كيف يمكن للذكاء الاصطناعي تحويل استخراج المركبات النباتية القيمة

أقدم دواء معروف للإنسان كان النباتات التي تحتوي على مركبات نشطة تساعد على تخفيف الألم، خفض الحمى، مكافحة الأمراض، إلخ. وحتى اليوم، تُعد علم النبات الدوائي مجالًا مهمًا جدًا في الطب الحديث، وتُعثر بانتظام على جزيئات نادرة في النباتات الشائعة والأقل شيوعًا لتطوير علاجات جديدة.

إحدى المشكلات هي أن هذه المركبات قد تكون قوية طبيًا لكنها موجودة بكميات قليلة في النبات، أو أن النبات صعب الزراعة. في كلتا الحالتين، يعني ذلك أن الدواء الناتج قد يكون مكلفًا جدًا، خاصةً عندما لا توجد طريقة قابلة للتطبيق لتصنيع المركب المطلوب كيميائيًا.

وبالتالي، أي تحسين يرفع من كفاءة استخراج الجزيئات النشطة من النباتات يمكن أن يكون له آثار اقتصادية وطبية هائلة.

استخدم فريق من الباحثين الإيرانيين في الجامعة الإسلامية آزاد، وجامعة طربيت مدارس، وجامعة إسفاهان للتكنولوجيا الذكاء الاصطناعي لتحسين استخراج المركبات القيمة باستخدام ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج. نشروا نتائجهم في مجلة CO2 Utilization¹ تحت العنوان “Sustainable CO₂-based process intensification for the extraction of Nepeta crispa essential oil using ultrasound-assisted supercritical CO₂: Optimization and machine learning modeling”.

استخراج الصيدلية النباتية

نطاق واسع من الأعشاب والنباتات العطرية، بفضل خصائصها وفوائدها القيمة التي تُعزى إلى حد كبير إلى زيوتها الأساسية، وجد تطبيقات واسعة في الصناعات الصيدلانية، الغذائية، التجميلية، الدهانات، والكيميائية. الزيوت الأساسية هي مكونات متطايرة تتألف من خلطات كيميائية معقدة تحتوي على أنواع مختلفة من الجزيئات.

تقنيات الاستخلاص التقليدية للزيوت الأساسية من المواد النباتية، مثل التقطير المائي، التقطير بالبخار، والاستخلاص بالمواد المذابة العضوية، تعاني من عدة قيود جوهرية:

• احتمال تلوث المنتجات المستخرجة نتيجة استخدام المذيبات العضوية.
• ضرورة إزالة المذيب لاحقًا.
• سمية المذيب وقابليته للاشتعال.
• ارتفاع تكاليف التشغيل ومدخلات الطاقة الكبيرة لتحقيق معدلات استخراج مقبولة.

في السنوات الأخيرة، حظيت تقنية الاستخلاص بالمساعدة الصوتية (UAE) بالكثير من الاهتمام بسبب نتائجها المتفوقة (المردود، استهلاك المذيب، السرعة) عبر التجويف الصوتي الذي يدمّر جدران الخلايا النباتية ويسهّل إطلاق المركبات النشطة حيويًا والزيوت الأساسية.

في الوقت نفسه، تُعَدّ السوائل فوق الحرجة (SCFs)، وخاصة ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج (SC-CO₂)، بديلاً فعالًا متزايدًا لوسائط الاستخلاص التقليدية.

السائل فوق الحرج هو مادة كيميائية تُضغط فوق نقطة اختفاء الطورين السائل والغاز بشكل واضح. لذا فهو تقنيًا غاز، لكنه يتصرف في الغالب كسائل.

من بين مزايا ثاني أكسيد الكربون عدم انفجاره، عدم سميته، تكلفته المنخفضة، عدم قابليته للاشتعال، وعدم تآكله. كما يحافظ على النزاهة الطبيعية للمركبات النشطة حيويًا ويمكن أن يوفر انتقائية عالية للاستخلاص من خلال التحكم الدقيق في الضغط ودرجة الحرارة.

