodo |
2 rampas de calentamiento distintas 5 y 15 C/min Programa de 25 a 900 C Atmsfera inerte (N2) 20 ml/min Resultados de TGA y dTGA (200 puntos) |
Fuente: Jara, Michel, 2021
Figura 3. Termograma de la cscara de papa con una tasa de calentamiento de 5C/min
Fuente: Resultados laboratorio UCE, 2021
Figura 4. Termograma de la cscara de papa con una tasa de calentamiento de 15C/min
Fuente: Resultados laboratorio UCE, 2021
Empleando las ecuaciones presentadas en la Error! No se encuentra el origen de la referencia.1 se calcul la energa de activacin a partir de los datos TGA. Los resultados de la energa de activacin por los mtodos de Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) y Friedman se describen en la Tabla 6. Es importante destacar que la energa de activacin calculada por el mtodo de Friedman obtuvo una desviacin estndar de 49,87; el mtodo de KAS de 14,22 y el mtodo de FWO de 12,63. Por lo tanto, para disear la red neuronal artificial se emplearon los datos de la energa de activacin calculada por el mtodo de Flynn-Wall-Ozawa (FWO).
Tabla 6. Energa de activacin calculada por diferentes mtodos cinticos
t [s] |
T [K] |
P [mg] |
Ea(FWO) |
Ea(KAS) |
Ea(Friedman) |
0 |
298,15 |
12,9641 |
0 |
0 |
0 |
20 |
303,15 |
12,9628 |
-99,9302 |
-102,5855 |
236,8342 |
40 |
308,15 |
12,9406 |
-59,3883 |
-59,8938 |
-319,5857 |
60 |
313,15 |
12,957 |
-42,8079 |
-42,4097 |
238,7520 |
80 |
318,15 |
12,9116 |
-33,7274 |
-32,8155 |
3,0171 |
100 |
323,15 |
12,8819 |
-27,9855 |
-26,7334 |
59,3394 |
120 |
328,15 |
12,8009 |
-24,0238 |
-22,5241 |
13,5254 |
140 |
333,15 |
12,7284 |
-21,1244 |
-19,4324 |
21,5061 |
160 |
338,15 |
12,6239 |
-18,9102 |
-17,0615 |
-3,2985 |
180 |
343,15 |
12,547 |
-17,1638 |
-15,1827 |
-10,3402 |
200 |
348,15 |
12,4823 |
-15,7509 |
-13,6548 |
8,3214 |
220 |
353,15 |
12,3655 |
-14,5844 |
-12,3860 |
-4,2151 |
240 |
358,15 |
12,2756 |
-13,6048 |
-11,3139 |
-16,7250 |
260 |
363,15 |
12,2265 |
-12,7706 |
-10,3948 |
-13,8657 |
280 |
368,15 |
12,1713 |
-12,0517 |
-9,5969 |
-3,6691 |
300 |
373,15 |
12,0805 |
-11,4256 |
-8,8967 |
-13,4948 |
320 |
378,15 |
12,0275 |
-10,8755 |
-8,2764 |
-19,3999 |
340 |
383,15 |
12,0013 |
-10,3884 |
-7,7224 |
-17,2266 |
360 |
388,15 |
11,9703 |
-9,9539 |
-7,2237 |
-7,7554 |
380 |
393,15 |
11,9038 |
-9,5641 |
-6,7721 |
-19,0547 |
400 |
398,15 |
11,8859 |
-9,2123 |
-6,3604 |
-22,4414 |
420 |
403,15 |
11,8848 |
-8,8932 |
-5,9832 |
-13,0576 |
440 |
408,15 |
11,8486 |
-8,6026 |
-5,6359 |
-10,4007 |
460 |
413,15 |
11,8035 |
-8,3367 |
-5,3145 |
-17,0628 |
480 |
418,15 |
11,7875 |
-8,0925 |
-5,0161 |
-15,4663 |
500 |
423,15 |
11,7671 |
-7,8674 |
-4,7378 |
-14,6301 |
520 |
428,15 |
11,7452 |
-7,6594 |
-4,4774 |
-1,9742 |
540 |
433,15 |
11,6731 |
-7,4665 |
-4,2329 |
-18,3065 |
