Перспективы химической и биотехнологической переработки мискантуса

Переработка растительной биомассы в востребованные и экономически обоснованные продукты на сегодняшний момент является признанным мировым трендом. Среди альтернативных энергетических направлений конверсия биомассы – наиболее прогнозируемый и устойчивый углеродный ресурс, способный заменить ископаемые виды топлива. Уже на сегодняшний момент растительная биомасса обеспечивает почти 25% мирового энергоснабжения. В данном обзоре приведены сведения о наиболее перспективных направлениях химической и биотехнологической переработки биомассы такого энергетического растения, как мискантус. Выбор мискантуса обусловлен его высокой урожайностью (до 40 т/га посевной площади) и высоким выходом энергии (140–560 ГДж/га) по сравнению с другим растительным сырьем. Кроме того, мискантус способен расти на маргинальных землях и не требует особых агрономических мероприятий, при этом в процессе его культивирования происходит обогащение почвы органическими веществами и ее очистка от загрязняющих веществ. В обзоре отражены направления переработки нативной биомассы и биомассы, подвергнутой предварительной обработке. Биомассу мискантуса, помимо переработки в энергоресурсы, можно фракционировать и трансформировать во множество высокоценных продуктов – целлюлозу, нитраты целлюлозы, этилен, гидроксиметилфурфурол, фурфурол, фенолы, этиленгликоль. Варочные растворы после азотнокислой предобработки биомассы мискантуса могут выступать в роли лигногуминовых удобрений. Кроме того, на основе гидролизатов целлюлозы мискантуса можно получать доброкачественные питательные среды для биотехнологической трансформации в бактериальную наноцеллюлозу, для накопления и выделения всевозможных микробных ферментов.

1. Tang R., Xie M. Y., Li M., Cao L., Feng S., Li Z., et al. Nitrocellulose membrane for paper-based biosensor // Applied Materials Today. 2022. Vol. 26. P. 101305. https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101305.

2. Gross R., Leach M., Bauen A. Progress in renewable energy // Environment International. 2003. Vol. 29, no. 1. P. 105-122. https://doi.org/10.1016/S0160-4120(02)00130-7.

3. Holmatov B., Hoekstra A. Y., Krol M. S. Land, water and carbon footprints of circular bioenergy production systems // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2019. Vol. 111. P. 224-235. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.04.085.

4. Vieira I. R. S., de Carvalho A. P. A., Conte-Junior C. A. Recent advances in biobased and biodegradable polymer nanocomposites, nanoparticles, and natural antioxidants for antibacterial and antioxidant food packaging applications // Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety. 2022. Vol. 21, no. 4. P. 3673-3716. https://doi.org/10.1111/1541-4337.12990.

5. Hassain A., Arif S. M., Aslam M. Emerging renewable energy technologies: state of the art // Renewable and Sustainable Reviews. 2017. Vol. 71. P. 12-28. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.12.033.

6. Cintas O., Berndes G., Cowie A. L., Egnell G., Holmström H., Marland G., et al. Carbon balances of bioenergy systems using biomass from forests managed with long rotations: bridging the gap between stand and landscape assessments // GCB Bioenergy. 2017. Vol. 9, no. 7. P. 1238-1251. https://doi.org/10.1111/gcbb.12425.

7. Kuna E., Behling R., Valange S., Chatel G., Colmenares J. C. Sonocatalysis: a potential sustainable pathway for the valorization of lignocellulosic biomass and derivatives // Chemistry and Chemical Technologies in Waste Valorization. 2017. P. 1-20. https://doi.org/10.1007/978-3-319-90653-9_1.

8. Vanneste J., Ennaert T., Vanhulsel A., Sels B. Unconventional pretreatment of lignocellulose with low-temperature plasma // ChemSusChem. 2017. Vol. 10, no. 1. P. 14-31. https://doi.org/10.1002/cssc.201601381.

9. Djordjevic L., Peric M., Dzoljic J. Carbon footprint of miscanthus biomass // KNOWLEDGE-International Journal. 2021. Vol. 49, no. 3. P. 481-485.

