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Optimal design of dynamic experiments for improved estimation of kinetic parameters of thermal degradation / Balsa-Canto, Eva in Journal of food engineering, Vol. 82 N°2 (Septembre 2007) 

Public ISBD [article]  in Journal of food engineering > Vol. 82 N°2 (Septembre 2007) . - 178-188 p. Titre : Optimal design of dynamic experiments for improved estimation of kinetic parameters of thermal degradation Type de document : texte imprimé Auteurs : Balsa-Canto, Eva, Auteur ; Rodriguez-Fernandez, Maria, Auteur ; Banga, Julio R., Auteur Article en page(s) : 178-188 p. Note générale : Génie chimique Langues : Anglais (eng) Mots-clés : Optimal  experimental  design  Thermal  processing  Thermal  degradation  kinetics  Parameter  estimation  Optimal  design  expérimental  Traitement  thermique  Dégradation  thermique  cinétique  Estimation  de  paramètres Index. décimale : 664 Résumé : Thermal processing is widely used for ensuring food safety and extended shelf life. However, standard methods of thermal processing have a significant impact on food quality due to thermal degradation of nutrients and other quality factors. Model-based methods can be successfully used for thermal process design, optimization and control. However, building sound models requires suitable estimation of the unknown kinetic parameters. Further, the accuracy of these estimates will largely depend on the quality and quantity of the available experimental data. Optimal experimental design (OED) of dynamic experiments allows for the calculation of the scheme of controls and measurements which improve the estimation of model parameters. In this contribution, the OED problem is formulated as a general dynamic optimization problem where the objective is to find those experimental conditions which result in maximum information content, as measured by the Fisher information matrix. The numerical solution of this problem is then approached using a combination of the control vector parameterization approach with a non-linear global optimization solver. As an illustrative application, we consider the optimal experimental design for the parameter estimation of the thiamine degradation kinetic parameters during the thermal processing of canned tuna. Results confirm that the use of optimal dynamic experiments not only improves identifiability but also results in reduced confidence regions for the parameters (a maximum error of the 2% in the parameter estimates), substantially decreasing the experimental effort (up to a 50%). Particularly the use of six optimally designed experiments results in a 30% reduction of the confidence regions with respect to previously published results using 10 typical experiments. Traitement thermique est largement utilisé pour assurer la sécurité alimentaire et de la durée de vie prolongée. Toutefois, les méthodes standard de traitement thermique ont un impact significatif sur la qualité des denrées alimentaires en raison d'une dégradation de nutriments et d'autres facteurs de qualité. Les méthodes basées sur le modèle peut être utilisé avec succès pour détecter les processus de conception, d'optimisation et de contrôle. Or, la constitution du son nécessite des modèles d'estimation de l'inconnu paramètres cinétiques. En outre, la précision de ces prévisions dépendront largement de la qualité et la quantité des données expérimentales disponibles. Optimal design expérimental (OED) de la dynamique des expériences permet de calculer le régime de contrôles et de mesures qui visent l'amélioration de l'estimation des paramètres du modèle. Dans cette contribution, l'OED problème est formulé comme un problème d'optimisation dynamique générale où l'objectif est de trouver les conditions expérimentales qui ont pour effet maximal contenu de l'information, telle que mesurée par la matrice d'information de Fisher. La solution numérique de ce problème est alors approché en utilisant une combinaison de la paramétrisation de contrôle de vecteur d'une approche non linéaire d'optimisation globale solveur. À titre illustratif demande, nous estimons que le meilleur modèle expérimental pour l'estimation des paramètres de la dégradation de la thiamine paramètres cinétiques pendant le traitement thermique de conserves de thon. Les résultats confirment que l'utilisation optimale de la dynamique des expériences améliore non seulement d'identifier, mais aussi la réduction des régions de confiance pour les paramètres (une erreur maximale de 2% dans les estimations de paramètres), de réduire substantiellement les efforts expérimental (jusqu'à un 50%). En particulier l'utilisation optimale de six résultats des expériences conçues dans un 30% de réduction de la confiance à l'égard de régions précédemment publié les résultats à l'aide 10 typique expériences. DEWEY : 664 ISSN : 0260-8774 RAMEAU : Traitement thermique En ligne : http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleListURL&_method=list&_ArticleLis [...] [article] Optimal design of dynamic experiments for improved estimation of kinetic parameters of thermal degradation [texte imprimé] / Balsa-Canto, Eva, Auteur ; Rodriguez-Fernandez, Maria, Auteur ; Banga, Julio R., Auteur . - 178-188 p. Génie chimique Langues : Anglais (eng) in Journal of food engineering > Vol. 82 N°2 (Septembre 2007) . - 178-188 p. Mots-clés : Optimal  experimental  design  Thermal  processing  Thermal  degradation  kinetics  Parameter  estimation  Optimal  design  expérimental  Traitement  thermique  Dégradation  thermique  cinétique  Estimation  de  paramètres Index. décimale : 664 Résumé : Thermal processing is widely used for ensuring food safety and extended shelf life. However, standard methods of thermal processing have a significant impact on food quality due to thermal degradation of nutrients and other quality factors. Model-based methods can be successfully used for thermal process design, optimization and control. However, building sound models requires suitable estimation of the unknown kinetic parameters. Further, the accuracy of these estimates will largely depend on the quality and quantity of the available experimental data. Optimal experimental design (OED) of dynamic experiments allows for the calculation of the scheme of controls and measurements which improve the estimation of model parameters. In this contribution, the OED problem is formulated as a general dynamic optimization problem where the objective is to find those experimental conditions which result in maximum information content, as measured by the Fisher information matrix. The numerical solution of this problem is then approached using a combination of the control vector parameterization approach with a non-linear global optimization solver. As an illustrative application, we consider the optimal experimental design for the parameter estimation of the thiamine degradation kinetic parameters during the thermal processing of canned tuna. Results confirm that the use of optimal dynamic experiments not only improves identifiability but also results in reduced confidence regions for the parameters (a maximum error of the 2% in the parameter estimates), substantially decreasing the experimental effort (up to a 50%). Particularly the use of six optimally designed experiments results in a 30% reduction of the confidence regions with respect to previously published results using 10 typical experiments. Traitement thermique est largement utilisé pour assurer la sécurité alimentaire et de la durée de vie prolongée. Toutefois, les méthodes standard de traitement thermique ont un impact significatif sur la qualité des denrées alimentaires en raison d'une dégradation de nutriments et d'autres facteurs de qualité. Les méthodes basées sur le modèle peut être utilisé avec succès pour détecter les processus de conception, d'optimisation et de contrôle. Or, la constitution du son nécessite des modèles d'estimation de l'inconnu paramètres cinétiques. En outre, la précision de ces prévisions dépendront largement de la qualité et la quantité des données expérimentales disponibles. Optimal design expérimental (OED) de la dynamique des expériences permet de calculer le régime de contrôles et de mesures qui visent l'amélioration de l'estimation des paramètres du modèle. Dans cette contribution, l'OED problème est formulé comme un problème d'optimisation dynamique générale où l'objectif est de trouver les conditions expérimentales qui ont pour effet maximal contenu de l'information, telle que mesurée par la matrice d'information de Fisher. La solution numérique de ce problème est alors approché en utilisant une combinaison de la paramétrisation de contrôle de vecteur d'une approche non linéaire d'optimisation globale solveur. À titre illustratif demande, nous estimons que le meilleur modèle expérimental pour l'estimation des paramètres de la dégradation de la thiamine paramètres cinétiques pendant le traitement thermique de conserves de thon. Les résultats confirment que l'utilisation optimale de la dynamique des expériences améliore non seulement d'identifier, mais aussi la réduction des régions de confiance pour les paramètres (une erreur maximale de 2% dans les estimations de paramètres), de réduire substantiellement les efforts expérimental (jusqu'à un 50%). En particulier l'utilisation optimale de six résultats des expériences conçues dans un 30% de réduction de la confiance à l'égard de régions précédemment publié les résultats à l'aide 10 typique expériences. DEWEY : 664 ISSN : 0260-8774 RAMEAU : Traitement thermique En ligne : http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleListURL&_method=list&_ArticleLis [...]