560 |
438,15 |
11,6689 |
-7,2871 |
-4,0026 |
-18,0249 |
580 |
443,15 |
11,665 |
-7,1200 |
-3,7851 |
-3,8725 |
600 |
448,15 |
11,6054 |
-6,9637 |
-3,5792 |
-1,1273 |
620 |
453,15 |
11,5341 |
-6,8174 |
-3,3837 |
-7,3659 |
640 |
458,15 |
11,4888 |
-6,6801 |
-3,1977 |
-10,5710 |
660 |
463,15 |
11,4579 |
-6,5510 |
-3,0203 |
5,9471 |
680 |
468,15 |
11,356 |
-6,4294 |
-2,8508 |
-2,7138 |
700 |
473,15 |
11,2904 |
-6,3147 |
-2,6885 |
1,2667 |
720 |
478,15 |
11,206 |
-6,2062 |
-2,5329 |
-4,9878 |
740 |
483,15 |
11,1499 |
-6,1035 |
-2,3833 |
5,4308 |
760 |
488,15 |
11,0437 |
-6,0062 |
-2,2393 |
2,9688 |
780 |
493,15 |
10,9469 |
-5,9137 |
-2,1005 |
-3,1573 |
800 |
498,15 |
10,8796 |
-5,8259 |
-1,9665 |
7,5119 |
820 |
503,15 |
10,7564 |
-5,7423 |
-1,8370 |
5,2658 |
840 |
508,15 |
10,6416 |
-5,6626 |
-1,7116 |
4,3858 |
860 |
513,15 |
10,5289 |
-5,5866 |
-1,5900 |
8,4321 |
880 |
518,15 |
10,3903 |
-5,5140 |
-1,4721 |
10,2962 |
900 |
523,15 |
10,2361 |
-5,4446 |
-1,3575 |
20,0878 |
920 |
528,15 |
10,0143 |
-5,3781 |
-1,2460 |
11,3922 |
940 |
533,15 |
9,8384 |
-5,3145 |
-1,1375 |
17,6413 |
960 |
538,15 |
9,6126 |
-5,2535 |
-1,0318 |
18,3790 |
980 |
543,15 |
9,37029 |
-5,1950 |
-0,9286 |
17,7430 |
Fuente: Jara, Michel, 2021
Desviacin estndar de la energa de activacin calculada |
||
Mtodo de Friedman |
Mtodo de KAS |
Mtodo de FWO |
49,8748 |
14,2170 |
12,6257 |
Fuente: Jara, Michel, 2021
La Tabla 7 corresponde al conjunto de datos empleados para entrenar la red neuronal artificial y el conjunto de datos descritos en la Tabla 8 son los datos empleados en la validacin de la red neuronal artificial.
Tabla 7. Base de datos de entrenamiento para disear la red neuronal artificial
Variables de entrada |
Variable de salida |
||
Tiempo (s) |
Temperatura (K) |
Peso(mg) |
Ea (FWO) |
0 |
298,15 |
12,9641 |
0 |
20 |
303,15 |
12,9628 |
99,9302 |
40 |
308,15 |
12,9406 |
59,3883 |
60 |
313,15 |
12,9570 |
42,8079 |
80 |
318,15 |
12,9116 |
33,7274 |
100 |
323,15 |
12,8819 |
27,9855 |
120 |
328,15 |
12,8009 |
24,0238 |
160 |
338,15 |
12,6239 |
18,9102 |
180 |
343,15 |
12,5470 |
17,1638 |
200 |
348,15 |
12,4823 |
15,7509 |
220 |
353,15 |
12,3655 |
14,5844 |
240 |
358,15 |
12,2756 |
13,6048 |
280 |
368,15 |
12,1713 |
12,0517 |
300 |
373,15 |
12,0805 |
11,4256 |
320 |
378,15 |
12,0275 |
10,8755 |
340 |
383,15 |
12,0013 |
10,3884 |
360 |
388,15 |
11,9703 |
9,9539 |
380 |
393,15 |
11,9038 |
9,5641 |
400 |
398,15 |
11,8859 |
9,2123 |
420 |
403,15 |
11,8848 |
8,8932 |
440 |
408,15 |
11,8486 |
8,6026 |
480 |
418,15 |
11,7875 |
8,0925 |
500 |
423,15 |
11,7671 |
7,8674 |
520 |
428,15 |
11,7452 |
7,6594 |
540 |
433,15 |
11,6731 |
7,4665 |
560 |
438,15 |
11,6689 |
7,2871 |
580 |
443,15 |
11,6650 |
7,1200 |
600 |
448,15 |
11,6054 |
6,9637 |
620 |
