OPTIMALIZACE
- produktu nebo procesu

Jednou z mnoha výhod statistického navrhování experimentů je, že může probíhat postupně v několika krocích (sekvenčně). Znalosti o důležitosti faktorů získané ve fázi screeningu můžete přenést do fáze charakterizace pro zjištění interakcí mezi faktory. V případě potřeby provedením několika dalších pokusů můžete přejít až do fáze optimalizace pro nalezení nejlepší možné kombinace nastavení faktorů. Jedná se tedy o ucelenou strategii a nikoliv o metodu pokus/omyl nebo jednorázový experiment alá sázka na jednu kartu. Výsledkem optimalizace pomocí DoE je odezvová plocha, což není nic jiného než mapa s vrstevnicemi, která vám ukáže směr postupu a umožní předpovídat chování vašeho produktu nebo procesu.

Níže uvedená případová studie ukazuje možnosti optimalizace ve výrobě chemických látek. Cílem bylo dosáhnout konverze (neboli stupně přeměny výchozí látky na produkt) větší než 80 % a dosáhnout aktivity látky hodnoty 63. Za tímto účelem byly zkoumány tři faktory - čas neboli doba trvání reakce, teplota reakční směsi a množství katalyzátoru přidané do reakce. Jak si můžete všimnout v tabulce, experiment byl proveden ve dvou dnech. V prvním dnu byl proveden tzv. úplný faktoriální plán - ten je stejný jako se používá pro charakterizaci. Už po vyhodnocení prvního dne se dá zjistit, že největší vliv na konverzi výchozí látky má množství katalyzátoru, teplota reakční směsi a jejich vzájemná interakce (při větším množství katalyzátoru se dosáhne stejně velké konverze i při nižší teplotě). Za účelem optimalizace se navazuje na pokusy z prvního dne a zároveň je potřeba nahlédnout o kus dál v experimentálním prostoru, což se provedlo širším nastavením úrovní jednotlivých faktorů. Síla statisticky navrženého experimentu je i v tom, že pomocí tzv. středových bodů plánu (pokusy 10, 11, 12 a 19, 20) se zjistí, jestli faktory, které nemáme v průběhu experimentu pod kontrolou, výrazně neovlivnily všechny ostatní pokusy v prvním nebo druhém dni a pokud ano, tak tento neznámý efekt započítat.

Na obrázcích níže jsou zobrazeny přehledné výsledky vlivu jednotlivých faktorů na konverzi výchozí látky. Jak bylo napsáno v popisu metody optimalizace, jedná se o grafy odezvových ploch, které názorně ukazují směr největšího přírůstku konverze (při největším množství katalyzátoru spolu s nejvyšší teplotou). Tyto 3D plochy se dají převést do 2D podoby, čímž vzniknou vrstevnice. Proto výsledek optimalizace připomíná mapu, která vás dovede k vytyčenému cíli. Čas reakce už nemá na konverzi tak velký vliv, ale je důležitý při vyhodnocování aktivity látek v reakční směsi.

Cílem této optimalizace bylo dosáhnout konverze výchozí látky větší než 80 % při aktivitě na hodnotě 63. Tyto požadavky jsou vymezeny rampou (intervalem) v obdélnících s modrou tečkou na obrázku vpravo. Program následně vypočítá všechny kombinace výsledků vedoucí k požadovanému řešení. Všechny vyhovující výsledky jsou seřazeny podle důležitosti kladené na jednotlivé požadavky. Nejlepší možné nastavení této optimalizace je vidět v obdélnících s červenou tečkou. Výsledkem je, že při nastavení času reakce na 47 minut, teploty reakční směsi na 90 °C a množství katalyzátoru 2,68 % dostaneme konverzi výchozí látky 91,32 % při požadované aktivitě na hodnotě 63.

"Mapa s vrstevnicemi" pro faktory množství katalyzátoru a čas reakce je na levém obrázku níže. "Vlajka cílového tábora" je na něm vztyčena v červené oblasti značící "kýžené vrcholy" s nejvyšší konverzí výchozí látky podle požadavků optimalizace. Na pravém dolním obrázku je rovněž velmi užitečný graf. Je to procesní okno, které ohraničí žlutou oblast všech možných nastavení času reakce a množství katalyzátoru, které poskytnou požadovanou konverzi nad 80 % a aktivitu na hodnotě 63 ± 3. Když se budete s nastavením času reakce a množstvím katalyzátoru pohybovat v sytě žluté oblasti, máte 95%-ní jistotu, že dosáhnete požadované konverze a aktivity zároveň.
Disponovat podobnými znalostmi o vašem produktu nebo procesu může být vaší konkurenční výhodou, ale možná i požadavkem od některých auditorů nebo regulačních autorit.

Pokud Vás toto téma zaujalo a chtěli byste se na cokoliv zeptat, neváhejte mě kontaktovat kliknutím na tento formulář na hlavní stránce.