MiscanthusМискантус is a valuable renewable feedstock and has a significant potential for the manufacture of diverse products based on macromolecules such as cellulose, hemicelluloses and ligninявляется ценным возобновляемым сырьем и обладает значительным потенциалом для производства разнообразных продуктов на основе таких макромолекул, как целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин.
1. IntroductionВведение
TheПостоянно увеличивающееся perpetually increasing atmospheric carbon dioxide and global warming are a serious threat to humankind. Hence, actions are required to mitigate the climate change consequences, and there is a need for the transition to a low-carbon economy in which biomass is the most common andсодержание углекислого газа в атмосфере и глобальное потепление представляют собой серьезную угрозу для человечества. Следовательно, необходимы действия по смягчению последствий изменения климата, а также существует необходимость перехода к низкоуглеродной экономике, в которой биомасса является наиболее распространенным и доступным источником углерода available source of carbon [ 1 ] .
AМногие good many researchers consider the issue of global greenhouse gas emissions from theисследователи рассматривают проблему глобальных выбросов парниковых газов с точки зрения торговли и политики standpoint of trading and policy [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] ,
which is undoubtedly important to combat the climate change. The other research studies are focused on a quantitative evaluation of the potential of various productions to minimize the consequences or reduce the что, несомненно, важно для борьбы с изменением климата. Остальные исследования направлены на количественную оценку потенциала различных производств по минимизации последствий или сокращению выбросов CO
2 emissions;
for example, the estimations of biomass utilization for transport, power engineering, construction and iron-and-steel industryнапример, оценки использования биомассы для транспорта, энергетики, строительства и металлургической промышленности [ 8 ] .
MiscanthusМискантус is aявляется бионасосом bio-pump [ 9 ] andи has the potential of greenhouse gas emission reduction through soil carbon assimilationобладает потенциалом снижения выбросов парниковых газов за счет ассимиляции углерода в почве [ 10 ] .
TheИсследования studies [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] reportedсообщили valuable results evaluating the life cycle of heat, electric power, ethanol and biogas productions from miscanthus, and demonstrated that the miscanthus cultivation and the manufacture of commodities from miscanthus are a good option for carbon footprint mitigationо ценных результатах, оценивающих жизненный цикл производства тепла, электроэнергии, этанола и биогаза из мискантуса, и продемонстрировали, что выращивание мискантуса и производство товаров из мискантуса являются хорошим вариантом для получения углерода. смягчение последствий.
MiscanthusМискантус is a perennial rhizomatous grass with a high yield capacity and low nutrient requirements. Miscanthus has a life span up to 20 years, which is an advantage over annual plants. The merits– многолетняя корневищная трава с высокой урожайностью и низкой потребностью в питательных веществах. Мискантус живет до 20 лет, что является преимуществом перед однолетними растениями. К достоинствам of Miscanthus × giganteus mayможно also include the anatomy of its stalks whose bast layer does not contain long fibers unlike some bast plants that require pruning of their bast fibers (for example, flax and hempотнести и анатомию его стеблей, корковый слой которых не содержит длинных волокон в отличие от некоторых лубяных растений, требующих обрезки лубяных волокон (например, льна и конопли)
[ 14 ] .
Compared to other perennial crops, miscanthus yields a higher content of dry matter. Once planted, miscanthus requires no fertilizers or special care in the field but annual harvesting with standard farm machineryПо сравнению с другими многолетними культурами мискантус дает более высокое содержание сухого вещества. После посадки мискантус не требует никаких удобрений или особого ухода в поле, кроме ежегодного сбора урожая с помощью стандартной сельскохозяйственной техники [ 15 ] .
This crop with a high water use efficiency and ability to adapt to severe conditions along with its environmental functions such as soil remediation may have a vital part in the bioeconomicЭта культура с высокой эффективностью использования воды и способностью адаптироваться к суровым условиям наряду с ее экологическими функциями, такими как восстановление почвы, может сыграть жизненно важную роль в биоэкономическом развитии любой страны development of any nation [ 14 ] [ 15 ] .
