Métodos ambientalmente benignos para a produção industrial de produtos químicos são urgentemente necessários. Os pesquisadores da LMU descreveram recentemente esse procedimento para a síntese de formaldeído, e agora o melhoramos com o aprendizado de máquina.

O formaldeído é uma das matérias-primas mais importantes empregadas na indústria química, e serve como ponto de partida para a síntese de muitos produtos químicos mais complexos. A produção industrial de formaldeído é atualmente baseada em um procedimento em larga escala que consome combustíveis fósseis e requer um alto consumo de energia. Modos de síntese mais eficientes e sustentáveis ​​são, portanto, urgentemente necessários, que poderia dar uma contribuição significativa para a mitigação do clima. O químico LMU, Professor Oliver Trapp, e seus colegas desenvolveram agora um novo fluxo de trabalho para a produção de formaldeído, que é baseado em um algoritmo construído com o auxílio do aprendizado de máquina. O novo procedimento aumenta os rendimentos do composto por um fator de 5, como a equipe agora relata no jornal Ciência Química . Os autores do estudo estão convencidos de que sua nova abordagem tem grande potencial e pode, em princípio, ser aplicada a outros procedimentos sintéticos.

A síntese industrial do formaldeído começa com o gás de síntese [uma mistura de monóxido de carbono (CO) e hidrogênio molecular (H2)] - ao qual se adiciona metanol antes de ser oxidado com a ajuda de um catalisador. Contudo, a própria produção de gás de síntese requer altas temperaturas e combustíveis fósseis como gás natural ou carvão. Em um estudo anterior, os pesquisadores do LMU descreveram o desenvolvimento de um esquema de reação que permitiu que um derivado de formaldeído fosse sintetizado em uma única etapa a partir de uma mistura de gás hidrogênio e dióxido de carbono, na presença de um catalisador homogêneo, sob condições moderadas de temperatura e pressão. Na adição de metanol, este derivado pode então ser convertido no produto final desejado. A estratégia apresenta uma série de vantagens sobre o procedimento convencional. "Em primeiro lugar, permite CO ₂ , que é um subproduto de vários processos industriais (por exemplo, na produção de aço) para ser reciclado. Portanto, esta abordagem não só aumenta a eficiência da síntese de formaldeído, também reduz a taxa de acúmulo de CO ₂ na atmosfera. À luz da mudança climática em curso, este é um efeito colateral muito procurado e muito bem-vindo do procedimento, "diz Trapp." Além disso, todo o processo requer muito menos energia do que rotas alternativas de síntese, pois ocorre em temperaturas mais baixas e envolve menos etapas. "

O grupo agora otimizou este procedimento variando não menos do que sete parâmetros que afetam o rendimento da síntese de formaldeído em seu sistema, e usar o aprendizado de máquina para identificar as combinações de parâmetros que fornecem os melhores resultados. A característica essencial dos algoritmos de aprendizado de máquina é que eles são capazes de aprender com a experiência, quando fornecido com conjuntos de dados de 'treinamento' apropriados. "No método que empregamos, chamada floresta aleatória, os conjuntos de dados iniciais contêm resultados válidos obtidos com base em observações empíricas ou cálculos, "diz Trapp. Um subconjunto desses dados é usado para treinar o algoritmo, para que ele possa construir uma relação matemática entre esses dados de entrada e os resultados correspondentes. Portanto, o resultado desta etapa é um modelo matemático. A capacidade do modelo de contabilizar o restante dos dados pode então ser avaliada, e o modelo pode ser ajustado progressivamente.

Usando este método, a equipe LMU foi capaz de determinar as condições ideais de reação para seu sistema químico. Ao ajustar adequadamente os parâmetros de entrada em uma nova configuração de reação, eles foram capazes de testar a eficácia do algoritmo diretamente. "O novo esquema de reação aumentou a eficiência de síntese em 500% em relação ao modo convencional de produção de formaldeído, "diz Trapp." Este resultado excedeu significativamente as nossas expectativas, e demonstra o potencial dos algoritmos modernos para maximizar os resultados com o mínimo de esforço prático. "

Os autores estão confiantes de que seus resultados irão motivar os engenheiros químicos a adotar o processo e implementá-lo em escala técnica. "BASF, nosso parceiro no projeto, já está empenhada em avaliar a relevância industrial do processo, "diz Trapp. Dado que a produção global anual de formaldeído excede 20 milhões de toneladas por uma margem considerável, e a demanda pelo composto continua aumentando, esta alternativa comparativamente benigna ao modo atual de síntese poderia dar uma contribuição apreciável para a redução dos gases de efeito estufa.