Proyecto LLBI Sense
التخمير هو عملية استقلابية تقوم خلالها الكائنات الدقيقة — مثل البكتيريا أو الخميرة أو الفطريات — بتحويل المواد العضوية الأولية — وبشكل أساسي السكريات — إلى مركبات أبسط مثل الكحولات أو الأحماض العضوية أو الغازات. ورغم ارتباطه تقليديًا بإنتاج الأغذية والمشروبات، فقد ازدادت أهميته بشكل ملحوظ في العقود الأخيرة نظرًا لدوره المحوري في مجال التكنولوجيا الحيوية الحديثة والعمليات الصناعية المستدامة.
يُعد التخمير اليوم أحد أهم منصات التكنولوجيا الحيوية على مستوى العالم. ويُعزى توسعه السريع إلى الطلب المتزايد على المنتجات المشتقة بيولوجيًا (مثل المستحضرات الصيدلانية، والإنزيمات، والبوليمرات الحيوية، والأغذية الوظيفية)، فضلاً عن الحاجة إلى بدائل أكثر كفاءة واستدامة للتخليق الكيميائي التقليدي. ونتيجة لذلك، تُستخدم عمليات التخمير على نطاق واسع في مختلف الصناعات، بما في ذلك صناعة الأغذية، والصناعات الدوائية، والوقود الحيوي، وإنتاج المركبات ذات القيمة المضافة العالية.
المفاعل الحيوي هو النظام الذي تجري فيه عملية التخمير في ظل ظروف خاضعة للرقابة. وهو عبارة عن وعاء مصمم لدعم وتحسين نمو الكائنات الحية الدقيقة وتكوين المنتج من خلال تنظيم المعلمات الرئيسية مثل درجة الحرارة، ودرجة الحموضة، والأكسجين المذاب، والتحريك، وإمداد المغذيات. ويُعد التحكم الدقيق في هذه المتغيرات أمرًا ضروريًا، حيث إن أي انحرافات، مهما كانت صغيرة، يمكن أن تؤثر بشكل كبير على أداء العملية وجودة المنتج.
تُجهز المفاعلات الحيوية الحديثة بمجموعة واسعة من أجهزة الاستشعار التي تتيح مراقبة العملية في الوقت الفعلي. وتشمل أجهزة الاستشعار الشائعة تلك التي تقيس درجة الحموضة (pH)، ودرجة الحرارة، والأكسجين المذاب (DO)، والضغط، ومعدل التدفق، بالإضافة إلى أنظمة تقدير الكتلة الحيوية بشكل غير مباشر. وبالتوازي مع ذلك، يتم بشكل متزايد دمج تقنيات متقدمة غير تدخلية مثل التحليل الطيفي والموجات فوق الصوتية وتحليل الصور، مما يتيح تقييم حالة المزرعة دون الحاجة إلى أخذ عينات مدمرة. وتفتح هذه التقنيات الباب أمام استراتيجيات تحكم أكثر تطوراً تعتمد على النمذجة التنبؤية.
وفي هذا السياق، يُعد نمذجة متغيرات التخمير باستخدام تحليل الصور والطرق غير التدميرية مجالًا يحظى باهتمام متزايد. فهي تتيح عمليات أكثر آلية وقوة وكفاءة، مما يقلل من الاعتماد على القياسات خارج الخط ويحسن القدرة على الاستجابة ديناميكيًا للتغيرات التي تطرأ داخل النظام.
علاوة على ذلك، فإن الكميات الهائلة من البيانات التي يتم جمعها بواسطة التقنيات الحديثة غير الغازية، إلى جانب النماذج التنبؤية التي تم تطويرها استنادًا إليها، تشجع على استكشاف الذكاء الاصطناعي (AI)، الذي يمكن تطبيقه على هذه العمليات الحيوية. وفي هذا السياق، فإن الذكاء الاصطناعي قادر على التحكم في عمليات التخمير التي تتم في المفاعلات الحيوية وتحسينها، وذلك من خلال دمج البيانات في الوقت الفعلي الواردة من أجهزة استشعار متعددة وأنظمة مراقبة غير باضعة. ومن خلال خوارزميات التعلم الآلي المتقدمة، يمكنه تحديد الأنماط، والتنبؤ بتطور العملية، وتعديل المعلمات التشغيلية ديناميكيًا مثل درجة الحموضة، ودرجة الحرارة، والتهوية، والتحريك. وهذا يتيح تحسين استقرار العملية، وزيادة الإنتاجية، وتعزيز اتساق المنتج، مع تقليل الحاجة إلى التدخل اليدوي وأخذ العينات خارج الخط في الوقت نفسه.
من بين التقنيات الحديثة غير الغازية، يبرز تحليل الصور بفضل قدرته على توفير مراقبة مستمرة وفي الوقت الفعلي وغنية بالمعلومات لعملية التخمير دون التدخل في النظام. وعلى عكس طرق أخذ العينات التقليدية، فإنه يتيح استخلاص الخصائص الكمية والنوعية المتعلقة بالنمو الميكروبي، والمورفولوجيا، والتكتل، وديناميكيات المزرعة بشكل عام، مباشرةً من البيانات المرئية.