10. Tekin K., Karagöz S., Bektas S. A review of hydrothermal biomass processing // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2014. Vol. 40. P. 673-687. https://doi.org/10.1016/j.rser.2014.07.216.

11. Gunnarsson I. B., Svensson S. E., Johansson E., Karakashev D., Angelidaki I. Potential of Jerusalem artichoke (Helianthus tuberosus L.) as a biorefinery crop // Industrial Crops and Products. 2014. Vol. 56. P. 231-240. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2019.01.024.

12. Blätke M. A., Bräutigam A. Evolution of C 4 photosynthesis predicted by constraint-based modelling // Elife. 2019. Vol. 8. P. 49305. https://doi.org/10.7554/eLife.49305.

13. Капустянчик С. Ю., Якименко В. Н. Мискантус - перспективная сырьевая, энергетическая и фитомелиоративная культура (литературный обзор) // Почвы и окружающая среда. 2020. Т. 3. N 3. C. 38-51. https://doi.org/10.31251/pos.v3i3.126.

14. Капустянчик С. Ю., Якименко В. Н., Гисматулина Ю. А., Будаева В. В. Мискантус - перспективная энергетическая культура для промышленной переработки // Экология и промышленность России. 2021. Т. 25. N 3. C. 66-71. https://doi.org/10.18412/1816-0395-2021-3-66-71.

15. Lobell D. B., Burke M. B., Tebaldi C., Mastrandrea M. D., Falcon W. P., Naylor R. L. Prioritizing climate change adaptation needs for food security in 2030 // Science. 2008. Vol. 319, no. 5863. P. 607-610. https://doi.org/10.1126/science.1152339.

16. Turner W., Greetham D., Mos M., Squance M., Kam J., Du C. Exploring the bioethanol production potential of Miscanthus Cultivars // Applied Sciences. 2021. Vol. 11, no. 21. P. 9949. https://doi.org/10.3390/app11219949.

17. Chandel H., Kumar P., Chandel A. K., Verma M. L. Biotechnological advances in biomass pretreatment for bio-renewable production through nanotechnological intervention // Biomass Conversion and Biorefinery. 2022. P. 1-23. https://doi.org/10.1007/s13399-022-02746-0.

18. Heaton E. A., Long S. P., Voigt T. B., Jones M. B., Clifton-Brown J. Miscanthus for renewable energy generation: European union experience and projections for Illinois // Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change. 2004. Vol. 9, no. 4. P. 433-451. https://doi.org/10.1023/B:MITI.0000038848.94134.be.

19. Heaton E., Voigt T., Long S. P. A quantitative review comparing the yields of two candidate C 4 perennial biomass crops in relation to nitrogen, temperature and water // Biomass and Bioenergy. 2004. Vol. 27, no. 1. P. 21-30. https://doi.org/10.1016/j.biombioe.2003.10.005.

20. Lewandowski I., Clifton-Brown J., Trindade L. M., van der Linden G. C., Schwarz K.-U., Müller-Sämann K., et al. Progress on optimizing miscanthus biomass production for the European bioeconomy: results of the EU FP7 project OPTIMISC // Frontiers in Plant Science. 2016. Vol. 7. P. 1620. https://doi.org/10.3389/fpls.2016.01620.

21. Анисимов А. А., Хохлов Н. Ф., Тараканов И. Г. Мискантус (Miscanthus spp.) в России: возможности и перспективы // Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования. 2016. N 12. С. 3-5.

22. Булаткин Г. А., Митенко Г. В., Гурьев И. Д. Энергетическая и экологическая эффективность выращивания растительной биомассы мискантуса китайского в ЦФО России // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2015. N 6. С. 39-45.

23. Капустянчик С. Ю., Лихенко И. Е., Данилова А. А. Продуктивность мискантуса сорта Сорановский первого года вегетации и дыхательная активность почвы // Пермский аграрный вестник. 2016. N 4. С. 82-87.

