КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-13-00107
НазваниеФундаментальные подходы к переработке технической культуры мискантус в ценные материалы и биопродукты для снижения углеродного следа
РуководительСакович Геннадий Викторович, Доктор технических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук, Алтайский край
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2024 г. |
Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-407 - Фундаментальные проблемы химической технологии
Ключевые словауглеродный след, мискантус, целлюлоза, функционализация целлюлозы, бумага, волокнистые полуфабрикаты, питательная среда, биосинтез, этанол, бактериальная целлюлоза, молочная кислота
Код ГРНТИ62.35.33
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В соответствии с актуальными тенденциями мировой науки данный Проект направлен на решение глобальной проблемы выбросов парниковых газов путем использования вместо невозобновляемых нефти и газа возобновляемого источника – мискантуса гигантского в качестве сырья для получения ряда продуктов. Мискантус гигантский – многолетняя энергетическая (быстрорастущая) техническая культура с высоким приростом биомассы, произрастающая на непродуктивных землях и эффективно связывающая углерод в почве при выращивании.
Цель работы состоит в научном обосновании подходов, направленных на максимальное снижение углеродного следа; задачей работы является фундаментальное исследование подходов к переработке технической культуры мискантус в ценные материалы и биопродукты. Предлагается комплексно исследовать конверсию мискантуса в широкий спектр материалов (целлюлоза и бумага, нанокристаллическая целлюлоза, продукты функционализации целлюлозы) и биопродуктов (этанол – молекула-платформа водородной энергетики, бактериальная целлюлоза – суперконденсатор, молочная кислота – молекула-платформа основного биопластика) путем интегрированного применения новых химических и биотехнологических методов и подходов. Данные направления являются чрезвычайно востребованными и имеют огромное ресурсосберегающее и экологическое значение, а их развитие может стать стратегически важным не только для России, но и для большей части мирового сообщества.
Сложность решения проблемы заключается в отсутствии российских аналогов подобных широкомасштабных исследований. Есть предварительные положительные результаты инициативных исследований, запатентованы некоторые технические решения, но к систематическому изучению сформулированной проблемы в стране не приступали в связи с новизной для РФ вызова необходимости сокращения углеродного следа. Ситуация усугубилась в связи с тем, что во всем мире имеет место истощение природных ресурсов, парадигма изменения российской экономики была принята очень резко, в связи с этим крупные переработчики нефти и газа оказались не готовы к изменившимся рыночным условиям, и необходимость научно обоснованного, прорывного решения данной проблемы звучит очень остро и требует больших финансовых вливаний. Несмотря на очевидное требование вмешательства в проблему «сверху», особенностью данного Проекта является движение, произошедшее за последние два года «снизу». Частный бизнес ассоциативно создал ряд углеродных ферм мискантуса гигантского российской селекции, расположенных от Калининграда до Уссурийска, и ИПХЭТ СО РАН является единственным научным куратором технологической трансформации мискантуса в ценные материалы и биопродукты. На безвозмездной основе образцы полученных в 2020-2021 гг. урожаев мискантуса уже поступают в Бийск с просьбой оценки возможности переработки в конкретные продукты. Сложность выполнения работы заключается в невозможности переноса традиционных технологий получения целлюлозы из древесины или хлопка вследствие особенностей природы волокна и лигнина мискантуса.
Фундаментальные аспекты работы заключаются в установлении новых закономерностей и зависимостей при проведении ряда экспериментов по комплексной переработке неисследованного ранее сырья – мискантуса гигантского российского селекции. В результате выполнения Проекта впервые будет разработана интегрированная технология, совмещающая химические и биотехнологические подходы превращения мискантуса гигантского в ценные материалы и биопродукты в полном соответствии современной концепции зелёной химии и эффективности производства.
Планируемые исследования характеризуются высоким уровнем междисциплинарности на базовой основе химии и химической технологии с интеграцией развития биотехнологических направлений, предполагающих использование биокатализа.
Задача Проекта полностью отвечает современным вызовам науки и промышленности РФ и соответствует Указу Президента РФ от 7 мая 2018 г. № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года» в сфере экологии. Научная значимость и высокая актуальность решения обозначенной проблемы подтверждается соответствием направления данного Проекта положениям закона «Об ограничении выбросов парниковых газов» от 02.07.2021, подписанным В.В. Путиным, и Стратегии социально-экономического развития Российской Федерации с низким уровнем выбросов парниковых газов до 2050 года (Распоряжение Правительства РФ от 29 октября 2021 г. № 3052-р).
