神经网络集成RSM-BBD优化技术,用于提高从藻类生物质中生产生物原油的效率

《Algal Research》:Neural network integrated RSM–BBD optimization for enhanced biocrude production from algal biomass

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年08月27日 来源:Algal Research 5.0

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  •开发了一种集成的ANN–RSM–BBD框架,用于通过热液液化技术优化藻类生物原油的生产过程。•通过收集880个实验数据,训练了一个多输出人工神经网络(ANN),用于预测生物原油的产量、异原子含量和高位热值。•ANN模型性能优于传统随机搜索优化(RSM)方法,在所有目标响应指标上

  
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    开发了一种集成的ANN–RSM–BBD框架,用于通过热液液化技术优化藻类生物原油的生产过程。
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    通过收集880个实验数据,训练了一个多输出人工神经网络(ANN),用于预测生物原油的产量、异原子含量和高位热值。
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    ANN模型性能优于传统随机搜索优化(RSM)方法,在所有目标响应指标上的R2值超过0.98,均方根误差(RMSE)低于5%。
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    研究发现,脂质含量和反应温度是控制生物原油产量的主要因素。
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    多目标优化旨在在最大化生物原油产量和高位热值的同时,减少氮、氧和硫的含量。
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    该框架提供了一种可扩展的数据驱动策略,用于优化热化学生物能源系统。

章节摘录

缩写词列表

    AI
    人工智能
    ANN
    人工神经网络
    ANFIS
    自适应神经模糊推理系统
    BBD
    箱-贝恩肯设计法(Box–Behnken Design)
    BPNN
    反向传播神经网络(Backpropagation Neural Network)
    YBc
    生物原油产量
    COD
    化学需氧量(Chemical Oxygen Demand)
    CO
    一氧化碳(Carbon Monoxide)
    DCW
    干细胞重量(Dry Cell Weight)
    FNN
    遗传算法(Genetic Algorithm)
    GHG
    温室气体(Greenhouse Gas)
    HC
    碳氢化合物(Hydrocarbons)
    HHV
    高位热值(Higher Heating Value)
    HHVi
    初始高位热值(Initial Higher Heating Value)
    HTL
    热液液化(Hydrothermal Liquefaction)
    ICE
    内燃机(Internal Combustion Engine)
    LA
    学习算法(Learning Algorithm)LHV
    低位热值(Lower Heating Value)MAE
    平均绝对误差(Mean Absolute Error)μ
    平均误差ML

数据采集与预处理

编译了针对多种藻类的实验数据集和文献数据,包括普通小球藻(Chlorella vulgaris, Cv)、索罗金藻(Chlorella sorokiniana, Cs)、螺旋藻(Spirulina, Sp)、盐沼微藻(Nannochloropsis salina, Ns)、鱼腥藻(Nostoc, Nos)、阿尔梅里恩斯藻(Scenedesmus almeriensis, Sa)、Scenedesmus(Scp)、齿叶马尾藻(Sargassum dentifolium, Sdf)、麻风树(Jatropha, Ja)和莱茵衣藻(Chlamydomonas reinhardtii, Cr)。用于筛选原始数据的主要分析方法包括使用SAS软件的分布分析和多变量分析。

ANN模型筛选

选择了十一个基于生物量的描述符作为模型预测因子,涵盖了藻类种类、生化组成、内在生物质能量含量和元素组成。这些变量被选中,以代表控制热液液化反应路径、生物原油形成、异原子分配和燃料能源质量的主要组成因素。鉴于前馈反向传播神经网络(FFBPNN)在模拟非线性生物系统方面的适用性,因此被选为模型算法。

结论

所开发的ANN–RSM–BBD框架展示了基于全面藻类生物质组成和热液液化数据集进行机器学习的潜力,能够预测多个过程结果,并支持生物原油产量和质量的多响应优化。通过将非线性ANN预测与敏感性分析和响应面建模相结合,该框架将复杂的 数据关系转化为可解释的组成和优化标准,从而指导生物原油的生产过程。

CRediT作者贡献声明

Ahmed M.D. Al Ketife:负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、软件开发、方法论设计、数据分析以及概念框架的构建。Fares Almomani:负责写作、审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、调查研究及资金申请、数据管理。Farah Sangor:负责写作、审稿与编辑、数据处理以及结果可视化与验证。

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

卡塔尔研究、发展与创新委员会(QRDIC)在项目编号ARG01-0516-230190下的财政支持。其中一位作者还感谢研究生奖学金研究奖(GSRA11-L-2-0421-24014提供的资助。
Ahmed M.D. Al Ketife|Fares Almomani|Farah Sangor
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