453,15 |
11,5341 |
6,8174 |
640 |
458,15 |
11,4888 |
6,6801 |
660 |
463,15 |
11,4579 |
6,5510 |
680 |
468,15 |
11,3560 |
6,4294 |
700 |
473,15 |
11,2904 |
6,3147 |
720 |
478,15 |
11,2060 |
6,2062 |
740 |
483,15 |
11,1499 |
6,1035 |
760 |
488,15 |
11,0437 |
6,0062 |
780 |
493,15 |
10,9469 |
5,9137 |
820 |
503,15 |
10,7564 |
5,7423 |
840 |
508,15 |
10,6416 |
5,6626 |
860 |
513,15 |
10,5289 |
5,5866 |
880 |
518,15 |
10,3903 |
5,5140 |
900 |
523,15 |
10,2361 |
5,4446 |
920 |
528,15 |
10,0143 |
5,3781 |
960 |
538,15 |
9,6126 |
5,2535 |
980 |
543,15 |
9,3703 |
5,1950 |
Fuente: Jara, Michel, 2021
Tabla 8. Base de datos para validar la red neuronal artificial
Variables de entrada |
Variable de salida |
||
Tiempo (s) |
Temperatura (K) |
Peso(mg) |
Ea (FWO) |
140 |
333,15 |
12,7284 |
21,1244 |
260 |
363,15 |
12,2265 |
12,7706 |
460 |
413,15 |
11,8035 |
8,3367 |
800 |
498,15 |
10,8796 |
5,8259 |
940 |
533,15 |
9,8384 |
5,3145 |
Fuente: Jara, Michel, 2021
Utilizando la ecuacin para la Fuente: Jara, Michel, 2021
en Matlab, se normalizan tanto los datos de las variables de entrada y como los datos de salida de la red neuronal artificial.. Estimadores de rendimiento como la correlacin lineal y el error cuadrtico medio permiten determinar que una arquitectura de red que consta de 375 neuronas en la capa oculta es idnea para un correcto aprendizaje de la red y que permita predecir la energa de activacin. Algunos de los resultados obtenidos luego de modificar el nmero de neuronas en la capa oculta se resumen en la Figura 5. Los datos predichos durante el entrenamiento de la red neuronal se presentan en la Tabla 9.
Figura 5. Entrenamiento de la red modificando la cantidad de neuronas en la capa oculta para 375 neuronas
Fuente: Jara, Michel, 2021
Tabla 9. Resultados predichos por la red neuronal artificial en el entrenamiento
Ea Real (TGA) |
Ea Predicha (RNA) |
Ea Real (TGA) |
Ea Predicha (RNA) |
0 |
0,0001 |
5,4446 |
5,4427 |
99,9302 |
99,93 |
5,3781 |
5,3708 |
59,3883 |
59,3883 |
5,2535 |
5,2526 |
42,8079 |
42,8077 |
5,195 |
5,1972 |
33,7274 |
33,7265 |
5,1388 |
5,1392 |
27,9855 |
27,9913 |
5,0847 |
5,0827 |
24,0238 |
24,0128 |
5,0327 |
5,0322 |
18,9102 |
18,928 |
4,9827 |
4,9843 |
17,1638 |
17,1466 |
4,9345 |
4,9341 |
15,7509 |
15,7569 |
4,8881 |
4,8788 |
14,5844 |
14,5789 |
4,8432 |
4,8178 |
13,6048 |
13,6019 |
4,7582 |
4,7515 |
12,0517 |
12,0529 |
4,7178 |
4,7166 |
11,4256 |
11,4305 |
4,6788 |
4,6794 |
10,8755 |
10,8752 |
4,641 |
4,6402 |
10,3884 |
10,3812 |
4,6045 |
4,6073 |
9,9539 |
9,9581 |
4,5691 |
4,5696 |
9,5641 |
9,5637 |
4,5348 |
4,5357 |
9,2123 |
9,2179 |
4,5015 |
4,5002 |
8,8932 |
8,9223 |
4,4692 |
4,4668 |
8,6026 |
8,616 |
4,4379 |
4,4357 |
8,0925 |
8,0881 |
4,4075 |
4,4071 |
7,8674 |
7,8672 |
4,3494 |