علاوة على ذلك، يمكن دمج تحليل الصور بسهولة مع الأدوات الحسابية المتقدمة، بما في ذلك خوارزميات التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي، مما يتيح الاستخراج الآلي للسمات وتحسين القدرة التنبؤية. وتجعله تكلفته المنخفضة نسبيًّا، وقابليته للتوسع، وقدرته على التكيف مع تكوينات العمليات الحيوية المختلفة، نهجًا جذابًا بشكل خاص لكل من الأبحاث على نطاق المختبر والتطبيقات الصناعية. ضمن تقنيات التصوير، يُحدد التصوير بالارتداد الخلفي للليزر (LLBI) انقراض نفاذية الضوء عبر مقدار متغير يُقاس في مصفوفة معينة. ويشكل هذا المبدأ أساسًا لمجموعة واسعة من الطرق التحليلية. ومع ذلك، في هذه الحالة، يتم اتباع تقنيات تحليل التصوير واستخراج البيانات لدراسة أنماط الحيود المتولدة نتيجة للتفاعلات بين المصفوفة والضوء. وفي أبحاث معالجة الأغذية، تم تطبيق التصوير بالارتداد الليزري لنمذجة التحولات المختلفة في مصفوفات الأغذية الناتجة عن النشاط الإنزيمي.
بناءً على السياق الموصوف، يمكن تحديد الأهداف الرئيسية للمشروع على النحو التالي:
الهدف الرئيسي هو تطوير إطار عمل تنبؤي وقائم على البيانات لنمذجة عمليات التخمير في المفاعلات الحيوية باستخدام تحليل الصور وتقنيات المراقبة غير المتلفة. ويهدف هذا الإطار إلى استخلاص معلومات مفيدة عن العملية من البيانات في الوقت الفعلي وترجمتها إلى تقديرات موثوقة للمتغيرات الرئيسية لعملية التخمير.
ويتمثل الهدف الثاني في دراسة العلاقة بين الإشارات البصرية والإشارات المستمدة من أجهزة الاستشعار والحالات الكيميائية الحيوية والفيزيائية الكامنة وراء المزرعة. وعلى وجه الخصوص، يسعى المشروع إلى تحديد كيفية ربط السمات المستخرجة من بيانات الصور بمتغيرات العملية الحاسمة، مثل تركيز الكتلة الحيوية ومرحلة النمو والأداء العام للعملية.
ومن الأهداف الرئيسية الأخرى تصميم وتقييم نماذج التعلم الآلي والذكاء الاصطناعي القادرة على التنبؤ بديناميكيات عملية التخمير. وينبغي أن تكون هذه النماذج قادرة على دمج البيانات من مصادر متعددة، بما في ذلك التصوير وقياسات أجهزة الاستشعار التقليدية، من أجل تحسين دقة التنبؤ ومتانته.
بالإضافة إلى ذلك، يهدف المشروع إلى استكشاف إمكانات هذه الأساليب القائمة على الذكاء الاصطناعي في مجال المراقبة والتحكم في المفاعلات الحيوية في الوقت الفعلي. ويشمل ذلك تقييم مدى ملاءمتها لدعم عملية اتخاذ القرار وتمكين استراتيجيات التحكم التكيفي التي تعمل على تحسين ظروف العملية تلقائيًا.
وأخيرًا، يهدف المشروع إلى المساهمة في تطوير أنظمة مراقبة للعمليات الحيوية تتسم بمزيد من الكفاءة وقابلية التوسع وعدم التدخل الجراحي، مما يقلل من الاعتماد على طرق أخذ العينات التقليدية المدمرة ويمهد الطريق نحو منصات تخمير أكثر استقلالية.
المواد والطرق
جهاز التصوير والتسجيل
تم تصميم جهاز تصوير منخفض التكلفة استنادًا إلى دراسة Verdú وآخرون (2020) بهدف جمع المعلومات من كل وقت أخذ عينات، والتي تنشأ عن تفاعلات الضوء مع المصفوفة. وكان الهدف هو استخدام الصور لجمع التباين الناتج في المصفوفة أثناء عملية التخمير، وذلك من خلال التقاط أنماط الحيود المنبعثة نتيجة تفاعل الليزر مع المصفوفة في كل وقت أخذ عينات داخل الخزان. ويوضح الشكل 1-أ مخططًا لتركيب الجهاز.
الشكل 1. جهاز التقاط الصور ومخططات معالجة الصور. أ: تكوين نظام التقاط الصور. ب: معالجة الصور. ج: تحديد منطقة الاهتمام (ROI).
كما سيتم قياس بيانات التخمير الموازية لربط المتغيرات المستمدة من الصور بمعلمات التخمير الرئيسية، مثل كثافة الخلايا المقاسة بالطيف الضوئي وعدد الخلايا الإجمالي المحدد باستخدام اختبارات أطباق الأجار.
ولهذا الغرض، يمكن تلخيص أهداف هذا المشروع على النحو التالي:
- تصميم جهاز التقاط الصور وتكييفه وتحسينه
- دراسة المتغيرات المحتملة المستمدة من الصور
- نمذجة التغيرات المسجلة
- ربط التغيرات بالمتغيرات القابلة للقياس
- دراسة قابلية التوسع في المفاعلات الحيوية التجريبية والصناعية
تم تطوير هذا المشروع من قبل سيرجيو هيرنانديز، مسؤول البحث والتطوير في مجموعة Techmi، وكيد ميديريس وجاك هولفينجر، وهما طالبان متدربان من الولايات المتحدة. إذا كنت ترغب في معرفة المزيد عن المشروع، يمكنك مشاهدة الفيديو الذي يشرح كيفية عمل الليزر بمزيد من التفصيل.