Prospects for chemical and biotechnological processing of miscanthus

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The processing of plant biomass into demanded and economically viable products is currently a recognized global trend. Among alternative energy directions, biomass conversion is the most predictable and sustainable carbon resource that can replace fossil fuels. Already today, plant biomass provides almost 25% of the world’s energy supply. This review provides information on the most promising areas of chemical and biotechnological processing of the biomass of such an energy plant as miscanthus. The choice of miscanthus is due to its high yield (up to 40 t/ha of sown area) and high energy yield (140–560 GJ/ha) compared to other plant materials. In addition, miscanthus is able to grow on marginal lands and does not require special agronomic measures, while in the process of its cultivation, the soil is enriched with organic substances and it is cleaned from pollutants. The review reflects the directions of processing of native biomass and pretreated biomass. Miscanthus biomass, in addition to processing into energy resources, can be fractionated and transformed into many high-value products - cellulose, cellulose nitrates, ethylene, hydroxymethylfurfural, furfural, phenols, ethylene glycol, cooking solutions after nitric acid pretreatment of miscanthus biomass can act as lignohumic fertilizers. In addition, on the basis of miscanthus cellulose hydrolysates, it is possible to obtain benign nutrient media for biotechnological transformation into bacterial nanocellulose, for the accumulation and isolation of various microbial enzymes.

About the authors

N. A. Shavyrkina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: 32nadina@mail.ru

Yu. A. Gismatulina

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: julja.gismatulina@rambler.ru

V. V. Budaeva

Institute for Problems of Chemical and Energetic Technologies SB RAS

Email: budaeva@ipcet.ru

References

  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.. 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.. 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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».