تحسين الاستخلاص القائم على ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج

تعتمد الكفاءة الفعلية لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج على مجموعة واسعة من العوامل، بما في ذلك الضغط، زمن الاستخلاص، حجم المذيب المساعد، درجة الحرارة، حجم الجسيمات، ومعدل تدفق CO₂. وبالتالي، قد يكون العثور على التكوين المثالي لمركب معين في نبات معين صعبًا إلى حد كبير، وقد كان حتى الآن بمثابة فن وعلم معًا.

يمكن للنماذج الإحصائية والرياضية المساعدة، لكنها معقدة في التصميم عمليًا.

لتحسين هذه الطريقة، استخدم الباحثون خوارزمية تعلم آلي تُدعى ANFIS (نظام الاستدلال العصبي الضبابي المتكيف) وخوارزمية Particle Swarm Optimization (PSO).

إتقان الاستخلاص باستخدام CO₂ والذكاء الاصطناعي

اختيار النبات والاختبارات

تم اختيار نبات Nepeta crispa كعينة اختبار من قبل الباحث. تمتلك أنواع مختلفة من جنس Nepeta طيفًا واسعًا من الأنشطة البيولوجية، مثل التأثيرات المضادة للبكتيريا، الفيروسات، والفطريات. في الطب التقليدي، استُخدم N. crispa كعلاج مضاد للسعال، مضاد للتشنجات، مدر للبول، محفز للتعرق، مضاد للربو، محفز للحيض، ومهدئ.

المصدر: WorldPlant

قارن الباحثون استخراج المركبات النشطة من هذا النبات باستخدام 3 طرق مختلفة:

• SC-CO₂ تحت الظروف المثلى
• التقطير المائي
• الاستخلاص بالمساعدة الصوتية

تم تحديد 19 مركبًا كيميائيًا، تشكل 97-99٪ من إجمالي الزيوت الأساسية المستخرجة، حيث كان ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج هو الطريقة الأكثر إنتاجية، مع عائد استخراج شبه مثالي. كان التركيب الكلي والملف النوعي للزيوت الأساسية متقاربًا عبر جميع التقنيات.

المصدر: CO2 Utilization

بناء واختبار نموذج الذكاء الاصطناعي

تضمنت التكوينات المتنوعة أنواعًا وأعدادًا مختلفة من المتغيرات المدخلة (درجة الحرارة، الضغط، معدل تدفق الكتلة، وحجم المذيب المساعد)، مع استخدام ANFIS لتقنيات الانتشار العكسي والخوارزميات المختلطة لتحسين الأنظمة العصبية الضبابية.

المصدر: CO2 Utilization

بشكل عام، لم تؤثر درجة الحرارة كثيرًا على الاستخلاص، بينما كان الضغط ومعدل تدفق CO2 أكثر أهمية، كما كان إضافة المذيب المساعد (الإيثانول) مهمًا أيضًا.

للتحقق من دقة النموذج الذي يتنبأ باستخلاص ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج، اختبر العلماء النموذج مقابل عدة تجارب. كان توقع عائد الاستخلاص، في كل حالة، يطابق النتائج التجريبية تقريبًا بشكل مثالي.

تم العثور على ظروف التشغيل المثلى للعملية كضغط 34 MPa، درجة حرارة 112 °F / 44.8 °C، معدل تدفق الكتلة 1.1 g/min، وحجم المذيب المساعد 370 µL.

مستقبل استغلال الموارد

تُعد هذه الدراسة واحدة من بين العديد من الأمثلة التي تُظهر كيف يمكن حتى للأنظمة البسيطة نسبيًا من الذكاء الاصطناعي أن تُستَخدم في تطبيقات متخصصة ذات أهمية. على سبيل المثال، في هذه الحالة، تحسين استخراج الجزيئات الطبية من النباتات قد يؤدي إلى علاجات جديدة أو أقل تكلفة، مع تقليل الأثر البيئي لاستخراج الموارد عبر الاستفادة من موارد متجددة وغير ملوثة.

