[01331379]神经网络在双水相体系相平衡中的应用研究

1、任务来源 本项目为自选项目。

2、应用领域和技术原理 本项目旨在研究能够较为准确地计算典型双水相体系相平衡数据的方法，属于化工相平衡领域，可为相关分离设备及工艺过程的优化提供支持。

相平衡数据是萃取分离过程中的基础数据之一，实验测量是获得相平衡数据最为直接的途径，但受到实验设备和条件的限制，有时无法测得急需的数据，即使能够测出，有限的数据量往往不能充分满足设计的需求;在这种情况下，一个计算精度较高且对实验测量依赖较低的模型就显得尤为重要了。

所谓相平衡模型，就是能通过与相平衡数据相关的变量来较为准确地计算相平衡数据，这就需要所建模型具有洞察存在于这些变量与相平衡数据之间复杂联系的能力，具体到所研究的双水相体系，由于其相平衡组成的特殊性，想要准确地进行描述，对上述能力的要求就更为苛刻。

基于此，本项目选取了神经网络作为工具，根据所研究对象的特征，提出了较为合适的方法和策略，使之能够再现双水相体系相平衡时两相的组成，同时，在一定范围内可以对体系的相平衡数据作出较为准确的内插和外推，对相关分离设备的设计及工艺过程的优化均具有一定的辅助作用。

3、性能指标

本项目课题针对含有离子液体和柠檬酸盐的双水相体系，应用人工神经网络（简称神经网络）工具来再现其相平衡时两相的组成;经研究发现，由于体系的高度非理 想性，直接对其相平衡数据进行计算有一定的困难，基于此，在工作中提出了“子神经网络”、“动态参数”的概念：对于所研究的：

（1）[Bmim]BF4（1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）/Na3C6H5O7（柠檬酸钠）和[Bmim]BF4/（NH4）3C6H5O7（柠檬酸铵）离子液体双水相体系在298.2K、308.2K和323.2K温度下的相平衡数据;

（2）[C4mim]Br（溴化1-丁基-3甲基咪唑）/ K3C6H5O7（柠檬酸钾）体系在278.2K、298.2K和318.2K时的数据;

（3）[C4mim]Br/（K3C6H5O7+H3C6H5O7）体系在298.2K时的数据（pH=5，6，7，8;体系的pH值依靠K3C6H5O7和H3C6H5O7组成的缓冲溶液来调节）

在计算精度方面，与文献中所采用的经验方程和热力学模型作平行比较，均能够获得较为理想的结果。

此外，基于目前二维平面神经网络在相平衡领域中的应用情况及所出现的一些问题，结合神经网络产生的理论基础，提出了“立体神经网络”这一概念，并初步地应用于了PVP/Na3PO4、PVP/Na2HPO4以及PVP/NaH2PO4体系（典型的聚合物/无机盐双水相体系;PVP：聚乙烯吡咯烷酮，一种典型的水溶性聚合物适合用来形成双水相体系）相平衡数据的计算。

4、与国内外同类技术比较 在工作开展前以及初始研究阶段，进行了大量的文献查阅，发现在国内应用神经网络推算含有离子液体双水相体系相平衡数据的研究还是比较少的，尤其是所提出的“立体神经网络”这一概念，应用于双水相体系相平衡的计算，在国内尚未发现有过报道（可参见科技查新报告）

5、成果的创造性、先进性 （1）针对离子液体双水相体系相平衡组成的特点，提出了“子神经网络”、“动态参数”的概念，在与神经网络工具恰当融合之后，能够较为准确地描述典型的离子液体/柠檬酸盐双水相体系相平衡组成。

（2）提出了“立体神经网络”这一概念，并初步探索了其在双水相体系相平衡中的应用效果。

6、直接经济效益和社会效益

自项目推广以来，产生了较为良好的经济和社会效益，在相关单位，应用项目中所建议的方法，可以检验实验测量数据的可靠性，从而提高实验数据的准确度并减少实验工作的劳动量，同时对相关分离设备的设计及工艺过程的优化均具有一定的辅助作用在受到相关人员好评的同时，也激发了员工创新、钻研的主动性，提高了员工的创新思维能力和探索求知精神，促进了良好科研氛围的形成。

7、推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见

本项目所研究的双水相体系在生物下游技术领域有着较好的应用前景，随着研究的不断深入，神经网络对于双水相体系相平衡计算精度的进一步提高，对相关设备及工艺过程的优化会起到较好的指导作用，进而带来明显的经济和社会效益。

该项目目前主要研究的是三元双水相体系相平衡，对含有生物活性物质（例如：蛋白质、酶等）的多元复杂萃取体系的相平衡还有待进一步探索;下一步将研究神经网络应用于双水相萃取分离生物活性物质的相平衡问题，为实际的工业过程提供技术支持。