Information Technology (Council of Physical Sciences)
100 %
Panel
Informatics and Electrical Engineering
Department or equivalent
Department of Computer Science and Systems Technology (University of Pannonia)
Starting date
2006-02-01
Closing date
2009-01-31
Funding (in million HUF)
1.550
FTE (full time equivalent)
0.34
state
closed project
Summary in Hungarian
Reakciók mechanizmusának feltérképezése elméleti és gyakorlati szempontból is fontos. Elengedhetetlen annak megértéséhez, hogy különböző környezeti hatások vagy anyagok egy kémiai vagy biokémiai reakcióra milyen hatással lehetnek. Alapját jelentheti például korszerű biotechnológiai eljárások tervezésének.
Egy eredő reakció mechanizmusának meghatározása két szakaszból áll. Az első szakasz az összes lehetséges reakcióút azonosítása, a második szakasz a pontos reakcióút vagy mechanizmus kiválasztása az első szakaszban azonosítottak közül az adott körülmények között vizsgált mérési eredmények alapján.
Reakcióutak szintézisére különböző módszerek alakultak ki az alkalmazási területtől és a kutatók matematikai háttértől függően. Gyakran matematikai modell szempontjából hasonló vagy ekvivalens feladatokat különböző szóhasználattal fogalmaznak meg, és különböző megoldó módszert alkalmaznak rájuk. A kutatók más-más területeken dolgozva nem találkoznak, az eltérő szóhasználat pedig szinte lehetetlenné teszi, hogy elektronikus adatbázisokban keresve egymás munkáira akadjanak.
A kutatás célja egyrészt a hasonló matematikai modellre vezető feladatok és azok szóhasználatának összegyűjtése és publikálása, a megoldók más területen való alkalmazhatóságának meghatározása, a megoldók korlátainak és erősségeinek összevetése. A kutatás másik célja újabb megoldó algoritmusok kidolgozása az alkalmazási területek kibővítésével és a korábbi módszerek integrálásával.
Summary
Exploring the mechanism of a reaction has both practical and theoretical impact. It is essential for understanding the effect of different environmental conditions and materials on chemical or biochemical reactions. It can serve as a basis for designing modern biotechnological processes.
The determination of a mechanism apparently involves two phases. The first phase entails the identification of all feasible candidate mechanisms, and the second phase requires the selection of the ultimate pathway or mechanism from those identified in the first phase upon experimental data measured under different circumstances.
Different methods have been developed depending on the field of application and the mathematical background of the researchers. Problems yielding in similar or equivalent mathematical models are often given in different terminology and solved by different methods. Researchers working in different areas do not meet each other and because of the different terminology it is almost impossible to find each other’s works searching in electronic databases.
In one hand the aim of the research is to gather and publish practical problems yielding in similar mathematical models and their terminologies, to determine applicability of solvers to other fields, and to compare their strengths and limitations. The other aim is to elaborate novel algorithms by extending the fields of applications and integrating former methods.
Final report
Results in Hungarian
A kutatás témája - a reakcióutak szintézise - a kémiai és biokémiai reakciók mechanizmusának megértését segíti. A feladat megoldása, komplexitása miatt, hatékony informatikai támogatás nélkül elképzelhetetlen. Mindemellett, több olyan mérnöki feladat is található, mely matematikai szempontból analóg feladatra vezet.
Az első év során a feladat szakirodalomban rendelkezésre álló modelljeit és megoldó módszereit gyűjtöttük és hasonlítottuk össze. A kritikus futási idő miatt vizsgáltuk a módszerek implementációs kérdéseit is.
A második évben azt vizsgáltuk, hogy egyrészt a különböző módszerekben használt modellek és perprezentációk által hordozott információ hogyan segít a reakcióutak meghatározását. Másrészt, lehetséges-e többféle reprezentációban megjelenő információt párhuzamosan hasznosítani. Harmadrészt, sok megengedett reakcióút esetén hogyan lehet a dominánsakat kiválasztani.
A harmadik évben implementáltuk a különböző matematikai modellek összefüggéseit is kihasználó általunk kidolgozott integrált megoldó algoritmusokat. Keretrendszert fejlesztettünk a megoldások elemzésére különböző reprezentációk szerint. Kidolgoztunk egy olyan technikát, mely biztosítja, hogy kezelhetetlenül sok megoldás esetén csak a leginkább valószínűeket generáljuk, de nem a nagyszámú megoldás szűrésével, hanem úgy, hogy a generált megoldások számával arányban a futási idő is csökkenjen. Mindemellett kidolgoztunk egy analóg feladat megoldásához szükséges adaptációt.
Results in English
The topic of the research, i.e., reaction pathway identification, helps understanding the mechanisms of chemical and biochemical reactions. Due to its high complexity, the solution of the problem requires computer aid. Moreover, there exist several engineering problem leading to analogous problem from mathematical point of view.