Miscanthus is a frost-resistant crop and can grow on marginal, salinized and unused landsМискантус — морозостойкая культура и может произрастать на маргинальных, засоленных и неиспользуемых землях [ 16 ] .
Considering the probability of further depletion of the world forest areas and the limitation on wood procurement due to the environment-conserving role of forests, miscanthus is being more frequently viewed asУчитывая вероятность дальнейшего истощения мировых лесных площадей и ограничения на заготовку древесины из-за природоохранной роли лесов, мискантус все чаще рассматривается как потенциальное сырье для замены части древесины хвойных и лиственных пород a[ 14 ] potential.
Во feedstockвсем to replace some of softwood and hardwoodмире для производства биомассы мискантуса используется около [14].
About 123
, 000
ha are utilized for the miscanthus biomass production across the world. The largest area is located in China, where approx. 100,000 ha areга. Самая большая площадь расположена в Китае, где ок. В дикой природе озера Дунтин 100 000 га занимают occupied by M. lutarioriparius . Урожайность inбиомассы the wildlife at the Dongting Lake. The biomass yields constitute about 12 t/ha/yearсоставляет около 12 т/га/год [ 17 ] .
TheРезультаты machine learning studyисследования машинного обучения results [ 18 ] showedпоказали, что that globally there exist 3068.25 million ha marginal land resources eligible forво всем мире существует 3068,25 млн га маргинальных земельных ресурсов, пригодных для выращивания M. × giganteus cultivation,
which are basically located in Africa (902.05 million ha), Asia (620.32 million ha), South America (547.60 million ha) and North America (529.26 million ha). The countries with the largest land resources, Russia and Brazil, hold the first and second places based on the amount ofкоторые в основном расположены в Африке (902,05 млн га), Азии (620,32 млн га), Южной Америке (547,60 млн га). млн га) и Северной Америки (529,26 млн га). Страны с крупнейшими земельными ресурсами — Россия и Бразилия — занимают первое и второе места по количеству маргинальных земель, пригодных для marginal lands suitable for M. × giganteus ,
with areas of 373.35 and 332.37 million ha, respectivelyс площадью 373,35 и 332,37 млн га соответственно.
MiscanthusМискантус is a valuable renewable feedstock and has a significant potential for the manufacture of diverse biotechnology products based on macromolecules such as cellulose, hemicelluloses and lignin. The studies on the miscanthus chemical composition compared to the diverse vegetable world are constantly developing and show the advantages of miscanthus over many lignocellulosic resources, particularly by the content of cellulose, a polymer that is the most valuable for conversionявляется ценным возобновляемым сырьем и обладает значительным потенциалом для производства разнообразных биотехнологических продуктов на основе таких макромолекул, как целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин. Исследования химического состава мискантуса по сравнению с разнообразным растительным миром постоянно развиваются и показывают преимущества мискантуса перед многими лигноцеллюлозными ресурсами, в частности по содержанию целлюлозы - наиболее ценного для переработки полимера.
2. CoreОсновные Directions in Miscanthus Researchнаправления исследований мискантуса
2.1. MiscanthusВыбор SelectionМискантуса
M. × giganteus is— the most common worldwide among theнаиболее распространенный во всем мире вид Miscanthusмискантуса species.
The high yield capacity (10 t/ha/year) and life spanВысокая урожайность (10 т/га/год) и продолжительность жизни (15–20
years) make miscanthus a promising bioenergy crop and an effective tool to combat the climate change. However,лет) делают мискантус перспективной биоэнергетической культурой и эффективным инструментом борьбы с изменением климата. Однако M. × giganteus isне not free of shortcomings, i.e., it is sensitive to cold winter temperatures and drought, can only be reproduced through rhizome division, has a poor genetic diversity and is susceptible to soil pathogens. Hence, the otherлишен недостатков: он чувствителен к холодным зимним температурам и засухе, размножается только делением корневища, имеет низкое генетическое разнообразие и восприимчив к почвенным патогенам. Таким образом, другие виды Miscanthusи speciesсорта andмискантусов cultivarsстали have become valuable sources of the genetic material for intraspecific and interspecific breeding. In breeding, a special focus is placed on achieving a higher yield capacity, quality and tolerance to antibiotic stressors. For instance, despite having a poorer aboveground biomass yield compared toценными источниками генетического материала для внутривидовой и межвидовой селекции. В селекции особое внимание уделяется достижению более высокой урожайности, качества и устойчивости к антибиотикам. Например, несмотря на меньший выход надземной биомассы по сравнению с M. × giganteus ,
M. sinensis isболее more tolerant to water stress and, hence, is more suitable for cultivation in a drier climateустойчив к водному стрессу и, следовательно, более пригоден для выращивания в более сухом климате.