24. Wang C., Kong Y., Hu R., Zhou G. Miscanthus: a fast-growing crop for environmental remediation and biofuel production // GCB Bioenergy. 2021. Vol. 13, no. 1. P. 58-69. https://doi.org/10.1111/gcbb.12761.

25. Arnoult S., Brancourt-Hulmel M. A review on Miscanthus biomass production and composition for bioenergy use: genotypic and environmental variability and implications for breeding // BioEnergy Research. 2015. Vol. 8, no. 2. P. 502-526. https://doi.org/10.1007/s12155-014-9524-7.

26. Гисматулина Ю. А., Будаева В. В., Сакович Г. В., Васильева О. Ю., Зуева Г. А., Гусар А. С. [и др.]. Особенности ресурсного вида Miscanthus sacchariflorus (Maxim.) Hack. при интродукции в Западной Сибири // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019. Т. 23. N 7. C. 933-940. https://doi.org/10.18699/VJ19.569.

27. Капустянчик С. Ю., Поцелуев О. М., Галицын Г. Ю., Лихенко И. Е., Будаева В. В., Гисматулина Ю. А. [и др.]. Эколого-биологическая оценка перспективной технической культуры Miscanthus sacchariflorus // Достижения науки и техники АПК. 2020. Т. 34. N 1. С. 42-46. https://doi.org/10.24411/0235-2451-2020-10108.

28. Дорогина О. В., Нуждина Н. С., Зуева Г. А., Гисматулина Ю. А., Васильева О. Ю. Особенности побегообразования в популяциях Miscanthus Sacchariflorus (Poaceae) под влиянием экологических факторов и паспортизация с помощью ISSR-маркеров // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2022. Т. 26. N 1. P. 22-29. https://doi.org/10.18699/VJGB-22-04.

29. Kowalczyk-Juśko A., Mazur A., Pochwatka P., Janczak D., Dach J. Evaluation of the effects of using the giant Miscanthus (Miscanthus giganteus) biomass in various energy conversion processes // Energies. 2022. Vol. 15, no. 10. P. 3486. https://doi.org/10.3390/en15103486.

30. Nebeska D., Trögl J., Ševců A., Špánek R., Marková K., Davis L., et al. Miscanthus giganteus role in phytodegradation and changes in bacterial community of soil contaminated by petroleum industry // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2021. Vol. 224. P. 112630. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2021.112630.

31. Wolfzorn J., Harding D., Davis A., Santiago M., Porr C. Miscanthus and hemp as alternative bedding material for horses. In: Proceedings of the conference of the National Association of Equine Academics and the symposium of the Society for the Scientific Research of Equine. Asheville, North Carolina, 2019. Vol. 76. P. 97-98. https://digitalcommons.murraystate.edu/orcagrants/45.

32. Fusi A., Bacenetti J., Proto A. R., Tedesco D. E., Pessina D., Facchinetti D. Pellet production from Miscanthus: energy and environmental assessment // Energies. 2020. Vol. 14, no. 1. P. 73. https://doi.org/10.3390/en14010073.

33. Bartocci P., Bidini G., Saputo P., Fantozzi F. Biochar pellet carbon footprint // Chemical Engineering Transactions. 2016. Vol. 50. P. 217-222. https://doi.org/10.3303/CET1650037.

34. Thomas H. L., Arnoult S., Brancourt-Hulmel M., Carrère H. Methane production variability according to miscanthus genotype and alkaline pretreatments at high solid content // BioEnergy Research. 2019. Vol. 12, no. 2. P. 325-337. https://doi.org/10.1007/s12155-018-9957-5.

35. Скиба Е. А., Миронова Г. Ф. Преимущества совмещения биокаталических стадий в синтезе биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2016. Т. 6. N 4. С. 53-60. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2016-6-4-53-60.

36. Skiba E. A., Ovchinnikova E. V., Budaeva V. V., Banzaraktsaeva S. P., Kovgan M. A., Chumachenko V. A., et al. Miscanthus bioprocessing using HNO 3 -pretreatment to improve productivity and quality of bioethanol and downstream ethylene // Industrial Crops and Products. 2022. Vol. 177. P. 114448. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2021.114448.