4,3529 |
7,6594 |
7,6628 |
4,3215 |
4,3233 |
7,4665 |
7,4638 |
4,2944 |
4,2963 |
7,2871 |
7,2902 |
4,268 |
4,268 |
7,12 |
7,1197 |
4,2423 |
4,2365 |
6,9637 |
6,9623 |
4,2174 |
4,2198 |
6,8174 |
6,8199 |
4,193 |
4,1933 |
6,6801 |
6,6794 |
4,1462 |
4,1416 |
6,551 |
6,5476 |
4,1237 |
4,1226 |
6,4294 |
6,43 |
4,1018 |
4,1029 |
6,3147 |
6,3148 |
4,0803 |
4,0867 |
6,2062 |
6,2065 |
4,0594 |
4,076 |
6,1035 |
6,1074 |
4,039 |
4,0462 |
6,0062 |
6,0056 |
4,0191 |
4,0213 |
5,9137 |
5,911 |
3,9997 |
4,0022 |
5,7423 |
5,7421 |
3,9807 |
3,9664 |
5,6626 |
5,6612 |
3,944 |
3,9602 |
5,5866 |
5,5895 |
3,9262 |
3,9232 |
5,514 |
5,5145 |
3,9089 |
3,9041 |
Fuente: Jara, Michel, 2021
Empleado los datos de validacin descritos en la Tabla 8, se realiza un nuevo cdigo con la finalidad de validar la red neuronal y evaluar la prediccin de la energa de activacin de los residuos de cscara de papa en funcin del aprendizaje de la red neuronal artificial durante su entrenamiento. Los datos predichos en la validacin de la red neuronal artificial se observan en Tabla 10.
Tabla 10. Resultados predichos por la red en la validacin
Energa de activacin por el mtodo de FWO |
||
Ea Real (TGA) |
Ea Predicha (RNA) |
Error de prediccin (%) |
21,1244 |
20,9977 |
0,5999 |
12,7706 |
12,7793 |
0,0679 |
8,3367 |
8,3266 |
0,1213 |
5,8259 |
5,8349 |
0,1543 |
5,3145 |
5,3095 |
0,0949 |
4,8000 |
4,7812 |
0,3914 |
4,3780 |
4,3794 |
0,0311 |
4,1693 |
4,1653 |
0,0957 |
3,9621 |
3,9322 |
0,7538 |
3,8591 |
3,6404 |
5,6662 |
Fuente: Jara, Michel, 2021
Para terminar de validar los datos predichos por la red neuronal es necesario apoyarse de un anlisis estadstico que tome en cuenta los datos reales y predichos para la energa de activacin.
Figura 6. Energa de activacin real y predicha por la red neuronal artificial
Fuente: Jara, Michel, 2021
a) Anlisis de la varianza ANOVA
Tabla 11. Anlisis de Medias para la energa de activacin real y predicha
Variable |
Casos |
Media |
Lmite Inferior |
Lmite Superior |
Ea Real |
10 |
7,45406 |
4,858 |
10,0501 |
Ea Predicha |
10 |
7,41465 |
4,81859 |
10,0107 |
Total |
20 |
7,43436 |
|
|
Fuente: Jara, Michel, 2021
Tabla 12. Anlisis ANOVA para la energa de activacin real y predicha
Fuente |
Suma de Cuadrados |
Gl |
Cuadrado Medio |
Razn-F |
Valor-P |
Entre grupos |
0,00776574 |
1 |
0,00776574 |
0,000254299 |
0,9875 |
Intra grupos |
549,681 |
18 |
30,5378 |
|
|
Total (Corr.) |
549,689 |
19 |
|
|
|
Fuente: Jara, Michel, 2021
En la Figura 15 puede igualmente observarse el valor P de la tabla ANOVA y los intervalos de las medias, pueden apreciarse en el Error! No se encuentra el origen de la referencia.6. En la prueba de rangos mltiples, estos intervalos se usan para determinar cules medias son significativamente diferentes de otras.
