Мискантус является ценным возобновляемым сырьем и обладает значительным потенциалом для производства разнообразных продуктов на основе таких макромолекул, как целлюлоза, гемицеллюлозы и лигнин.
1. Введение
Постоянно увеличивающееся содержание 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
[ 1 ] .
Многие исследователи рассматривают проблему глобальных выбросов парниковых газов с точки зрения торговли и политики
[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] , 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 ; например, оценки использования биомассы для транспорта, энергетики, строительства и металлургической промышленности
[ 8 ] .
Мискантус является бионасосом
[ 9 ] и обладает потенциалом снижения выбросов парниковых газов за счет ассимиляции углерода в почве
[ 10 ] .
Исследования
[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] сообщили о 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.
Мискантус – 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
Miscanthus × giganteus можно отнести 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 ] . По 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 ] . Эта 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
[ 14 ] [ 15 ] . Мискантус — морозостойкая культура и может произрастать на маргинальных, засоленных и неиспользуемых землях
[ 16 ] . Учитывая 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
[ 14 ] .
Во всем мире для производства биомассы мискантуса используется около 123 000 га. Самая большая площадь расположена в Китае, где ок. В дикой природе озера Дунтин 100 000 га занимают
M. lutarioriparius . Урожайность биомассы составляет около 12 т/га/год
[ 17 ] .
Результаты исследования машинного обучения
[ 18 ] показали, что во всем мире существует 3068,25 млн га маргинальных земельных ресурсов, пригодных для выращивания
M. × giganteus , которые 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
M. × giganteus , с площадью 373,35 и 332,37 млн га соответственно.
Мискантус является 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. Основные направления исследований мискантуса
2.1. Выбор Мискантуса
M. × giganteus — наиболее распространенный во всем мире вид
мискантуса . Высокая урожайность (10 т/га/год) и продолжительность жизни (15–20 лет) делают мискантус перспективной биоэнергетической культурой и эффективным инструментом борьбы с изменением климата. Однако
M. × giganteus не лишен 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 и сорта
мискантусов стали ценными 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 более устойчив к водному стрессу и, следовательно, более пригоден для выращивания в более сухом климате.
M. lutarioriparius обеспечивает высокий выход биомассы, но менее устойчив к холоду и засухе и поэтому более подходит для регионов, менее подверженных частому дефициту воды
[ 19 ] .
Поскольку химический состав сырья имеет решающее значение для переработки мискантуса, в Таблице 1 описывается именно этот аспект для некоторых видов мискантуса из разных географических мест, как сообщается в недавних исследованиях.
Таблица 1. Содержание компонентов (%) мискантуса.
Поскольку мискантус обладает богатым генетическим разнообразием, его лигноцеллюлозный состав широко варьируется; тем не менее, многие виды мискантусов характеризуются высоким содержанием возобновляемых полимеров.
В последние 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
[ 28 ] . Напротив, трансгенный мискантус с повышенным содержанием лигнина был получен с целью повышения энергетической ценности
[ 29 ] .
2.2. Исследования воздействия мискантуса на окружающую среду
Ван и др.
[ 30 ] суммировали публикации 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. Производство различных продуктов из мискантуса
Переработке мискантуса посвящено множество работ во всем мире. В некоторых приложениях используются все фракции биомассы мискантуса, например, сжигание для производства электроэнергии [
32 ] [ 33 ] [ 34 ] или пиролиз для производства бионефти
[ 35 ] [ 36 ] , биоугля
[ 37 ] [ 38 ] гидроуголь
[ 39 ] [ 40 ] и оксид графена
[ 41 ] , для синтеза биополиолов
[ 21 ] и для производства композиционных материалов
[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ] , бетона
[ 45 ] , строительного раствора на основе мискантуса
[ 46 ] , армированная волокном стяжка
[ 47 ] и ПЭТ на биологической основе
[ 48 ] .
Другие приложения используют только определенные части клеточной стенки для превращения в продукты, например, этерифицированный лигнин
[ 49 ] . Кислотный гидролиз мискантуса изучался для синтеза таких химических веществ, как фурфурол, гидроксиметилфурфурол
[ 50 ] , левулиновая кислота
[ 51 ] и другие органические кислоты и этиленгликоль
[ 52 ] .
Целлюлоза, целлюлозные микроволокна и бумага
[ 53 ] [ 54 ] [ 55 ] [ 56 ] , нанокристаллы целлюлозы
[ 57 ] , олигосахариды
[ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] и ксилол
[ 25 ] получают из мискантуса. Пидлиснюк и др.
[ 62 ] всесторонне рассмотрены некоторые продукты из мискантуса (сельскохозяйственная продукция, изоляционные и композиционные материалы, гемицеллюлозы, целлюлоза и бумага).
Многие продукты биотехнологии, такие как биоэтанол, биогаз, бактериальная целлюлоза, ферменты, молочная кислота, липиды, фумаровая кислота и полигидроксиалканоаты, получают из мискантуса.
2.4. Предварительная обработка мискантуса и процессы гидролиза
Более того, некоторые исследования сосредоточены только на предварительной обработке мискантуса без выделения конечного продукта
[ 63 ] . Предварительная 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).
Из трех 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
[ 64 ] .
Как и 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 ] . Тем не менее, традиционные методы продолжают исследоваться для более глубокого понимания фракционирования, оптимизации и масштабирования процесса
[ 67 ] . Кроме того, также предлагается использовать комбинацию двух или более подходов предварительной обработки биомассы для максимального разрушения биомассы
[ 68 ] .
На рис. 1 схематически показано влияние предварительной обработки на биомассу
[ 69 ] .
Рисунок 1. Влияние предварительной обработки на биомассу (воспроизведено с разрешения
[ 69 ] , MDPI, 2023).
Оценка различных подходов показывает, что по-прежнему необходимы последовательные усилия для разработки экономичной и экологически безопасной стратегии предварительной обработки
[ 64 ] [ 68 ] .
Однако не все биотехнологические продукты требуют предварительной обработки биомассы; например, предварительная обработка не является обязательной для производства биогаза и использования лигноцеллюлозы в качестве индуктора выработки ферментов.
После предварительной обработки целлюлоза и гемицеллюлозы могут быть гидролизованы до мономерных сахаров. Ферментативный гидролиз лигноцеллюлозы является наиболее известным и перспективным методом осахаривания биомассы.
Ферментативный гидролиз может высвобождать мономерные сахара в очень широком диапазоне, в зависимости от метода предварительной обработки. Например, Дай и др.
[ 70 ] недавно исследовали, как методы предварительной обработки, такие как микроволновая печь, NaOH, CaO и микроволновая печь + NaOH/CaO, влияют на выход сахара из мискантуса. Выход гексозы находился в значительном диапазоне от 4,0 до 73,4% (% в пересчете на целлюлозу). Самый высокий выход гексозы был достигнут при предварительной обработке 12% NaOH, а самый низкий — при предварительной обработке 1% CaO + микроволновое излучение.
This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/ijms241613001