ثلاث جوائز وطنية للتقدم العلمي والتكنولوجي: إلى جانب تنقية المياه، ما الذي يمكن أن تفعله عملية فصل الأغشية أيضًا؟

فصل الأغشية في العمليات البيولوجية والطب والرعاية الصحية

من أبرز ميزات فصل الأغشية أنها لا تتطلب أحماضًا أو قلويات أو مذيبات عضوية أو حرارة. هذا يُجنّب المخلفات الكيميائية ويحمي المكونات الحساسة من التلف، مما يجعلها حلاً فعالاً للغاية للفصل البيولوجي. ونتيجةً لذلك، استُخدمت تقنية الأغشية على نطاق واسع في جعل المنتجات البيولوجية أكثر أمانًا وكفاءة.

إحداث ثورة في إنتاج السكر

لنأخذ إنتاج السكروز كمثال. فالطرق التقليدية، مثل الكربنة أو عملية الكبريتيت، غالباً ما تُخلّف مواد غير مرغوب فيها، مثل ثاني أكسيد الكبريت، وتُنتج كميات كبيرة من النفايات. لكن تقنية الأغشية تُغيّر هذا الواقع. فبعد خمس سنوات من البحث، تعاون فريق بقيادة وان يين هوا ولو جيان تشوان من الأكاديمية الصينية للعلوم مع شركاء صناعيين لإنتاج أول دفعة من السكر في العالم باستخدام تقنية فصل الأغشية.

حقق هذا الإنجاز تحسينات ملحوظة. فقد خفضت العملية الجديدة التكاليف بمقدار 100 يوان لكل طن من السكر، ووفرت 20% من الطاقة، وزادت إنتاجية السكر لكل طن من قصب السكر بنسبة 20%. والأمر الأكثر إثارة للإعجاب هو تحقيقها "صفر نفايات". لم يقتصر هذا على خفض التكاليف وزيادة الأرباح، بل حسّن أيضًا البصمة البيئية لإنتاج السكر بشكل كبير. وقد أدى نجاح هذا المشروع إلى اعتماده في مصانع السكر في مقاطعات قوانغدونغ وقوانغشي ويوننان، مما يفتح آفاقًا جديدة لصناعة السكر.

تقنية الأغشية في المستحضرات الصيدلانية الحيوية

إلى جانب السكر، يكتسب فصل الأغشية زخمًا متزايدًا في صناعة الأدوية الحيوية. فهو يوفر مزايا فريدة لفصل الجزيئات البيولوجية، مثل البروتينات، وتركيزها، وتنقيتها، بالإضافة إلى تعقيمها وترشيح الفيروسات أثناء إنتاج الأدوية.

خلال جائحة كوفيد-19، ازداد الطلب على اللقاحات وأدوية الأجسام المضادة ومنتجات الدم بشكل كبير. ورغم وجود العديد من الطرق لفصل الأدوية البيولوجية وتنقيتها، إلا أن تقنية الأغشية تلعب دورًا حاسمًا في كل مرحلة تقريبًا من مراحل العملية. ففي المراحل الأولية، ضمنت الأغشية سلامة واستقرار مزارع الخلايا. أما في المراحل النهائية، فقد استُخدمت في خطوات الترشيح وإزالة الفيروسات والتنقية، مما حسّن سلامة وكفاءة إنتاج الأدوية.

شركة هانغتشو كوبيتر لمعدات الترشيح المحدودة، الرائدة في تكنولوجيا الأغشية، لطالما كانت رائدة في هذا المجال، حيث تقدم حلولاً غشائية شاملة لإنتاج اللقاحات ومنتجات الدم وغيرها من المستحضرات الصيدلانية الحيوية. وقد ازدادت أهمية أغشية ترشيح الفيروسات التي تنتجها، والتي تُعد أساسية لضمان سلامة هذه المنتجات.

كسر الاحتكارات في تكنولوجيا ترشيح الفيروسات

قبل تحقيق هذا الإنجاز المحلي، احتكرت شركات أجنبية مثل أساهي كاسي بيوبروسيس، وميلبور، وسارتوريوس، تقنية أغشية ترشيح الفيروسات. وقد ازداد هذا الاحتكار إثارةً للقلق خلال جائحة كوفيد-19، حيث شكّلت اضطرابات سلاسل التوريد تهديدًا كبيرًا. إلا أن شركة كوبيتر نجحت في إطلاق غشاء ترشيح الفيروسات الخاص بها، فيروكلير في إف، كاسرةً بذلك هذا الاحتكار. ومنذ ذلك الحين، حذت شركات صينية أخرى، مثل هانغتشو جيولينغ تكنولوجي وسايبو، حذوها، مما ساهم في تعزيز القدرات المحلية في هذا المجال الحيوي.