Большая вероятность получения предполагаемых результатов обеспечивается высоким профессиональным уровнем исполнителей Проекта в области химической и биотехнологической переработки целлюлозосодержащего сырья, имеющих многолетний опыт совместных исследований, в том числе в рамках предыдущего проекта РНФ № 17-19-01054, при выполнении которого опубликовано 8 статей Q1.
Ожидаемые результаты
В ходе выполнения Проекта будут получены результаты, обладающие высоким уровнем научной и общественной значимости:
– будут проведены исследования химического состава мискантуса гигантского в зависимости от местности произрастания, агротехники возделывания, климатических условий и составлена база данных;
– будут проведены исследования по разработке способов получения прекурсоров для химической функционализации и субстратов для биотехнологической трансформации; будут определены ключевые параметры высокоэффективных процессов;
– будут синтезированы нитраты целлюлозы в качестве фундаментального примера химической функционализации;
– будет разработан способ одновременного получения целлюлозы в качестве прекурсора нитратов целлюлозы с регулируемой вязкостью и питательной среды для микробиологического синтеза;
– будут разработаны различные сорта бумаги, определены ее основные структурно-размерные, прочностные и деформационные характеристики с рекомендациями областей применения, включая одноразовую посуду, совместно с профильным институтом САФУ им. Ломоносова (Архангельск);
– будет исследован биокаталитический гидролиз полисахаридов мискантуса после предварительной обработки в питательные среды для биосинтеза этанола, бактериальной целлюлозы, молочной кислоты;
– будут исследованы зависимости характеристик процесса биосинтеза этанола (молекула-платформа водородной энергетики), бактериальной целлюлозы (суперконденсатор), молочной кислоты (молекула-платформа основного биопластика) от способа предварительной обработки сырья, проанализированы основные и побочные продукты;
– будут составлены материальный и энергетический баланс процессов получения биотехнологических продуктов, проведена технико-экономическая оценка и оценка экологичности процессов;
– будет сформулировано научное обоснование подходов, направленных на максимальное снижение углеродного следа, и даны рекомендации по практическому использованию полученных результатов;
Научная значимость ожидаемых результатов заключается в разработке концепции эффективной переработки мискантуса гигантского в ряд ценных продуктов, в установлении новых закономерностей и в получении ранее неизвестных знаний в данной области исследования.
Общественная значимость ожидаемых результатов заключается в возможности практического использования запланированных результатов Проекта в экономике и социальной сфере. Уникальность данного Проекта обусловлена не только использованием сырья, экономически обоснованного именно для России, но и разработкой новых решений зеленой химии с упором на экологическую составляющую, которые в будущем позволят масштабировать разрабатываемую технологию и внедрить ее в производство. Экономическая обоснованность мискантуса подтверждена высокими значениями связывания атмосферного углерода как надземной биомассой, так и корневищами при выращивании в России.
Полученные результаты станут не только научной базой для разработки новых подходов в получении многофункциональной целлюлозы и развития целлюлозной промышленности, что критически важно для развития экономики страны, но позволят значительно расширить поле научных знаний в области экологизации технологии получения целлюлозы. Практическое использование ожидаемых результатов Проекта в экономике страны будет достигнуто за счет разработки научных основ «зеленой» энергосберегающей комплексной переработки многолетней технической культуры в продукты с добавленной стоимостью, что соответствует приоритетным направлениям развития энергетики РФ: переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, рациональное природопользование и энергетическая эффективность, предусмотренным Энергетической стратегией РФ на период до 2035 года (Распоряжение Правительства РФ от 9 июня 2020 г. № 1523-р).
По результатам исследований будет опубликовано не менее 11 статей в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus), из них не менее 6 – в изданиях Q1 и Q2. Будет принято участие в престижных международных и всероссийских научных конференциях. Также планируется популяризация научных результатов, полученных в ходе выполнения Проекта в СМИ. Это определяет соответствие предполагаемых результатов мировому уровню исследований.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В ходе реализации 1-го этапа проекта РНФ «Фундаментальные подходы к переработке технической культуры мискантус в ценные материалы и биопродукты для снижения углеродного следа» (соглашение № 22-13-00107) план НИР выполнен в полном объеме.
