Suggerimento sulla strategia di progettazione sperimentale per la sintesi chimicaBuona domenica, meravigliosa community di JMP!
Probabilmente dovrò progettare ed eseguire una serie di esperimenti o sequenziali per massimizzare la resa della sintesi chimica.
Qualcuno nel nostro gruppo ha eseguito questa reazione chimica in passato. Tuttavia, il mio manager vuole che ripeta questa reazione per comprendere meglio la relazione tra le condizioni di reazione e il rendimento. Sulla base dei dati storici, ci sono tre conclusioni.
1. La concentrazione totale di calcio è molto importante.
2. Il rapporto tra ammoniaca e potassio nella reazione influisce sulla resa ma in misura minore.
3. La concentrazione totale di ammoniaca potrebbe avere un certo impatto sulla reazione, ma è difficile stimarne il grado (o l'entità) sulla base dei dati storici.
Pertanto, ho impostato i tre fattori che voglio indagare: 1) concentrazione di calcio, 2) rapporto tra ammoniaca e potassio e 3) concentrazione di ammoniaca.
Qui ho incluso 7 diversi livelli di concentrazioni di calcio poiché modificano la resa in un ampio intervallo di concentrazioni di calcio. Vogliamo anche avere tre rapporti discreti di ammoniaca e potassio. Poi voglio anche verificare se la concentrazione di ammoniaca influisce sulla resa.
Di seguito è riportato ciò che ha suggerito JMP e sono abbastanza soddisfatto in quanto: 1) ha suggerito 14 esecuzioni entro il limite delle risorse. 2) riempie in modo efficiente lo spazio di progettazione.
Tuttavia, come indicato in precedenza, è difficile valutare se la concentrazione di ammoniaca abbia un impatto sulla resa basandosi esclusivamente sui dati storici. Sono tentato di condurre un piccolo studio pilota per vedere se la concentrazione di ammoniaca ha qualche impatto. Ad esempio, eseguo tre condizioni di reazione in cui la concentrazione di calcio e il rapporto tra le concentrazioni di ammoniaca e potassio sono fissi e la concentrazione di ammoniaca viene variata (30~50 mM).
Se l'ammoniaca finisse per non avere un impatto significativo sulla resa, sarei in grado di costruire un RSM più approfondito con solo due fattori (concentrazione di calcio e rapporto tra ammoniaca e potassio). Tuttavia, allo stesso tempo, mi perderei l’opportunità di studiare il potenziale impatto dell’ammoniaca sulla resa a diverse concentrazioni di calcio e sul rapporto tra ammoniaca e potassio (è più simile a un fattore alla volta + DOE).
Mi piacerebbe ricevere qualche opinione dagli utenti JMP più esperti su come affrontare questo tipo di problemi.
Analisi e modellazione dei dati di baseProgettazione di esperimentiIngegneria della qualità e dei processiRe: Suggerimento sulla strategia di progettazione sperimentale per la sintesi chimicaCiao @BJK_JerseyBoy ,
È fantastico che tu disponga già di dati storici, poiché potrebbero fornire una buona base di riferimento e un confronto con i nuovi esperimenti che creerai.
Per quanto riguarda i tuoi fattori, non capisco perché imposti il fattore del rapporto ammoniaca/potassio come numerico discreto? È possibile impostare questo fattore come numerico continuo e aggiungere un termine quadratico nel pannello del modello in modo che il progetto risultante includa un livello medio. Il fattore di concentrazione del calcio copre un ampio intervallo, ma, ancora una volta, non sei obbligato a utilizzare un fattore numerico discreto per coprire un'ampia gamma di livelli: specificando un modello più complesso con termini di ordine superiore (impostati come "Necessario" o "Se Possibile" per non aumentare la dimensione della corsa richiesta) e/o utilizzando una scala logaritmica per questo fattore, poiché copre ordini di grandezza molto diversi per la concentrazione (quindi invece di avere 1/10/50/100/500/1000/ 2000 si avrebbe 0/2,3/3,9/4,6/6,2/6,9/7,6 con una scala logaritmica, che consentirebbe di coprire in modo più omogeneo le diverse grandezze di concentrazione rispetto all'originale scala con fattore continuo numerico).