مع توسع هذه الأنظمة، قد يمتد الفائدة الاقتصادية إلى ما هو أبعد من مجرد استخراج النباتات، مما يخلق فرصًا لموردي الغازات الصناعية، وشركات هندسة العمليات، ومزودي الأتمتة، وشركات الذكاء الاصطناعي التي تساعد المصنعين على خفض التكاليف وتحسين الإنتاجية.

من المرجح أيضًا أن يُستخدم ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج بشكل متزايد، على سبيل المثال اختبار التوربين فوق الحرج “Chaotan One” في الصين، الذي يستبدل البخار فوق الحرج التقليدي بـ CO2 لتحسين إنتاجية الطاقة للتوربين بشكل جذري.

الاستثمار في تطبيقات ثاني أكسيد الكربون الصناعية

Linde Plc

تُعد Linde واحدة من أكبر شركات الغازات الصناعية في العالم، إلى جانب منافسين مثل Air Products and Chemicals (APD )  (اتبع الرابط للحصول على تقريرنا عن تلك الشركة)، حيث بلغت مبيعاتها حوالي 34 مليار دولار في عام 2025. تأسست في ألمانيا عام 1879 واندُمجت مع عملاق آخر في القطاع، Praxair، في عام 2018.

اليوم، تنشط Linde في إنتاج كل من الغازات النقية المستخرجة من الغلاف الجوي، بما في ذلك الغازات النادرة، وكذلك الغازات التي تنتجها الصناعات مثل الغاز الطبيعي المسال (الهيليوم)، والهيدروكربونات (الإيثيلين، البروبان، CO، CO2)، بالإضافة إلى إنتاج الهيدروجين.

المصدر: Linde

تسيطر المبيعات جغرافيًا على الأمريكتين (45٪ من المبيعات) ومنطقة أوروبا والشرق الأوسط وأفريقيا (25٪). نظرًا لأن كل عملية صناعية تقريبًا تحتاج إلى هذه الغازات، فإن قاعدة عملاء Linde متنوعة جدًا، حيث تُخدم أكبر الصناعات وهي الكيميائيات والطاقة (21٪ من المبيعات)، التصنيع (21٪)، الرعاية الصحية (17٪)، والتعدين (13٪).

اعتمادًا على الغاز والعميل، تنتج Linde إما مباشرة في موقع الصناعة باستخدام هذه الغازات أو في مرافق مركزية ثم تنقلها إلى المستخدم النهائي.

المصدر: Linde

تُعد الغازات الصناعية قطاعًا حيث الحجم يُعد ميزة تنافسية مستدامة، إذ يساعد الشركة على بناء سمعة موثوقة (تسليمات سريعة، إمداد استجابي) وتقليل تكاليف رأس المال ومصاريف البحث والتطوير عبر حجم إنتاج أكبر وشبكة توزيع واسعة.

يُعد كل من الهيدروجين الأخضر واحتجاز الكربون فرصًا للنمو أكثر للشركة من مجرد نمو الإنتاج الصناعي العالمي، حيث يفتحان أمامها مجالات جديدة للتوسع في قطاع الطاقة.

المصدر: Linde

أحدث أخبار وتطورات سهم Linde (LIN)

الدراسة المشار إليها

^{1. Mitra Amani, Nedasadat Saadati Ardestani, Seyyed Mohammad Ghoreishi. تعزيز العملية القائمة على ثاني أكسيد الكربون لاستخلاص زيت Nepeta crispa الأساسي باستخدام الموجات فوق الصوتية مع ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج: التحسين والنمذجة باستخدام التعلم الآلي. CO2 Utilization. 10 يوليو 2026. المقال: 103519. المجلد: المجلد 110. 10.1016/j.jcou.2026.103519}