أنظمة ECMO المنقذة للحياة

تُعدّ تقنية الأغشية عنصرًا أساسيًا في الأجهزة الطبية المنقذة للحياة، مثل نظام الأكسجة الغشائية خارج الجسم (ECMO). وقد كان نظام ECMO، الذي يُقدّم دعمًا بالغ الأهمية للمرضى الذين يُعانون من فشل تنفسي حاد، حيويًا خلال جائحة كوفيد-19. قبل هذا الإنجاز المحلي، كانت السوق مُهيمنة عليها علامات تجارية أجنبية مثل ماكيت وميدترونيك وسورين. لكن شركة شنتشن هانوو للتكنولوجيا الطبية المحدودة حصلت على الموافقة لأول جهاز ECMO مُصنّع محليًا، مُسجلةً بذلك علامة فارقة للصين.

في أنظمة الأكسجة خارج الجسم (ECMO)، يُعوّض غشاء الأكسجة وظيفة الرئتين عن طريق إمداد الدم بالأكسجين وإزالة ثاني أكسيد الكربون. يجب أن تكون هذه الأغشية عالية الكفاءة والموثوقية، وذات بنية فريدة لضمان السلامة. لسنوات، احتكرت شركة 3M إنتاج هذه الأغشية المتخصصة، المصنوعة من بولي-4-ميثيل-1-بنتين (PMP). ومع ذلك، تُبذل جهود جارية في الصين لكسر هذا التبعية.

ابتكارات البروفيسور وانغ شياولين والباحث المشارك لين ياكاي في أغشية الأكسجين

حقق البروفيسور وانج شياولين والباحث المساعد لين ياكاي، من مركز الأبحاث المشترك لمواد الأغشية الطبية في قسم الهندسة الكيميائية بجامعة تسينغهوا، بالتعاون مع فرع بكين يانشان التابع لشركة سينوبك، اختراقات كبيرة في تكنولوجيا الأغشية.

طوّر فريقهم طريقة شبه تجريبية لفحص المخففات، مما أدى إلى طريقة أكثر فعالية لإنتاج أغشية بولي-4-ميثيل-1-بنتين (PMP). تتميز هذه الأغشية ببنية إسفنجية توفر نفاذية نيتروجين فائقة وأداءً مضادًا للتسرب مقارنةً بأغشية PMP التجارية. أدى هذا الابتكار إلى حصول الصين على أول براءة اختراع معتمدة في هذا المجال المتخصص، منهيًا بذلك احتكار شركة 3M طويل الأمد في الولايات المتحدة.

مع ذلك، نظرًا لاستمرار استيراد راتنجات البولي بروبيلين (PMP)، بحث الفريق عن بدائل. وأجرى الفريق تجارب على استخدام البولي بروبيلين (PP)، وهو مادة محلية الصنع أرخص وذات نفاذية غازية أفضل، لإنشاء أغشية أكسجة ألياف مجوفة. وباستخدام طريقة فصل الطور المركب، نجحوا في إنتاج غشاء بولي بروبيلين بمسام متدرجة وطبقة خارجية كثيفة، مما يوفر أداءً يُضاهي أغشية البولي بروبيلين. ويعمل مركز الأبحاث المشترك حاليًا بنشاط على الإنتاج المحلي لكل من راتنجات البولي بروبيلين (PMP) والبولي بروبيلين، محرزًا تقدمًا مطردًا نحو التوطين.

سد الفجوة في تكنولوجيا الأغشية

رغم التقدم الملحوظ الذي أحرزته الصين في مجال فصل الأغشية، لا سيما في تطوير وإنتاج المواد متوسطة ومنخفضة الجودة، إلا أن فجوة واضحة لا تزال قائمة بينها وبين رواد تكنولوجيا الأغشية عالية الجودة عالميًا. ولا تزال هناك تحديات عديدة بحاجة إلى معالجة في مجالات مثل البحث والتطوير، وعمليات الإنتاج، وتنويع الأسواق.

تتطلب الأغشية عالية الجودة دقة فصل فائقة، وخصائص مضادة للتراكم، واستقرارًا طويل الأمد في ظروف قاسية كالبيئات الكيميائية والحرارية والميكانيكية. ولا تزال العديد من المنتجات المحلية دون المعايير الدولية. كما أن معدات إنتاج الأغشية الصينية تتخلف في الكفاءة والدقة والاتساق مقارنةً بنظيراتها العالمية المتقدمة.