Per quanto riguarda le tue domande sulla concentrazione di ammoniaca, perché non ampliare la gamma dei fattori che sembra molto piccola rispetto agli altri fattori? L'ammoniaca potrebbe non essere stata rilevata in precedenza come un fattore significativo perché l'intervallo in cui questo fattore varia non è ampio e potrebbe non consentire di rilevare differenze significative tra livelli alti e bassi. Espandere la sua portata potrebbe fornirti maggiori informazioni sulla sua influenza nel tuo sistema (se tecnicamente possibile).
Un'opzione potrebbe essere quella di utilizzare questo set iniziale di dati storici e utilizzare la piattaforma Augment Designs per creare un DoE che possa essere costruito su questo set e comunque valutare/confermare se queste prime osservazioni sembrano plausibili. Quando si amplia un progetto, è comunque possibile modificare gli intervalli dei fattori, se necessario, per esplorare uno spazio sperimentale più ampio (o più ristretto). Se ritieni che questa opzione possa essere interessante da considerare, assicurati che l'opzione "Raggruppa nuove esecuzioni in blocchi separati" sia selezionata, in modo da poter stimare un possibile effetto fisso o casuale dovuto a un cambiamento di variabilità tra i dati storici/nuovi dati da Aumenta DoE.
Un'altra opzione potrebbe essere quella di impostare un "nuovo" DoE come fai tu, al fine di costruire un modello di comprensione del sistema e confrontarlo con le esecuzioni dei dati di produzione/storici, per vedere se il modello ti consente di comprendere/prevedere i risultati in lo spazio ristretto di produzione.
Come menzionato da @Florian_Vogt , è importante ricordare che DoE supporta un approccio di sperimentazione sequenziale, quindi puoi iniziare con un grande spazio sperimentale e solo un modello molto semplice, quindi regolare gli intervalli e aggiungere più complessità (se necessario!) per perfezionare il tuo comprendere e/o costruire un modello predittivo.
Spero che questa risposta possa aiutarti e darti "spunti di riflessione" 
Re: Suggerimento sulla strategia di progettazione sperimentale per la sintesi chimicaCiao @BJK_JerseyBoy ,
probabilmente ce ne saranno molti con esperienza pertinente e alcune idee e suggerimenti per aiutarti.
Fino ad allora, forse questo articolo ti fornisce alcune informazioni utili: la natura sequenziale di DoE
Avere una buona settimana,
Floriano
Re: Suggerimento sulla strategia di progettazione sperimentale per la sintesi chimicaD'accordo con Vittorio. Eviterei il numero discreto a meno che non ci fosse un "quadrante" che rendesse impossibile renderlo continuo.
Re: Suggerimento sulla strategia di progettazione sperimentale per la sintesi chimicaEcco alcuni dei miei pensieri e domande. Victor fornisce ottimi feedback, quindi lo aggiungo al menu (spunti di riflessione)! Qual è l'obiettivo finale del tuo studio? Si tratta di scegliere un vincitore o di comprendere effettivamente i meccanismi in atto? A quali domande stai cercando di rispondere? Vuoi spiegare la variazione nel set di dati storici o sviluppare un modello di previsione utile?
"Tuttavia, il mio manager vuole che ripeta questa reazione per comprendere meglio la relazione tra le condizioni di reazione e il rendimento."
Mi sembra che le condizioni di reazione includano alcune altre variabili oltre alle 3 elencate (calcio, ammoniaca e potassio). Che dire della temperatura, della velocità di variazione della temperatura, del tempo, della geometria del contenitore, dell'agitazione, ecc.) Oltre ai contaminanti, alla purezza delle sostanze chimiche, agli errori di misurazione delle sostanze chimiche, all'ordine di aggiunta, ecc. Come si misura la resa ? Hai studiato il sistema di misurazione? Dai dati storici, esiste un modo per stimare la coerenza (conosci le serie temporali?)?
Per quanto riguarda i fattori: qual è il modello ipotizzato che stai cercando di approfondire?
1. Calcio. Perché questo numero è discreto (rispetto a continuo)? Perché stai testando a 7 livelli? Ciò influenzerà gli effetti dell'esperimento sul calcio. È davvero necessario stimare un effetto del sesto ordine? (E otterrai alcune interazioni estremamente complesse). Sembra che tu sappia già che questo è importante, quindi la domanda è: quanto è importante rispetto agli altri fattori del tuo studio? Interagisce con altri fattori?