Figura 15. Grfico ANOVA para la energa de activacin
Fuente: Jara, Michel, 2021
Tabla 13. Prueba de rangos mltiples para la energa de activacin real y predicha
Variables |
Casos |
Media |
Semejanza entre variables |
Diferencia |
+/- Lmites |
Ea Predicha |
10 |
7,41465 |
X |
0,03941 |
5,19212 |
Ea Real |
10 |
7,45406 |
X |
Fuente: Jara, Michel, 2021
El mtodo empleado para discriminar entre las medias es el procedimiento de diferencia mnima significativa (LSD) de Fisher. La Error! No se encuentra el origen de la referencia.11 describe las medias de los datos reales y predichos de la energa de activacin, mientras que la Error! No se encuentra el origen de la referencia.12 describen un valor-P mayor a 0,05; por tanto, no existe una diferencia estadsticamente significativa entre las medias de los datos reales y los predichos por la red neuronal para la energa de activacin con un 95,0% de confianza. Adicionalmente, mediante la prueba de rangos mltiples presentada en la
Tabla 13, se observa que los datos de la energa de activacin real y predicha presentan una media homognea.
De acuerdo a los resultados de la energa de activacin calculada por el mtodo de Friedman obtuvo una desviacin estndar de 49,87; el mtodo de KAS de 14,22 y el mtodo de FWO de 12,63. Por lo tanto, para disear la red neuronal artificial se emplearon los datos de la energa de activacin calculada por el mtodo de Flynn-Wall-Ozawa (FWO), adems que los resultados predichos por la red neuronal para la energa de activacin se compararon estadsticamente con los resultados calculados por el modelo cintico de Flynn-Wall-Ozawa (FWO); un valor P mayor a 0,05 demuestra que no existe diferencias significativas entre la media de los datos experimentales y los predichos por la red; adicionalmente, la prueba de rangos mltiples identifica como grupos homogneos a la energa de activacin real y predicha.
Entonces, de acuerdo con el modelo de Flynn-Wall-Ozawa (FWO), este present menor desviacin en sus datos 12,98 y 12,62 en sus diferentes tasas de calentamiento 5C/min y 15C/min respectivamente, donde este anlisis permiti conseguir la base de datos de energa de activacin como salidas de la red propuesta.
Conclusiones
El modelo de prediccin se basa en una red neuronal prealimentada (Feedforward Neural Networks) de aprendizaje supervisado que emplea datos experimentales del anlisis termogravimtrico y cintico realizado en los residuos de cscara de papa (Solanum tuberosum) para calcular la energa de activacin.
La base de datos se elabor primordialmente con los resultados TGA de la variacin del peso de la muestra en funcin del tiempo y temperatura seleccionando la tasa de calentamiento de 15 C/min en atmsfera inerte con inyeccin de N2 a 20 mL/min; debido a que el termograma no presenta una diferencia significativa con la tasa de calentamiento de 5C/min, adems proporciona mayor cantidad de datos para luego calcular la energa de activacin mediante modelos cinticos establecidos por Flynn-Wall-Ozawa (FWO), Kissinger-Akahira-Sunose (KAS) y Friedman, sin embargo, el mtodo FWO con ; es el mtodo con menor desviacin estndar y por ende el mejor modelo cintico para calcular la energa de activacin en los residuos de cscara de papa.
La red neuronal artificial se dise en el software Matlab y est conformada por 3 neuronas de entrada correspondiente a tiempo, temperatura y peso de la muestra de cscara de papa en el TGA, 375 neuronas en la capa oculta y 1 neurona de salida que corresponde a la energa de activacin predicha; adems, la red se entren con el algoritmo de regularizacin bayesiana obteniendo un coeficiente de correlacin de 1 y error cuadrtico medio de 2,327E-09.
Los resultados predichos por la red neuronal para la energa de activacin se compararon estadsticamente con los resultados calculados por el modelo cintico de Flynn-Wall-Ozawa (FWO); un valor P mayor a 0,05 demuestra que no existe diferencias significativas entre la media de los datos experimentales y los predichos por la red; adicionalmente, la prueba de rangos mltiples identifica como grupos homogneos a la energa de activacin real y predicha.
Referencias
- Basu, P. (2018). Biomass Gasification, Pyrolysis and Torrefaction. Elsevier Inc, 497-499.