بفضل خبرتها الفنية الممتدة لعقود وخدمة ما بعد البيع الممتازة، رسخت الشركات الأجنبية ثقة عملائها وولائهم لها. ونتيجةً لذلك، تُستخدم الأغشية المحلية غالبًا في مجالات مثل معالجة المياه الصناعية ومياه الصرف الصحي، بينما لا تزال حصة السوق في قطاع المنتجات الفاخرة محدودة.

فائض الطاقة في المواد منخفضة الجودة، وعجز في المواد عالية الجودة

كما هو الحال في الصناعات الأخرى، تواجه الصين فائضًا في إنتاج مواد الأغشية منخفضة الجودة، لكنها لم تحقق بعدُ إنتاجًا محليًا لبدائل عالية الجودة. وينبع هذا الخلل بشكل رئيسي من الفجوة بين التعليم والبحث والإنتاج الصناعي.

في مجال التعليم، لم يتطور النظام المعرفي بالسرعة الكافية لمواكبة متطلبات الصناعة. فعلى الرغم من الاهتمام المتزايد بتقنية فصل الأغشية، لا يزال حضورها في مناهج البكالوريوس محدودًا. إذ لا تقدم معظم الجامعات سوى مقررات اختيارية، مما يترك الطلاب بأساس ضعيف في هذا المجال الحيوي. ومع ذلك، ثمة بوادر تقدم، فقد افتتحت جامعة فوتشو أول كلية متخصصة في تقنية الأغشية في البلاد، وهي خطوة نحو سد هذه الفجوة التعليمية.

على صعيد البحث، يجب التركيز بشكل أكبر على التطبيقات العملية. ورغم التقدم المحرز في ظل سياسات تهدف إلى تغيير أولويات البحث، إلا أن التركيز لا يزال منصبًّا بشكل كبير على نشر الأوراق البحثية بدلًا من حل المشكلات الواقعية. ولا يزال التحول التجاري للبحث العلمي بطيئًا.

في مجال الإنتاج، يُعدّ غياب معايير موحدة للعمليات ومراقبة الجودة مشكلةً مُلحّة. غالبًا ما تُعاني المنتجات المحلية من تفاوت في الجودة نتيجةً لعدم الامتثال الكافي للمعايير الدولية ومحدودية استخدام الأتمتة وتقنيات التصنيع الذكي. من شأن تحسين هذه الجوانب أن يُحسّن اتساق المنتج ويُلبّي متطلبات التطبيقات عالية الأداء. من خلال تطبيق المراقبة الآنية، وضوابط الإنتاج الآلية، وتحسين العمليات القائمة على البيانات، يُمكن للمُصنّعين تعزيز الكفاءة وخفض التكاليف.

الطريق إلى الأمام: تعزيز التعاون والتركيز على التطبيقات

وللتغلب على هذه التحديات، من الضروري تحسين التنسيق بين التعليم والبحث والصناعة مع تعزيز البحوث التطبيقية والتطلعية.

التركيز على البحوث التطبيقية. مع أهمية تطوير مواد غشائية جديدة، تبرز الحاجة أيضًا إلى تحسين كيفية تطبيق تقنيات الأغشية عمليًا. سيؤدي تحسين أداء مكونات الأغشية، وتحسين عملياتها، واستكشاف تطبيقات جديدة إلى نتائج فورية. قد تفتح هذه الجهود آفاقًا لاستخدامات عملية أكثر لتقنيات الأغشية تتجاوز مجرد ابتكارات المواد.

الاستثمار في البحوث الاستشرافية. يجب على الصين تجاوز مجرد اتباع خطى القادة العالميين والتركيز على اختراق التقنيات الحرجة التي تُمثل عقبات. غالبًا ما تفتقر البحوث الحالية إلى ابتكارات ثورية أو ثورية. للحفاظ على تنافسيتها العالمية وتجنب قيود التقنيات الأجنبية، يجب على الصين إعطاء الأولوية للتعاون متعدد التخصصات والابتكارات المبتكرة التي تتجاوز حدود مواد الأغشية وعملياتها وتطبيقاتها.

ومن خلال إعطاء الأولوية للأبحاث التطبيقية والبحث المستقبلي، تستطيع الصين الحفاظ على الاستقلال التكنولوجي وزيادة حضورها في سوق الأغشية العالمية.