المواد الكيميائية الدقيقة

يتم تصنيع هذه المواد بكميات صغيرة وفي دفعات مخصصة. تنتج عدد محدود من الشركات المواد الكيميائية الدقيقة، كما أن كيمياء هذه المواد تتغير غالباً عند إدخال دواء جديد إلى السوق. تشمل المواد الكيميائية الدقيقة مشتقات الألكانات، الألكينات، والألكاينات؛ المركبات العطرية؛ الأحماض الأمينية ومشتقاتها؛ الستيرويدات؛ والقلويدات، وغيرها. تُعتبر نقاوة التركيب الكيميائي لهذه المواد أمراً بالغ الأهمية، حيث تؤثر جودتها ونقاوتها مباشرةً على جودة المنتج النهائي. يتم إنتاجها بكميات محدودة نظراً لأسعارها المرتفعة. من الخصائص الأساسية للمواد الكيميائية الدقيقة: النقاوة، التعقيد، والإنتاج على نطاق صغير

تشمل المواد الكيميائية الدقيقة المكونات الصيدلانية الفعالة، المبيدات الحيوية، الببتيدات، والستيرويدات. تُستخدم بشكل أساسي في تصنيع المكونات الصيدلانية الفعالة والوسائط الكيميائية، وتدخل في صناعات متنوعة مثل: الأدوية، الزراعة، السيارات، الإلكترونيات، ومعالجة الأغذية. ويكون للمنتج النهائي المشتق من المكون الصيدلاني الفعّال تركيبة متغيرة بسبب المواد الكيميائية الدقيقة. لا يتم تسويقه مباشرة، بل يُخلط مع مذيبات وألوان خاملة ومكونات إضافية

تُعد المواد الكيميائية الدقيقة شديدة الحساسية، وتتطلب عادةً عمليات تجفيف معقدة للحفاظ على النقاء المقبول. كما يجب أن تتمتع هذه المركبات بدرجة أعلى من الدقة والنقاء. وتستلزم إجراءات معقدة تشمل: التركيب الكيميائي، التكنولوجيا الحيوية، الاستخلاص، والتحلل المائي. ويُعتبر التحفيز (الكاتاليس) ضرورياً جداً في التفاعلات الكيميائية، فحتى في الحالات التي تكون فيها سرعة التفاعل كافية، يمكن للمحفز أن يُحسن من كفاءة التفاعل، العائد، والانتقائية. يجب أن يمتلك المحفز المثالي تردد دوران عالٍ (TOF) ويمكنه إنتاج كمية لا نهائية من المنتج (TONNE) في درجة حرارة وضغط الغرفة. ومع ذلك، من النادر أن يكون هذا ممكناً عملياً، حيث إن الحفاظ على تفاعل عند درجة حرارة عادية مكلف للغاية، خصوصاً خلال العمليات شديدة الطرد للحرارة. لذا، يتم التوصل إلى تسوية بين ظروف التشغيل وتوقعات TOF/TONNE، على ألا يؤدي التفاعل إلى تعطيل أو تسمم المحفز

تكتسب التكنولوجيا الحيوية الصناعية، والمعروفة أيضاً باسم "التكنولوجيا الحيوية البيضاء"، زخماً في صناعة الكيماويات. فهي تتيح تحويل الموارد المتجددة مثل السكر أو الزيوت النباتية، بالإضافة إلى تحويل أكثر كفاءة للمواد الخام التقليدية إلى مجموعة متنوعة من المنتجات الأساسية (مثل السليلوز، الإيثانول، وحمض السكسينيك)، والمواد الكيميائية الدقيقة (مثل حمض 6-أمينو بينيسيلانيك)، والمنتجات الخاصة (مثل إضافات الأغذية والأعلاف). وعلى عكس التكنولوجيا الحيوية الخضراء والحمراء، التي تركز على الزراعة والصحة على التوالي، تهدف التكنولوجيا الحيوية البيضاء إلى تعزيز الإنتاج الاقتصادي والمستدام للمنتجات الحالية، مع توفير إمكانية الوصول إلى منتجات جديدة، لا سيما المستحضرات الصيدلانية الحيوية. وتُستخدم ثلاث طرق معالجة رئيسية في هذا المجال: التحفيز البيولوجي (Biocatalysis)، التركيب الحيوي (Biosynthesis - التخمير الميكروبي، وزراعة الخلايا (Cell Cultures)