1.5.1 Исследован химический состав мискантуса гигантского в зависимости от местности произрастания, агротехники возделывания и климатических условий с последующим составлением базы данных
Исследовано 13 образцов мискантуса гигантского из 8 городов РФ и Украины. Установлено, что начиная со второго года вегетации мискантус характеризуется следующим химическим составом (в м.д.): целлюлоза 49,4-55,5 %; лигнин 18,5-25,1 %; пентозаны 17,4-22,6 %; зольность 0,96-2,63 %; жиро-восковая фракция 0,3-0,8 %. При минимальных среднегодовых температурах (1,0-2,6)°С для континентального и резкоконтинентального климата растения-одногодки содержат 43,2-44,4 % целлюлозы; ри максимальной среднегодовой температуре для областей умеренно континентального климата (7,9-8,7 °С) содержание целлюлозы составляет 52,3-53,5 %. Содержание целлюлозы повышается с увеличением возраста плантации.
Обнаружено, что фундаментальной физиологической особенностью мискантуса являются различия в химическом составе стеблей и листьев. В стебле больше целлюлозы и лигнина, чем в листе и меньше остальных нецеллюлозных компонентов: золы, пентозанов и жировосковой фракции.
Нами впервые составлена база данных химического состава образцов мискантуса гигантского РФ и установлено, что возраст плантации, сорт, условия местопроизрастания и климатические особенности оказывают влияние на химический состав растений.
1.5.2 Исследованы и разработаны способы получения прекурсоров для химической функционализации и субстратов для биотехнологической трансформации, определены ключевые параметры высокоэффективных процессов
Для получения прекурсоров и субстратов были применены авторские способы получения обогащенных целлюлозой полупродуктов и продуктов: 1) обработка HNO3 с получением лигноцеллюлозного материала; 2) обработка HNO3, затем NaОН с получением азотнокислой целлюлозы; 3) обработка NaОН с получением продукта щелочной делигнификации; 4) обработка NaОН, затем HNO3 с получением модифицированной целлюлозы. Все процессы проводились при атмосферном давлении с использованием разбавленных 4 мас.% растворов.
В лабораторных условиях отмечено наличие в полупродуктах до 12 % непровара, что объясняется морфологией мискантуса гигантского: он имеет толстый, крепкий стебель до 2 см в диаметре и прочные междоузлия. Следовательно, требуется более тщательное измельчение сырья и ужесточение режимов обработки. Пятикратное измельчение и повышение продолжительности обработки в лабораторных условиях не принесли положительных результатов. В связи с форсмажорными обстоятельствами было принято решение провести наработку полупродуктов и продуктов в условиях опытно-промышленного производства, что не было предусмотрено планом работ и потребовало значительных усилий коллектива, так процесс проводился круглосуточно. Было задействовано стандартное емкостное оборудование объёмом 250 л, разовая загрузка сырья составила 10 кг, наработано 4 партии. Для повышения эффективности измельчения сырья конструкция измельчителя была доработана, после 3 «прогонов» фракция с размером частиц свыше 12 мм составляла не более 10 %.
Целлюлозы, выделенные в условиях опытного производства, характеризуются несколько заниженными массовыми долями альфа-целлюлозы, степени полимеризации и выхода по сравнению с лабораторными образцами. К достоинствам следует отнести отсутствие непровара, а также крайне низкое содержание нецеллюлозных компонентов.
В связи с химической чистотой целлюлоза, полученная азотнокислым способом, в дальнейшем будет использована для химической функционализации, а целлюлоза, полученная модифицированным способом – для получения бумаги. На оба способа разработаны технологические инструкции.
Впервые была проведена оценка бумагообразующей способности целлюлозы, полученной модифицированным способом, в ИТЦ «СТПБС» САФУ им. М.В. Ломоносова. Положительные результаты отражены в Акте испытаний, целлюлоза рекомендована для производства формованных изделий для пищевой промышленности, а также в качестве добавки в композиции высококачественных писче-печатных видов бумаг.
1.5.3 Анализ полученных результатов и выбор стратегии получения широкого спектра продуктов путем химической и биотехнологической трансформации для научного обоснования подходов, направленных на максимальное снижение углеродного следа
Установлено, что мискантус гигантский, начиная со второго года вегетации, является перспективным целлюлозосодержащим сырьем с м.д. целлюлозы на уровне 49,4-55,5 %, что превышает показатели древесины. Сырьё соответствует концепции снижения углеродного следа.