2. Rapporto tra ammoniaca e potassio. Concordo con la domanda sul tipo di fattore (Victor). Dato che stai sperimentando l'ammoniaca, sembra che si tratti davvero solo di una quantità di potassio? (I livelli potrebbero essere impostati tenendo presente i rapporti). Si tratta effettivamente di una miscela di ammoniaca e potassio (forse un disegno di miscela)? Il rapporto dipende dalla concentrazione di ammoniaca?
Osserva i punti del tuo esperimento. Sembrano essere bilanciati in tutto lo spazio di progettazione? Mi sembra di parte.
Re: Suggerimento sulla strategia di progettazione sperimentale per la sintesi chimicaGrazie @Victor_G e @statman per aver condiviso pensieri penetranti e fornito suggerimenti.
Imparo molto da voi ragazzi da qui, così come dai post sporadici di LinkedIn.
@Victor_G _ Convertirò sicuramente il numero discreto in fattore continuo. Per la concentrazione di calcio, mi piace l'idea di cambiare i numeri in scala logaritmica. Tuttavia, non ho capito cosa intendi con " non sei obbligato a utilizzare un fattore numerico discreto per coprire un'ampia gamma di livelli: specificare un modello più complesso con termini di ordine superiore (impostati come "Necessario" o "Se possibile" per non aumentare la dimensione della corsa richiesta)"
Ho scelto 7 diversi livelli di concentrazioni di calcio nella progettazione iniziale poiché so che la concentrazione di calcio influisce sulla resa in un ampio intervallo. Se cambio la concentrazione di calcio da un fattore numerico discreto a un fattore continuo, il design personalizzato probabilmente selezionerà i punti basso, medio e alto nello spazio di progettazione. So di poter eseguire una progettazione sequenziale (aumentare la progettazione) per trovare la reazione chimica ottimale. Tuttavia, sulla base dei dati storici, potrebbe essere difficile sapere quale direzione andare se ho solo tre livelli di concentrazione di calcio. Esiste un modo per includere uno o due livelli in più di concentrazioni di calcio senza dover eseguire calcoli numerici discreti.
La concentrazione di ammoniaca è legata sperimentalmente da 30 a 50 mM. Sappiamo che produrrà prodotti diversi al di fuori di questi intervalli. Come hai sottolineato, poiché l'intervallo di concentrazione dell'ammoniaca è ristretto, non ero sicuro che avrebbe avuto un impatto sulla resa.
@statman Sì! Ci sono più di tre variabili nella reazione chimica. Tuttavia, non sono considerati modificati. In altre parole, devono essere usati così come sono e la reazione avviene a temperatura e pressione ambiente. Sfortunatamente, non posso valutare la consistenza di questa reazione poiché non ci sono repliche nei dati storici.
Il rapporto ammoniaca/potassio è fisso, quindi, se cambio la concentrazione di ammoniaca, la concentrazione di potassio cambia di conseguenza.
Grazie ancora per aver condiviso pensieri penetranti. Sulla base del vostro suggerimento, sto pensando di cambiare il rapporto da fattore numerico discreto a fattore continuo. È comunque possibile avere la concentrazione di calcio come fattore continuo ma impostare 4-5 livelli senza dover utilizzare numeri discreti?
Re: Suggerimento sulla strategia di progettazione sperimentale per la sintesi chimicaCiao @BJK_JerseyBoy ,
Sì, affinché il Custom Design fornisca più di 2 livelli per qualsiasi fattore numerico continuo, è necessario includere termini di ordine superiore nel modello, come effetti quadratici (3 livelli), effetti cubici (4 livelli), ...
Per fare ciò, puoi selezionare il tuo fattore e fare clic su "Potenze" nel pannello del modello e scegliere l'ordine relativo al numero di livelli che desideri (esempio qui per 4 livelli con termini di potenza cubica nel modello):
Tieni presente che puoi modificare la stimabilità di questo/questi termini in "Se possibile" per salvare alcune esecuzioni (fai clic sulla stimabilità del termine e verrà visualizzata l'opzione):
L'aggiunta di questo termine nel modello creerà più livelli su questo fattore nella progettazione (4 livelli: -1 / -0,5 / 0,5 / 1)
Spero che questa risposta ti aiuti a impostare il tuo progetto.