M. lutarioriparius offersобеспечивает a high yield of biomass but is less resistant to cold and drought, and is therefore more suitable for regions thatвысокий выход биомассы, но менее устойчив к холоду и засухе и поэтому более подходит для регионов, менее подверженных частому дефициту воды are less exposed to frequent water deficiency [ 19 ] .
SinceПоскольку the chemical composition of the feedstock is essential for the miscanthus conversionхимический состав сырья имеет решающее значение для переработки мискантуса,
Tableв Таблице 1 outlinesописывается exactly this aspect for someименно этот аспект для некоторых Miscanthusвидов speciesмискантуса fromиз different geographical locations, as reported in the recent studiesразных географических мест, как сообщается в недавних исследованиях.
TableТаблица 1. ComponentСодержание content (%) of miscanthusкомпонентов (%) мискантуса.
BecauseПоскольку of miscanthus having a rich genetic diversity, its lignocellulosic content varies widely; yet, manyмискантус обладает богатым генетическим разнообразием, его лигноцеллюлозный состав широко варьируется; тем не Miscanthusменее, speciesмногие areвиды characterizedмискантусов byхарактеризуются a high content of renewable polymersвысоким содержанием возобновляемых полимеров.
InВ recent years, the research initiatives have resulted in a range of miscanthus traits being identified, which can be optimized for various applications. For example, improved miscanthus varieties for bio-based applications were released that are less recalcitrant to destruction due to having less lignin and due to alterations inпоследние годы исследовательские инициативы привели к выявлению ряда свойств мискантуса, которые можно оптимизировать для различных применений. Например, были выпущены улучшенные сорта мискантуса для биологического применения, которые менее устойчивы к разрушению из-за меньшего количества лигнина и из-за изменений конкретных характеристик клеточных стенок specific cell wall characteristics [ 28 ] .
In contrast, transgenic miscanthus with enhanced lignin content was derived in order to improve theНапротив, трансгенный мискантус с повышенным содержанием лигнина был получен с целью повышения энергетической ценности energy value [ 29 ] .
2.2. StudiesИсследования on Environmental Impact of Miscanthusвоздействия мискантуса на окружающую среду
WangВан et alи др.
[ 30 ] summarizedсуммировали publications in this field in their review paper. An economic model for the estimation of greenhouse gas emissions in the miscanthus cultivation using the commercial practice adopted in the UK was reported recently as wellпубликации в этой области в своем обзорном докладе. Недавно также была представлена экономическая модель для оценки выбросов парниковых газов при выращивании мискантуса с использованием коммерческой практики, принятой в Великобритании [ 31 ] .
2.3. ProductionПроизводство of Various Products from Miscanthusразличных продуктов из мискантуса
AПереработке great many works worldwide have been focused on the miscanthus processing. Some applications employ all fractions of the miscanthus biomass, for example, incineration for powerмискантуса посвящено множество работ во всем мире. В некоторых приложениях используются все фракции биомассы мискантуса, например, сжигание для производства электроэнергии [ generation 32 ] [32] 33 ] [33][34] 34 ] или orпиролиз pyrolysis for the productionдля производства бионефти of bio-oil [ 35 ] [ 36 ] ,
biocharбиоугля [ 37 ] [ 38 ], hydrocharгидроуголь [ 39 ] [ 40 ] andи graphene oxideоксид графена [ 41 ] ,
for biopolyol synthesisдля синтеза биополиолов [ 21 ] andи for the production ofдля производства композиционных материалов composite materials [ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] ,
concreteбетона [ 45 ] ,
miscanthus-based mortarстроительного раствора на основе мискантуса [ 46 ] ,
fiber-reinforced screedармированная волокном стяжка [ 47 ] и and bio-based PETПЭТ на биологической основе [ 48 ] .