Разработаны способы получения целлюлозы высокого качества, пригодной для химической функционализации (азотнокислый способ получения), целлюлозы для бумажной промышленности (модифицированный щелочной способ получения) и субстратов для дальнейшей биотехнологической трансформации.
Выход редуцирующих веществ от массы субстрата при биокаталитической трансформации полупродуктов и продуктов составил от 33,3 % до 62,4 %, что недостаточно для последующей эффективной переработки. Полученные результаты являются непредсказуемыми, так как химически чистые субстраты оказались недостаточно ферментабельными.
При выполнении работ задействовано приобретённое за счет проекта оборудование: колбонагреватель LH-150, Liop, РФ (определение пентозанов и жиро-восковой фракции); бокс абактериальный воздушной среды БАВнп-01-«Ламинар-С»-1,5 Lorica, ЗАО «Ламинарные системы», РФ (пересевы штаммов микроорганизмов для работы в 2023-2024 гг.).
1.5.4 Подготовка текущих результатов к публикациям в сборниках международных конференций, подготовка публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus)
Полученные в 2022 г результаты опубликованы в трех статьях, индексируемых в базах данных Web of Science Core Collection или Scopus: «Plants» (IF =4.658, WoS Q1) https://doi.org/10.3390/plants11202791, «Ecology and Industry of Russia» (SJR=0.48, Scopus Q2) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-3-383-393, «Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology» (WoS Q4) https://doi.org/10.18412/1816-0395-2022-11-55-59. При действии повышающих коэффициентов в отношении публикации в случае принадлежности издания к Q1 или Q2, в 2022 году достигнуто количество баллов пять вместо двух по плану, таким образом, план по публикациям перевыполнен.
Результаты, достигнуты в ходе выполнения Проекта популяризированы на Всероссийской конференции http://www.bti.secna.ru/news/sotrudniki-iphet-so-ran-s-n-s-ispolniteli-granta-rossijskogo-nauchnogo-fonda-vystupili-s-ustnymi-dokladami-na-konferentsii-tehnologii-i-oborudovanie-himicheskoj-biotehnologicheskoj-i-pishhevoj-promys/; в научной среде https://www.sbras.ru/ru/news/49144.
1.5.5 Сотрудничество.
В рамках гранта исполнители проекта активно сотрудничают с следующими фермерами-поставщиками мискантуса гигантского, юридическими лицами, институтами и организациями: ООО «Ре:форма» (г. Калуга), ООО «Мастер Брэнд» (г. Москва), КФХ Савченко В.В. (г. Брянск), ООО «Калагра фарм» (г. Калининград), ПГАУ (г. Пенза), Зинченко Владимир Александрович (Украина, г. Житомир), СибНИИРС (г. Новосибирск), АГАУ (г. Барнаул), ООО «Сибгипробум» (г. Иркутск), САФУ им. М.В. Ломоносова (г. Архангельск). Аграрии выразили руководителю проекта благодарность за определение химического состава мискантуса гигантского и крайнюю заинтересованность в продолжении сотрудничества, что подтверждает высокую прикладную значимость проекта. http://xn--l1aaih.xn--p1ai/%20new-podrobno.htm; http://xn--l1aaih.xn--p1ai/new.htm; http://мспм.рф/new.htm
Публикации
1. Гисматулина Ю.А., Будаева В.В., Кортусов А.Н., Кащеева Е.И., Гладышева Е.К., Миронова Г.Ф , Скиба Е.А., Шавыркина Н.А., Корчагина А.А., Золотухин В.Н., Сакович Г.В. Evaluation of Chemical Composition of Miscanthus х giganteus Raised in Different Climate Regions in Russia Plants, 11, 2791 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.3390/plants11202791
2. Гисматулина Ю.А., Кортусов А.Н., Будаева В.В., Сакович Г.В. Study of Chemical Composition of an Industrial Crop for Russia – Miscanthus х giganteus Harvested in 2019–2021 Ecology and Industry of Russia, Vol. 26. Iss. 11. P. 55–59. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.18412/1816-0395-2022-11-55-59
3. Скиба Е.А., Кортусов А.Н., Гисматулина Ю.А. Разработка способов химической предобработки мискантуса для последующей биотехнологической трансформации в ценные продукты Актуальная биотехнология, № 1. С. 318-321. (год публикации - 2022)
