ما هي هندسة الكيمياء الحيوية ؟

هندسة الكيمياء الحيوية هي تطبيق للمبادئ الهندسية بهدف فهم وتصميم وتطوير وتشغيل أو استعمال العمليات والمنتجات المبنية على الظواهر الحيوية والكيميائية الحيوية. الهندسة الكيميائية الحيوية هي فرع من الهندسة الكيميائية ، تؤثر في مجموعة واسعة من الصناعات من ضمنها الرعاية الصحية والزراعة والغذاء والإنزيمات والكيماويات ومعالجة النفايات والطاقة.

تاريخيًا، تميزت الهندسة الكيميائية الحيوية عن الهندسة الطبية الحيوية بتركيزها على الكيمياء الحيوية وعلم الأحياء الدقيقة وبعدم تركيزها على الرعاية الصحية، إلا أن مهندسي الكيمياء الحيوية الآن في مشاركة متزايدة في التطوير المباشر لمنتجات الرعاية الصحية، لطالما كانت الهندسة الكيميائية الحيوية أساسية لتطوير صناعة التكنولوجيا الحيوية وبالأخص مع الحاجة لإطلاق منتجات مستقبلية (عادةً ما تكون باستخدام الكائنات الدقيقة المهندَسة جينيًا) بمقاييس قابلة للاختبار والتقييم القانوني والبيع تاليًا.

في المراحل الأولية من نشوء هذا الفرع، عني مهندسو الكيمياء الحيوية غالبًا بتحسين نمو الكائنات الحية الدقيقة تحت ظروف هوائية بمقاييس تصل إلى آلاف الليترات، واستمر هذا التركيز حتى بعد توسع منظور الفرع. يكون الهدف عادة هو تطوير عملية اقتصادية لتحقيق الحد الأقصى من الكتلة الحيوية (وبالتالي مادة كيميائية أو كيميائية حيوية أو بروتين) مع الأخذ بعين الاعتبار المادة الخام والتكاليف التشغيلية الأخرى.

تضاف العناصر المكونة للكتلة الحيوية (الكربون والنيتروجين والأوكسجين والهيدروجين ونسب أقلمن الفوسفور والكبريت والأملاح المعدنية وكميات ضئيلة من معادن معينة) إلى مفاعل حيوي (يطلق عليه عادة اسم جهاز التخمير) وتُستهلك بواسطة البكتيريا أثناء تكاثرها وإجرائها لعملياتها الأيضية. تضاف كميات كافية من الأوكسجين (عادة على شكل هواء معقم) إلى جهاز التخمير بطريقة ترفع من توفره للعناصر المزروعة.

في بعض الحالات، تُزرع كائنات دقيقة تتناسب درجة نشاطها عكسيًا مع توفر الأكسجين الذائب. يمثل الزرع غير الهوائي تفاعل تخمر ينتج فيه مذيبات وأحماض عضوية وتتصف هذه الأنظمة عادة بمعدل نمو أبطأ وكتلة حيوية أقل.

تمثل معالجة المخلفات التطبيق الأكبر للكائنات الحية غير الهوائية، وتستخدم أنظمة الهضم التي تحوي خليطًا من تجمعات الكائنات الحية الدقيقة اللاهوائية المستخدمة لتقليل كمية المواد الصلبة في المخلفات الصناعية أو البلدية.

رغم أن تطوير واستخدام الكائنات الدقيقة الهوائية في مقاييس كبيرة يشكل أهمية كبيرة في الهندسة الكيميائية الحيوية إلا أن القدرة على زراعة مجموعات واسعة أخرى من مختلف أنواع الخلايا أصبح مهمًا أيضًا.

ينخرط مهندسو الكيمياء الحيوية في زراعة خلايا نباتية وخلايا حشرات وخلايا ثدييات، بالإضافة للنسخ المهندَسة جينيًا لهذه الخلايا. تستخدم الهندسة الأيضية أدوات علم الجينات الجزيئي بالاشتراك مع نماذج عددية من المسارات الأيضية واستخدام المفاعل الحيوي لتحسين الوظيفة الخلوية وإنتاج النواتج الأيضية والبروتينات.

تركز هندسة الإنزيمات على التعرف على المحفزات البيولوجية وتصميمها واستخدامها لإنتاج مواد كيميائية وكيميائية حيوية مفيدة. أما هندسة الأنسجة فتتضمن جوانب مادية وكيميائية حيوية وطبية متعلقة بزراعة الخلايا الحية بهدف معالجة الأمراض. يشارك مهندسو الكيمياء الحيوية أيضًا في عدة جوانب من الإصلاح الحيوي كتكنولوجيا المناعة وتطوير اللقاحات واستخدام الخلايا والإنزيمات القادرة على أداء وظيفتها في بيئات ذات ظروف شديدة.