TheДругие other applications employ only certain parts of the cell wall for the transformation into products, for example, esterified ligninприложения используют только определенные части клеточной стенки для превращения в продукты, например, этерифицированный лигнин [ 49 ] .
Acid hydrolysis of miscanthus has been studied for the synthesis of chemicals such as furfural, hydroxymethylfurfuralКислотный гидролиз мискантуса изучался для синтеза таких химических веществ, как фурфурол, гидроксиметилфурфурол [ 50 ] ,
levulic acidлевулиновая кислота [ 51 ] andи other organic acids and ethyleneдругие органические кислоты и этиленгликоль glycol [ 52 ] .
CelluloseЦеллюлоза,
cellulose microfibers and paperцеллюлозные микроволокна и бумага [ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] ,
cellulose nanocrystalsнанокристаллы целлюлозы [ 57 ] ,
oligosaccharidesолигосахариды [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] andи xyleneксилол [ 25 ] areполучают derived from miscanthus. Pidlisnyuk et alиз мискантуса. Пидлиснюк и др.
[ 62 ] comprehensivelyвсесторонне reviewed some products from miscanthus (agricultural products, insulation and composite materials, hemicelluloses, pulp and paperрассмотрены некоторые продукты из мискантуса (сельскохозяйственная продукция, изоляционные и композиционные материалы, гемицеллюлозы, целлюлоза и бумага).
ManyМногие biotechnology products such as bioethanol, biogas, bacterial cellulose, enzymes, lactic acid, lipids, fumaric acid and polyhydroxyalkanoates are derived from miscanthusпродукты биотехнологии, такие как биоэтанол, биогаз, бактериальная целлюлоза, ферменты, молочная кислота, липиды, фумаровая кислота и полигидроксиалканоаты, получают из мискантуса.
2.4. MiscanthusПредварительная обработка Pretreatment and Hydrolysis Processesмискантуса и процессы гидролиза
FurthermoreБолее того,
some studies are focused only on miscanthus pretreatment without end-product isolationнекоторые исследования сосредоточены только на предварительной обработке мискантуса без выделения конечного продукта [ 63 ] .
The pretreatment of miscanthus biomass is highly requisite to obtain fermentable sugars and subsequent biotechnology products. Due to the heterogeneous structure, miscanthus has serious limitations with respect to the conversion and is recalcitrant to enzyme-assisted hydrolysis. The pretreatment step is chiefly meant to breakdown the structure composed of the three main renewable polymers, i.e., cellulose, hemicellulose and lignin, as well as minor non-structural constituents (extractives, ashПредварительная обработка биомассы мискантуса крайне необходима для получения сбраживаемых сахаров и последующих биотехнологических продуктов. Из-за гетерогенной структуры мискантус имеет серьезные ограничения в отношении конверсии и не поддается ферментативному гидролизу. Стадия предварительной обработки главным образом предназначена для разрушения структуры, состоящей из трех основных возобновляемых полимеров, т.е. целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, а также второстепенных неструктурных компонентов (экстрактивных веществ, золы).
OutИз of the three basic constituents, lignin is the most recalcitrant to degradation. Cellulose retains a significant crystallinity index and forms a rigid framework acting as a bearing structure of the cell wall. Hemicellulose, a heteropolymer of xylose, arabinose, galactose and other sugars, is not crystalline and therefore more amenable to hydrolysis thanтрех основных компонентов лигнин наиболее устойчив к разложению. Целлюлоза сохраняет значительный показатель кристалличности и образует жесткий каркас, выполняющий роль несущей конструкции клеточной стенки. Гемицеллюлоза, гетерополимер ксилозы, арабинозы, галактозы и других сахаров, не является кристаллической и поэтому более поддается гидролизу, чем целлюлоза cellulose [ 64 ] .