4. Шавыркина Н.А., Гисматулина Ю.А. Перспективы промышленного использования культуры Miscanthus для снижения углеродного следа Актуальная биотехнология, № 1. С. 354-355. (год публикации - 2022)
5. Шавыркина Н.А., Гисматулина Ю.А., Будаева В.В. Prospects for chemical and biotechnological processing of miscanthus Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology, Т. 12. N 3. С. 383–393. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-3-383-393
6. Будаева В.В., Севастьянова Ю.В., Кортусов А.Н., Золотухин В.Н., Гисматулина Ю.А., Сакович Г.В. Лабораторные образцы бумаги из целлюлозы мискантуса сорта КАМИС Материалы ХII Всероссийской научной конференции с международным участием и школой молодых ученых «Химия и технология растительных веществ, 29 ноября-02 декабря 2022, г. Киров., С. 26 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.19110/00919-045
7. Гисматулина Ю.А., Кортусов А.Н. Потенциал мискантуса гигантского в качестве источника целлюлозы Материалы ХII Всероссийской научной конференции с международным участием и школой молодых ученых «Химия и технология растительных веществ, 29 ноября-02 декабря 2022, г. Киров, С. 41 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.19110/00919-045
8. Гисматулина Ю.А., Кортусов А.Н. Новые данные о химическом составе мискантуса гигантского урожаев 2019-2021 гг. Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, С. 97-102. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25699/tohbipp.2022.23.12.041
9. Гладышева Е.К., Кащеева Е.И. Биосинтез бактериальной целлюлозы на ферментативном гидролизате мискантуса (Miscanthus x giganteus) Материалы ХII Всероссийской научной конференции с международным участием и школой молодых ученых «Химия и технология растительных веществ, 29 ноября-02 декабря 2022, г. Киров, С. 42 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.19110/00919-045
10. Корчагина А.А., Гисматулина Ю.А., Кортусов А.Н., Золотухин В.Н. Мискантус «Фортис» и целлюлоза, полученная из него Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, С. 106-110. (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25699/tohbipp.2022.79.52.022
11. Шавыркина Н.А. Исследование возможности получения молочной кислоты из мискантуса Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, С. 360-364 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25699/tohbipp.2022.87.98.042
12. Шилов А.И., Шавыркина Н.А. Использование мискантусной послеспиртовой барды для биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, С. 356-360 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.25699/tohbipp.2022.23.12.041
13. - Ученые ИПХЭТ СО РАН одержали победу в конкурсе РНФ 2022 Сайт Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук [Электронный ресурс], http://www.ipcet.ru/index.php/institut/novosti/558-uchenye-ipkhet-so-ran-oderzhali-pobedu-v-konkurse-rnf-2022 11.04.22 (год публикации - )
14. - Коллектив лаборатории биоконверсии ИПХЭТ СО РАН под руководством академика Саковича – единственный в крае победитель федерального конкурса научных проектов РНФ Сайт Наш Бийск [Электронный ресурс], https://nb22.ru/gorod/kollektiv-laboratorii-biokonversii-iphet-so-ran-pod-rukovodstvom-akademika-sakovicha-edinstvennyj-v-krae-pobeditel-federalnogo-konkursa-nauchnyh-proektov-rnf.html 13.04.22 (год публикации - )
15. - Коллектив лаборатории биоконверсии ИПХЭТ СО РАН под руководством академика Саковича – единственный в крае победитель федерального конкурса научных проектов РНФ Сайт Межрегиональный союз производителей мискантуса [Электронный ресурс], http://xn--l1aaih.xn--p1ai/%20new-podrobno.htm 13.04.22 (год публикации - )
16. - Академику Геннадию Саковичу присуждена премия имени Петра Великого Сайт Сибирское отделение Российской академии наук [Электронный ресурс], http://www.sbras.ru/ru/news/48188 08.05.2022 (год публикации - )
17. - Впервые присуждена премия Правительства Российской Федерации имени Петра Великого академику Российской академии наук Геннадию Викторовичу Саковичу Сайт Управление Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям [Электронный ресурс], https://upp.alregn.ru/info/22259/ 11.05.2022 (год публикации - )
