Miljövänliga metoder för industriell produktion av kemikalier är ett akut behov. LMU-forskare beskrev nyligen ett sådant förfarande för syntes av formaldehyd, och har nu förbättrat det med hjälp av maskininlärning.

Formaldehyd är en av de viktigaste råvarorna som används i den kemiska industrin, och tjänar som utgångspunkt för syntesen av många mer komplexa kemiska produkter. Industriell produktion av formaldehyd baseras för närvarande på en storskalig procedur som förbrukar fossila bränslen och kräver en hög energiinsats. Effektivare och mer hållbara syntessätt behövs därför akut, som skulle kunna ge ett betydande bidrag till att mildra klimatet. LMU-kemist professor Oliver Trapp och hans kollegor har nu utvecklat ett nytt arbetsflöde för produktion av formaldehyd, som bygger på en algoritm konstruerad med hjälp av maskininlärning. Den nya proceduren ökar utbytet av föreningen med en faktor 5, som laget nu rapporterar i journalen Kemivetenskap . Författarna till studien är övertygade om att deras nya tillvägagångssätt har stor potential och i princip kan tillämpas på andra syntetiska förfaranden.

Industriell syntes av formaldehyd börjar med syngas [en blandning av kolmonoxid (CO) och molekylärt väte (H2)] – till vilken metanol tillsätts innan den oxideras med hjälp av en katalysator. Dock, själva produktionen av syngas kräver höga temperaturer och fossila bränslen som naturgas eller kol. I en tidigare studie, LMU-forskarna beskrev utvecklingen av ett reaktionsschema som gjorde att ett formaldehydderivat kunde syntetiseras i ett enda steg från en blandning av vätgas och koldioxid, i närvaro av en homogen katalysator, under måttliga temperatur- och tryckförhållanden. Vid tillsats av metanol, detta derivat kan sedan omvandlas till den önskade slutprodukten. Strategin har ett antal fördelar jämfört med den konventionella proceduren. "För det första, det tillåter CO ₂ , som är en biprodukt av flera industriella processer (t.ex. vid tillverkning av stål) som ska återvinnas. Så detta tillvägagångssätt förbättrar inte bara effektiviteten av formaldehydsyntes, det minskar också hastigheten för ackumulering av CO ₂ i atmosfären. I ljuset av pågående klimatförändringar, detta är en mycket eftertraktad och mycket välkommen bieffekt av proceduren, " säger Trapp. "Dessutom, hela processen kräver mycket mindre energi än alternativa syntesvägar, eftersom det sker vid lägre temperaturer och innebär färre steg."

Gruppen har nu optimerat denna procedur genom att variera inte mindre än sju parametrar som påverkar utbytet av formaldehydsyntes i deras system, och använda maskininlärning för att identifiera de parameterkombinationer som ger bäst resultat. Det väsentliga med maskininlärningsalgoritmer är att de kan lära sig av erfarenhet, när de förses med lämpliga "utbildnings"-datauppsättningar. "I den metod som vi använde, kallas random skog, de initiala datamängderna innehåller giltiga resultat som erhållits på grundval av empiriska observationer eller beräkningar, " säger Trapp. En delmängd av dessa data används för att träna algoritmen, så att den kan konstruera ett matematiskt samband mellan dessa indata och motsvarande resultat. Så resultatet av detta steg är en matematisk modell. Modellens förmåga att redogöra för resten av data kan sedan utvärderas, och modellen kan trimmas successivt.

Med denna metod, LMU-teamet kunde bestämma de optimala reaktionsförhållandena för deras kemiska system. Genom att korrekt ställa in ingångsparametrarna i en ny reaktionsinställning, de kunde testa effektiviteten av algoritmen direkt. "Det nya reaktionsschemat ökade syntesens effektivitet med 500 % jämfört med det konventionella sättet för formaldehydproduktion, " säger Trapp. "Detta resultat överträffade avsevärt våra förväntningar, och det visar potentialen hos moderna algoritmer för att maximera resultat med minimal praktisk ansträngning."

Författarna är övertygade om att deras resultat kommer att motivera kemiingenjörer att anta processen och implementera den i teknisk skala. "BASF, vår partner i projektet, är redan engagerad i att bedöma processens industriella relevans, " säger Trapp. Med tanke på att den årliga globala produktionen av formaldehyd överstiger 20 miljoner ton med en avsevärd marginal, och efterfrågan på föreningen fortsätter att öka, detta jämförelsevis godartade alternativ till det nuvarande syntessättet skulle kunna ge ett avsevärt bidrag till minskningen av växthusgaser.