- Bezerra, E. M., Bento, M. S., Rocco, J. A., Lourenco, K. I., & Pardini, L. C. (2008). Artificial neural network (ANN) prediction of kinetic parameters of (CRFC) composites. Computational Materials Science, 656-663. Recuperado el 11 de Enero de 2021, de https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2008.05.002
- Burgaz, E. (2014). Prediction of thermal stability, crystallinity and thermomechanical properties of poly(ethylene oxide)/clay nanocomposites with artificial neural networks. Thermochimica Acta, 159-166. Recuperado el 11 de Enero de 2021, de http://dx.doi.org/10.1016/j.tca.2013.10.032
- Chen, H. (2011). Experimental research on cellulosic biomass pyrolysis and BP neural network prediction. 2011 IEEE Power Engineering and Automation Conference, (pgs. 26-29). doi:DOI 10.1109/PEAM.2011.6134787
- Chen, N. (2017). Kinetics of coffee industrial residue pyrolysis using distributed activation energy model and components separation of bio-oil by sequencing temperature-raising pyrolysis". Bioresource Technology, 437-760. Recuperado el 12 de Noviembre de 2020, de http://dx.doi.org/10.1016/j.biortech.2016.09.062
- Conesa, J. (2004). Artificial neural network for modelling thermal decompositions. Analytical and Applied Pyrolysis, 343-352. doi:S0165-2370(03)00093-7
- Crtes, A., & Bridgwater, A. (2015). Kinetic study of the pyrolysis of miscanthus and its acid hydrolysis residue by thermogravimetric analysis. Fuel Processing Technology, 184-193. doi:10.1016/j.fuproc.2015.05.013
- Finkelstein, D. (2015). A Beginners Guide to Thermogravimetric Analysis. Technometrics, 522-522. Obtenido de http://www.tandfonline.com/doi/abs/10.1198/tech.2005.s328
- Goh, G. (2017). Deep learning for computational chemistry. Computational Chemistry, 1291-1307. doi:10.1002/jcc.24764
- Gmez, A. (2019). Recuperado el 11 de Diciembre de 2020, de Arrhenius y el clculo de la energa de activacin: https://www.feriadelasciencias.unam.mx/anteriores/feria23/feria105_04_arrhenius_y_el_calculo_de_la_energia_de_activacion.pdf.
- Haefner, N. (2021). Artificial intelligence and innovation management: A review, framework. Technological Forecasting and Social Change, 162. Recuperado el 12 de Enero de 2021, de https://doi.org/10.1016/j.techfore.2020.120392
- Jaiswal, P. (2018). Estudio comparativo de varios algoritmos de entrenamiento de redes neuronales artificiales. 1087-1191. doi:10.1109/ICACCCN.2018.8748660.
- Kumar, A., & Selvarajo, A. (2015). Feedforward neural network modeling of biomass pyrolysis process for biochar production. Chemical Engineering Transactions, 1681-1686. doi:0.3303/CET1545281
- Lecun, Y. (2015). Deep learning. Nature, 436-444. doi:10.1038/nature14539
- MAGAP. (2020). Recuperado el 10 de Noviembre de 2020, de Ministerio de Agricultura, Ganadera, Acuacultura y Pesca: https://www.agricultura.gob.ec/ecuador-se-proyecta-a-ser-exportador-de-papa/.
- MATHWORKS. (2020). Recuperado el 15 de Diciembre de 2020, de Redes Neuronales Artificiales: https://es.mathworks.com/discovery/neural-network.html.
- Osman, A. (2020). Physicochemical Characterization and Kinetic Modeling concerning Combustion of Waste Berry Pomace. ACS Sustainable Chemistry and Engineering, 17573-17586. doi:10.1021/acssuschemeng.0c07390
- Ozgue, C. (2016). A study to predict pyrolytic behaviors of refuse-derived fuel (RDF): Artificial neural network application". Analytical and Applied Pyrolysis, 84-94. doi:10.1016/j.jaap.2016.10.013
- Ozgue, C. (2018). Activation energy prediction of biomass wastes based on different neural network topologies. doi:10.1016/j.fuel.2018.02.045
- PHOTOMETRICS. (2010). Recuperado el 2021 de Enero de 2021, de Thermogravimetric Analysis (TGA): https://photometrics.net/thermogravimetric-analysis-tga/
- Rosario, B. (2020). Modelo de prediccin de la concentracin de cloroformo durante el proceso de destilacin de una mezcla metanol-cloroformo. Ecuador.
- Sunphorka, S. (2017). Application of artificial neural network for kinetic parameters prediction of biomass oxidation from biomass properties. Energy Institute, 51-61. doi:http://dx.doi.org/10.1016/j.joei.2015.10.007
- Yildiz, Z. (2016). Application of artificial neural networks to co-combustion of hazelnut husk-lignite coal blends. Bioresource Technology, 42-47. doi:DOI 10.1016/j.biortech.2015.09.114
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