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Process intensification utilizing data science techniques: modeling reactive chromatography

Research Project

Project/Area Number 18H01776
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 27020:Chemical reaction and process system engineering-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

川尻 喜章  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (20811087)

Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥17,290,000 (Direct Cost: ¥13,300,000、Indirect Cost: ¥3,990,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2019: ¥7,670,000 (Direct Cost: ¥5,900,000、Indirect Cost: ¥1,770,000)
Fiscal Year 2018: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Keywordsプロセスモデリング / データサイエンス / ベイズ推定 / プロセス強化 / クロマトグラフィー / 化学工学 / モデリング / 反応分離
Outline of Annual Research Achievements

化学工学におけるプロセス開発とプロセス強化を目的としたデータサイエンス手法の開発のための、有望な研究結果が得られた。(1)導入した高速液体クロマトグラフィー分離試験装置を使い、更なる実験データを取得することに成功した。このクロマトグラフィー分離試験は、イオン交換樹脂を使った水溶液中のフルクトースとグルコースの高濃度分離、およびC18カラムと有機溶媒を使った有機化合物の分離実験の2つを継続して行った。特に当年度の試験では、新しくフェノールとクレゾールの分離試験を開始し、実験データの取得に成功した。(2)疑似移動相クロマトグラフィー装置を使った糖の分離試験を行い、モデリングのための試験データを取得した。(3)モデルパラメータ推定、および不確実性定量化の手法として、逐次モンテカルロ法の実装を行った。これは上記の実験データからモデルパラメータを推定する際の計算時間を著しく減らすことの出来る手法である。また、同手法は並列計算により計算を効率化することが出来る。同手法の最適な実装方法について検討した結果、特にLikelihood tempering法が有効であることを見出した。この実装方法を使うと、これまで使用していたマルコフ連鎖モンテカルロ法に比べて計算時間を著しく減らすことが出来ることを確認した。(4)階層ベイズ推定手法の応用を更に進めた。特に、分子シミュレーションにより得られたデータへの応用に着目し、同手法の実装を行った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

当初に予想したよりもパラメータ推定のための計算時間が長くかかることが判明し、数値計算手法の見直しを行った。数値計算手法として逐次モンテカルロ法の最適な実装の方法の検討および検証に時間を費やしたため、当初に想定していたよりもやや遅れている。

Strategy for Future Research Activity

計算時間を削減するための逐次モンテカルロ法について、最適な実装方法について見通しが立ったため、同手法をこれまでで取得した実験データに適用し、モデリングが効率化出来ることを検証する。また、階層ベイズ推定の更なる応用例として、分子シミュレーションにより得られたデータの解析を試みる。

Report

(2 results)
  • 2019 Annual Research Report
  • 2018 Annual Research Report

Research Products

(17 results)

All 2020 2019 2018 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 4 results)

  • [Int'l Joint Research] ジョージア工科大学/国立エネルギー技術研究所(米国)

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  • [Int'l Joint Research] ジョージア工科大学(米国)

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  • [Journal Article] Model-based optimization strategies for chromatographic processes: a review2020

    • Author(s)
      Kawajiri Yoshiaki
    • Journal Title

      Adsorption

      Volume: 27 Pages: 1-26

    • DOI

      10.1007/s10450-020-00251-2

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    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bayesian design of experiments for adsorption isotherm modeling2020

    • Author(s)
      Kalyanaraman Jayashree、Kawajiri Yoshiaki、Realff Matthew J.
    • Journal Title

      Computers & Chemical Engineering

      Volume: 135 Pages: 106774-106774

    • DOI

      10.1016/j.compchemeng.2020.106774

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] How Well Do Approximate Models of Adsorption-Based CO2 Capture Processes Predict Results of Detailed Process Models?2019

    • Author(s)
      Park Jongwoo、Rubiera Landa Hector Octavio、Kawajiri Yoshiaki、Realff Matthew J.、Lively Ryan P.、Sholl David S.
    • Journal Title

      Industrial & Engineering Chemistry Research

      Volume: 59 Pages: 7097-7108

    • DOI

      10.1021/acs.iecr.9b05363

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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Design for dynamic operation - A review and new perspectives for a dynamic manufacturing environment2018

    • Author(s)
      C. L. E. Swartz Y. Kawajiri
    • Journal Title

      Computer Aided Chemical Engineering: Proceedings of International Symposium on Process Systems Engineering

      Volume: 44 Pages: 43-52

    • DOI

      10.1016/b978-0-444-64241-7.50005-7

    • Related Report
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    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Parameter Estimation by Bayesian Inference Using Monte Carlo Sampling for Liquid Chromatography Process Model2020

    • Author(s)
      Yota Yamamoto Tomoyuki Yajima Yoshiaki Kawajiri
    • Organizer
      Asian Symposium on Process Systems Engineering (PSE Asia)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bayesian approaches for chemical process modeling2020

    • Author(s)
      Yoshiaki Kawajiri
    • Organizer
      Asian Symposium on Process Systems Engineering (PSE Asia)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Modeling of nucleation, growth, and dissolution kinetics of paracetamol from ethanol solution for unseeded batch cooling crystallization with temperature cycling strategy2020

    • Author(s)
      Youngjo Kim Ronald Rousseau Yoshiaki Kawajiri Martha Grover
    • Organizer
      AIChE Annual Meeting
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Uncertainty Quantification for Estimating Molecular Weight Distribution by Gel Permeation Chromatography2020

    • Author(s)
      Kosuke Wakita Tomoyuki Yajima Yoshiaki Kawajiri
    • Organizer
      Asian Symposium on Process Systems Engineering (PSE Asia)
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bayesian Approach for Adsorption Process Modeling2019

    • Author(s)
      Y. Isobe Y. Yamamoto K. Suzuki T. Yajima Y. Kawajiri
    • Organizer
      Fundamentals of Adsorption
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Hierarchical Bayesian Estimation for Adsorption Isotherm Parameter Determination and Applications to CO2 Capture2018

    • Author(s)
      C. Shii J. Park D. Sholl M. Realff T. Yajima Y. Kawajiri
    • Organizer
      AIChE Annual Meeting
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 擬似移動層クロマトグラフィー分離装置における運転データからのモデルパラメータ推定2018

    • Author(s)
      原田秀喜 佐藤 康平 岡田 一夫 鶴田 正樹 矢嶌 智之 川尻 喜章
    • Organizer
      化学工学会 第50回秋季大会
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  • [Presentation] マルコフ連鎖モンテカルロ(MCMC)法を用いた吸着プロセスのパラメータ推定2018

    • Author(s)
      磯部 祐輝 矢嶌 智之 川尻喜章
    • Organizer
      化学工学会 第50回秋季大会
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      2018 Annual Research Report
  • [Presentation] データ科学手法を援用したプロセス開発2018

    • Author(s)
      川尻喜章
    • Organizer
      スマートエンジニアリングTOKYO 産学官マッチングフォーラム
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] 化学プロセス開発におけるデータ活用2018

    • Author(s)
      川尻喜章
    • Organizer
      材料バックキャストテクノロジーシンポジウム: 未来を拓くものづくり
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      2018 Annual Research Report
    • Invited
  • [Presentation] データサイエンス手法を援用した化学プロセス開発の新展開2018

    • Author(s)
      川尻喜章
    • Organizer
      インフォマティクスと連携したモノづくりと計測技術 日本金属学会東海支部・日本鉄鋼協会東海支部学術討論会
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    • Invited

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Published: 2018-04-23   Modified: 2021-12-27  

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