التحفيز الخلوي

التحفيز الحيوي ، المعروف أيضًا بالتحول الحيوي أو التحويل الحيوي، هو استخدام الإنزيمات الطبيعية المعزولة أو المعدلة، أو المستخلصات الأنزيمية، أو الأنظمة الخلوية الكاملة، لزيادة إنتاج الجزيئات الصغيرة. يتميز التحفيز الحيوي بالعديد من المزايا مقارنةً بالتخليق العضوي التقليدي. إذ تكون التفاعلات أقصر، وتحتاج إلى طاقة أقل، وتنتج نفايات أقل، مما يجعلها أكثر جاذبية من الناحيتين البيئية والاقتصادية. يُصنع حوالي ثلثي المنتجات الكيرالية (اليدوية) على نطاق تجاري واسع بالفعل باستخدام التحفيز الحيوي

و تعد الإنزيمات التكنولوجيا الأهم في خفض التكاليف بشكل كبير عند إنتاج المركبات الدقيقة، لا سيما في تخليق المركبات التي تحتوي على مراكز كيرالية. فعند استبدال تكوين الأملاح باستخدام مركب كيرالي مثل (+)-α-فينيل إيثيل أمين، فإن التبلور، وكسر الملح، وإعادة تدوير العامل الكيرالي المساعد يمكن استبدالها بتفاعل من خطوة واحدة، عالي الإنتاجية، وتحت ظروف معتدلة، للحصول على منتج يتمتع بزيادة كبيرة في النقاوة الإنانيوميرية

التخليق الحيوي (Biosynthèse)

تستخدم الإنزيمات الموجودة في الأنظمة الخلوية الكاملة التخليق الحيوي، وهو تحويل المواد العضوية إلى مواد كيميائية دقيقة بواسطة الكائنات الحية الدقيقة، لإنتاج كل من الجزيئات الصغيرة مثل الببتيدات والبروتينات البسيطة، وكذلك الجزيئات الأكبر والأقل تعقيدًا، غير المرتبطة بالسكريات (غير جليكوزيلية) مثل الإنزيمات. يتم إفراز المنتج المستهدف في الوسط من خلال الأنظمة الأنزيمية التي يتم تفعيلها بواسطة سلالة ميكروبية محددة، أو في حالة الببتيدات والبروتينات ذات الوزن الجزيئي العالي، يتجمع داخل ما يُعرف بـ"أجسام التضمين" التي تتراكم داخل الخلايا

يعتمد تطوير عملية التخمر على اختيار وتحسين السلالات، بالإضافة إلى تطوير الأوساط الغذائية وعمليات الإنتاج. وتتم عملية الإنتاج الصناعي على نطاق واسع داخل مصانع متخصصة. في السابق، كان يُستخلص المنتج عن طريق استخراج كميات كبيرة من الوسط الذي يحتوي عليه. أما اليوم، فإن تقنيات العزل الحديثة والأغشية، مثل التناضح العكسي، والترشيح الفائق، والترشيح النانوي، وكروماتوغرافيا الألفة، تتيح إزالة الأملاح والمنتجات الثانوية بكفاءة، مع تركيز المحلول بشكل فعال وصديق للبيئة، وتحت ظروف معتدلة

تُستخدم الطرق التقليدية للتبلور الكيميائي بشكل شائع في مرحلة التنقية النهائية. وعلى عكس عزل الجزيئات الصغيرة، فإن عزل البروتينات الميكروبية وتنقيتها عملية معقدة غالبًا، وتتطلب العديد من العمليات الكروماتوغرافية الواسعة النطاق، والتي تكون مكلفة.

الزراعة الخلوية (Cultures cellulaires)

تستمر الخلايا الحيوانية أو النباتية المستخلصة من الأنسجة في النمو إذا تم توفير التغذية والبيئة المناسبة لها. والزراعة الخلوية هي عملية تنمية الخلايا خارج بيئتها الأصلية. وتُستخدم عملية التخمر بواسطة زراعة خلايا الثدييات، المعروفة أيضًا بتقنية الحمض النووي المؤتلف (recombinant DNA technology)، بشكل أساسي لإنتاج بروتينات علاجية معقدة وكبيرة الحجم تُعرف باسم المستحضرات الصيدلانية الحيوية (biopharmaceutiques) كان من أوائل المنتجات التي تم تصنيعها باستخدام هذه التقنية: الإنترفيرون (الذي اكتُشف عام 1957)، والأنسولين، والسوماتروبين. من بين السلالات الخلوية الشائعة الاستخدام خلايا مبيض الهامستر الصيني (CHO) بالإضافة إلى زراعة الخلايا النباتية. وتكون كميات الإنتاج عادة منخفضة جدًا. تتيح زراعة خلايا الثدييات إنتاج مركبات دقيقة ضمن ظروف أكثر دقة وتطلبًا مقارنةً بالتحفيز الحيوي أو التخليق الكيميائي التقليدي. وبما أن خلايا الثدييات حساسة للحرارة وقوى القص، فيجب التحكم في المعايير التشغيلية داخل المفاعل الحيوي بشكل أكثر دقة وتشددًا