37. Witzleben S. Minimizing the global warming potential with geopolymer-based insulation material with Miscanthus fiber // Polymers. 2022. Vol. 14, no. 15. P. 3191. https://doi.org/10.3390/polym14153191.

38. Ntimugura F., Vinai R., Harper A. B., Walker P. Environmental performance of miscanthus-lime light-weight concrete using life cycle assessment: application in external wall assemblies // Sustainable Materials and Technologies. 2021. Vol. 28. P. e00253. https://doi.org/10.1016/j.susmat.2021.e00253.

39. Dias P. P., Jayasinghe L. B., Waldmann D. Investigation of Mycelium-Miscanthus composites as building insulation material // Results in Materials. 2021. Vol. 10. P. 100189. https://doi.org/10.1016/j.rinma.2021.100189.

40. Tsalagkas D., Börcsök Z., Pásztory Z., Gogate P., Csóka L. Assessment of the papermaking potential of processed Miscanthus giganteus stalks using alkaline pre-treatment and hydrodynamic cavitation for delignification // Ultrasonics Sonochemistry. 2021. Vol. 72. P. 105462. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2021.105462.

41. Barbash V. A., Yashchenko O. V., Vasylieva O. A. Preparation and application of nanocellulose from Miscanthus giganteus to improve the quality of paper for bags // SN Applied Sciences. 2020. Vol. 2, no. 4. P. 1-12. https://doi.org/10.1007/s42452-020-2529-2.

42. Gismatulina Y. A., Budaeva V. V. Chemical composition of five Miscanthus sinensis harvests and nitric-acid cellulose therefrom // Industrial Crops and Products. 2017. Vol. 109. P. 227-232. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2017.08.026.

43. Skiba E. А., Gladysheva E. K., Golubev D. S., Budaeva V. V., Aleshina L. А., Sakovich G. V. Self-standardization of quality of bacterial cellulose produced by Medusomyces gisevii in nutrient media derived from Miscanthus biomass // Carbohydrate Polymers. 2021. Vol. 252. P. 117178. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117178.

44. Son J., Lee K. H., Lee T., Kim H. S., Shin W. H., Oh J. M., et al. Enhanced production of bacterial cellulose from Miscanthus as Sustainable feedstock through statistical optimization of culture conditions // International Journal of Environmental Research and Public Health. 2022. Vol. 19, no. 2. P. 866. https://doi.org/10.3390/ijerph19020866.

45. Гладышева Е. К., Голубев Д. С., Скиба Е. А. Исследование биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы продуцентом Мedusomyces gisevii Sa-12 на ферментативном гидролизате продукта щелочной делигнификации мискантуса // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2019. Т. 9. N 2. С. 260-269. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2019-9-2-260-269.

46. Xiang J., Wang X., Sang T. Cellulase production from Trichoderma reesei RUT C30 induced by continuous feeding of steam-exploded Miscanthus lutarioriparius // Industrial Crops and Products. 2021. Vol. 160. P. 113129. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2020.113129.

47. Скиба Е. А., Скиба М. А., Пятунина О. И. Раствор азотной кислоты после обработки мискантуса как регулятор роста гороха посевного (Pisum sativum L.) // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2021. Т. 11. N 3. С. 413-420. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2021-11-3-413-420.

48. Götz M., Rudi A., Heck R., Schultmann F., Kruse A. Processing Miscanthus to high-value chemicals: a techno-economic analysis based on process simulation // GCB Bioenergy. 2022. Vol. 14, no. 4. P. 447-462. https://doi.org/10.1111/gcbb.12923.

49. Pang J., Zheng M., Wang A., Sun R., Wang H., Jiang Y., et al. Catalytic conversion of concentrated miscanthus in water for ethylene glycol production // AIChE Journal. 2014. Vol. 60, no. 6. P. 2254-2262. https://doi.org/10.1002/aic.14406.