In the first year mathematical models of the problem available in the literature have been collected and compared. Because of the computational complexity the potential implementations of methods have also been examined.
In the second year the different mathematical representations have been analyzed. First, how they help the reaction pathway identification; second, whether they can be exploited in parallel; third, how dominant pathways can be selected from a practically unmanageably large number of candidate pathways.
In the third year novel integrated algorithms have been implemented exploiting the relationships of multiple mathematical representations. A software framework has been elaborated for analyzing the solutions in multiple representations. A branch and bound technique has been introduced for generating the energetically most dominant pathways in a way that the exhaustive generation of all pathways is not necessary and computational time decreases proportionally to the number of pathways generated. Moreover, an adaptation of the method to an analogous problem has also been worked out.
Nyitrai Sz (Témavezető: Bertók B): Szoftverfejlesztés UML alapú CASE eszköz segítségével, diplomadolgozat, Pannon Egyetem, 2006
Kalauz K; Bertok B; Friedler F; Fan LT: Reaction pathway identification: relations of methods based on graph theory and linear algebra, CHISA 2006, Praha, Czech Republic, August 27-31, 2006
Nagy Z; Bertok B; Friedler F; Lee DY; Fan LT; Shafie S: Exploring Mechanisms Leading to Robust Biochemical Systems, PRES 2006, Praha, Czech Republic, August 27-31, 2006
Lin YC; Fan LT; Shafie S; Hohn KL; Bertók B; Friedler F: Exhaustive Identification of Stoichiometrically Feasible Pathways of Partial Oxidation of Methanol on Copper-Zinc Catalysts, Proceedings of the AIChE 2006 Annual Meeting, San Francisco, CA, November 12 – 17, 2006
Fan LT; Lin YC; Shafie S; Hohn KL; Bertók B; Friedler F: Microkinetic Model for the Water-gas Shift Reaction on Supported Copper Catalyst, Proceedings of the AIChE 2006 Annual Meeting, San Francisco, CA, November 12 – 17, 2006
Bertok B; Kalauz K; Fan LT: Exhaustively Generating Basis Solutions for a System of Stoichiometrically Balanced Elementary Reactions by Resorting to the P-graph-based Method, Veszprém Optimization Conference: Advanced Algorithms (VOCAL), Veszprem, Hungary, December 13-15, 2006
Kalauz K (Témavezető: Bertók B): Reakcióút azonosítás: Gráf elméleti és lineáris algebrai módszerek integrálása, OTDK dolgozat, Pannon Egyetem, 2007
Bertok B; Kalauz K; Friedler F, Fan LT: Sztöchiometriai egyenletrendszerek minimális számú aktív változót tartalmazó megoldásainak generálása a P-gráf módszertan alkalmazásával, XXVII. Magyar Operációkutatási Konferencia, Balatonöszöd, Június 7-9, 2007
Bertok B; Kalauz K; Friedler F, Fan LT: Systematic Methods for Reaction-Pathway Identification, XIX Polish Conference of Chemical and Process Engineering, Rzeszow, Poland, September 3-7, 2007
Kalauz K; Bertok B; Fan LT; Friedler F: Reaction-pathway identification: methods and software, PRES 2008 (11th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction), Praha, Czech Republic, August 24-28, 2008
Fan LT; Lin YC; Shafie S, Hohn KL, Bertok B; Friedler F: Graph-theoretic and energetic exploration of catalytic pathways of the water-gas shift reaction, Chin. Inst. Chem. Eng., 39, 467-473, 2008
Lin YC; Fan LT; Shafie S, Hohn KL, Bertok B; Friedler F: Catalytic Pathways Identification for Partial Oxidation of Methanol on Copper-Zinc Catalysts: CH3OH + 1/2 O2 <-> CO2 + 2 H2, Ind. Eng. Chem. Res., 47, 2523-2527, 2008
Fan LT; Lin YC; Shafie S; Hohn KL; Bertók B; Friedler F: Comment on: An improved microkinetic model for the water-gas shift reaction on copper [Surf. Sci. 541 (2003) 21-30], Surface Science, 601, 2401-2405, 2007
Bertok B; Kalauz K; Friedler F; Fan LT: Reaction-Pathway Identification: Models and Algorithms, VOCAL 2008 (Veszpém Optimization Conference: Advanced Algorithms), Veszprém, Hungary, December 15-17, 2008
Bertok B; Kalauz K; Friedler F; Lin YC; Fan LT; S. Shafie: Combinatorially accelerated branch-and-bound method for identifying potentially dominant catalytic pathways, PRES 2008 (11th Conference on Process Integration, Modelling and Optimisation for Energy Saving and Pollution Reduction), Praha, Czech Republic, August 24-28, 2008
