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

 

 

Luis Santiago Carrera Almendriz II
luissantiago.carrera@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-3262-5895
Michel Abigail  Jara Romero I
michel.jara@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-2704-441X
Marlene Jacqueline Garca Veloz III
marlene.garca@espoch.edu.ec
https://orcid.org/0000-0002-9996-1594
Ana Gabriela Flores Huilcapi IV
gabrielafloresingquimica@gmail.com
https://orcid.org/0000-0001-8748-7859
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


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

Debido al desgaste de combustibles fsiles tanto a nivel mundial como en Ecuador y otras causas ms como cambios repentinos de su precio en el mercado y su impacto negativo en el medio ambiente, obligan a pases a tomar medidas tanto en el campo investigativo como tecnolgico en la utilizacin de fuentes provenientes del sector agropecuario y residuos del mismo como potentes generadores de energa, en este contexto Ecuador no ha generado investigacin ni avances tecnolgicos en el aprovechamiento y valorizacin energtica de los residuos tanto agrcolas como desperdicios generados por los productos provenientes de este.

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

Flynn-Wall-Ozawa (FWO)

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

Energa de activacin por el mtodo de FWO

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

 

b)    Prueba de rangos mltiples

 

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.

 

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