SimilarКак to other lignocellulosic feedstocks, several pretreatment methods are applicable to miscanthus. Some methods are already reckoned to be conventional (ball milling, acid treatment, alkaline treatment, ammonia treatment, organosolv treatment, ionic liquid treatment, hot water treatment, steam explosion treatment), and new methods are under development (microwave, ultrasound, deep eutectic solvent, irradiation, high force-assisted pretreatment methods, biological pretreatmentи в случае с другим лигноцеллюлозным сырьем, к мискантусу применимо несколько методов предварительной обработки. Некоторые методы уже считаются традиционными (шаровая обработка, кислотная обработка, щелочная обработка, обработка аммиаком, органосольвентная обработка, обработка ионной жидкостью, обработка горячей водой, обработка паровым взрывом), а также разрабатываются новые методы (микроволновая обработка, ультразвук, глубокая эвтектическая обработка). растворитель, облучение, методы предварительной обработки с использованием высоких сил, биологическая предварительная обработка)
[ 65 ] [ 66 ] .
That said, the conventional methods continue to be investigated for a deeper understanding of fractionation, optimization and process scale-up Тем не менее, традиционные методы продолжают исследоваться для более глубокого понимания фракционирования, оптимизации и масштабирования процесса [ 67 ] .
Furthermore, it is also proposed that a combination of two or more approaches for biomass pretreatment beКроме того, также предлагается использовать комбинацию двух или более подходов предварительной обработки биомассы для максимального разрушения биомассы used for maximum destruction of the biomass [ 68 ] .
FigureНа рис. 1 showsсхематически a schematic of the effect ofпоказано влияние предварительной обработки на биомассу pretreatment on biomasses [ 69 ] .
FigureРисунок 1. EffectВлияние of pretreatment on biomasses (reproduced with permission fromпредварительной обработки на биомассу (воспроизведено с разрешения [ 69 ] , MDPI, 2023).
TheОценка evaluation of different approaches demonstrates that successive efforts are still needed to develop an economical and eco-benignразличных подходов показывает, что по-прежнему необходимы последовательные усилия для разработки экономичной и экологически безопасной стратегии предварительной обработки pretreatment strategy [ 64 ] [ 68 ] .
But,Однако not all of the biotechnology products require that a biomass be pretreated; for instance, pretreatment is not mandatory for the biogas production and the use of lignocellulose as an inducer of enzyme productionне все биотехнологические продукты требуют предварительной обработки биомассы; например, предварительная обработка не является обязательной для производства биогаза и использования лигноцеллюлозы в качестве индуктора выработки ферментов.
AfterПосле предварительной pretreatment, cellulose and hemicelluloses can be hydrolyzed to monomeric sugars. Enzymatic hydrolysis of lignocellulosics is the most known and promising technique for biomass saccharificationобработки целлюлоза и гемицеллюлозы могут быть гидролизованы до мономерных сахаров. Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы является наиболее известным и перспективным методом осахаривания биомассы.
EnzymaticФерментативный hydrolysis can liberate monomeric sugars in a very wide range, depending on the pretreatment method. For instance, Dai et alгидролиз может высвобождать мономерные сахара в очень широком диапазоне, в зависимости от метода предварительной обработки. Например, Дай и др.
[ 70 ] recentlyнедавно исследовали, как examined how pretreatment methods such as microwaveметоды предварительной обработки, такие как микроволновая печь, NaOH, CaO
and microwaveи микроволновая печь + NaOH/CaO
influenced the sugar yield from miscanthus. The hexose yield showed a substantial range from 4.0 to 73., влияют на выход сахара из мискантуса. Выход гексозы находился в значительном диапазоне от 4,0 до 73,4% (%
on a cellulose basis). The highest hexose yield was achieved by theв пересчете на целлюлозу). Самый высокий выход гексозы был достигнут при предварительной обработке 12% NaOH
pretreatment and the lowest one by the, а самый низкий — при предварительной обработке 1% CaO +
microwave pretreatmentмикроволновое излучение.