Mechanistic Exploration and Kinetic Modeling Through In Silico Data Generation and Probabilistic Machine Learning Analysis

计算机科学 概率逻辑 生物信息学 机器学习 人工智能 统计模型 数据挖掘 化学 生物化学 基因
作者
Li Xiao,Reza Amirmoshiri,Colton R. Davis,Indu Muthancheri,Antoine de Gombert,Saeed Moayedpour,Sven Jäger,Andreas R. Rötheli,Yasser Jangjou
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:64 (13): 6825-6837 被引量:10
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.4c04301
摘要

First-principles-based kinetic models are powerful tools for developing and optimizing chemical reactions. Capable of describing the transient behavior of reactions, these models are particularly enabling for designing, optimizing, and controlling processes in a fully digital fashion. Despite advancements in kinetic modeling methods, challenges persist due to resource-intensive experimentation, the need for chemistry and engineering expertise, and difficulties in quantifying uncertainties. This paper introduces a workflow and open-source Python package, the Sanofi Kinetic AI (SKAI) tool, that simplifies kinetic modeling. The proposed method democratizes kinetic hypothesis testing by leveraging Bayesian inference, allowing scientists to evaluate reaction pathways without repeated trial-and-error experimentation. To further enhance accessibility, we incorporate a prompt-engineered large language model (LLM) that converts reaction descriptions into system equations. Additionally, pretrained machine learning models, trained on in silico time-course data, support hypothesis generation by providing data-driven assumptions about reaction pathways in low-data regimes. We validate this framework with two industrially relevant case studies involving series and parallel reactions, demonstrating its efficacy in pathway elucidation, kinetic modeling, and uncertainty quantification. This approach offers a robust and accessible toolset for advancing kinetic modeling practices.
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