18. - Житель Алтайского края Геннадий Сакович удостоен премии Правительства Российской Федерации имени Петра Великого Сайт Официальный сайт Алтайского края [Электронный ресурс], https://www.altairegion22.ru/region_news/zhitel-altaiskogo-kraya-gennadii-sakovich-udostoen-premii-pravitelstva-rossiiskoi-federatsii-imeni-petra-velikogo_985334.html 12.05.2022 (год публикации - )
19. - Алтайский академик стал первым в стране лауреатом новой государственной премии имени Петра Великого Сайт Вести Алтай [Электронный ресурс], https://vesti22.tv/news/altayskiy-akademik-stal-pervym-v-strane-laureatom-novoy-gosudarstvennoy-premii-imeni-petra-velikogo/?sphrase_id=35692 12.05.2022 (год публикации - )
20. - Сотрудники ИПХЭТ СО РАН исполнители гранта Российского научного фонда выступили с устными докладами на конференции «Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности» Сайт Бийского технологического института [Электронный ресурс], http://www.bti.secna.ru/news/sotrudniki-iphet-so-ran-s-n-s-ispolniteli-granta-rossijskogo-nauchnogo-fonda-vystupili-s-ustnymi-dokladami-na-konferentsii-tehnologii-i-oborudovanie-himicheskoj-biotehnologicheskoj-i-pishhevoj-promys/ 26.05.2022 (год публикации - )
21. - Основной исполнитель гранта РНФ Гисматулина Ю.А. поощрена благодарственным письмом от Управления Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям Сайт Сибирское отделение Российской академии наук [Электронный ресурс], https://www.sbras.ru/ru/news/48349 30.05.2022 (год публикации - )
22. - Ученый ИПХЭТ СО РАН поощрен благодарственным письмом от Управления Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям Сайт Информационный портал «От Биопродуктов к Биоэкономике» [Электронный ресурс], https://www.altaibiotech.ru/news/653/ 31.05.2022 (год публикации - )
23. - Представлены первые результаты исследования химического состава мискантуса гигантского сорта «КАМИС» Сайт Межрегиональный союз производителей мискантуса [Электронный ресурс], http://xn--l1aaih.xn--p1ai/new.htm 09.06.2022 (год публикации - )
24. - Научные результаты выполнения в 2022 году гранта РНФ № 22-13-00107 опубликованы в журнале первой квартили Сибирское отделение Российской академии наук [Электронный ресурс], https://www.sbras.ru/ru/news/49144 27.10.2022 (год публикации - )
25. - Научные результаты выполнения в 2022 году гранта РНФ № 22-13-00107 опубликованы в журнале первой квартили Межрегиональный союз производителей мискантуса [Электронный ресурс], http://мспм.рф/new.htm 27.10.2022 (год публикации - )
26. - Обзор о переработке мискантуса опубликован в 2022 году Межрегиональный союз производителей мискантуса [Электронный ресурс], http://мспм.рф/биотехнологическойпереработкиi.htm (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе реализации 2-го этапа проекта РНФ «Фундаментальные подходы к переработке технической культуры мискантус в ценные материалы и биопродукты для снижения углеродного следа» (соглашение № 22-13-00107) план НИР перевыполнен, план по публикациям перевыполнен.
1.5.1 Синтез нитратов целлюлозы в качестве фундаментального примера химической функционализации
Впервые из мискантуса гигантского синтезированы нитраты целлюлозы. Использовано два сорта мискантуса отечественной селекции – КАМИС и ФОРТИС для выделения целлюлозы авторским азотнокислым способом. Полученные образцы целлюлозы характеризуются высоким качеством: м.д. альфа-целлюлозы 92,8 и 94,6 %, степень полимеризации 1200 и 1600, суммарная м.д. нецеллюлозных компонентов 3,13 и 3,80 %.
Синтезированные нитраты целлюлозы характеризуются выходом – 150 и 142 % и близкими показателями: м.д. азота – 11,18 и 11,13 %, вязкостью – 48 и 58 мПа·с, растворимостью в спиртоэфирной смеси – 94 %, м.д. золы – 0,13 и 0,11 %; 100 %-ной растворимостью в ацетоне, высокими значениями температуры начала интенсивного разложения – 201 и 202 °С, удельной теплотой разложения – 6,99 и 8,28 кДж/г, при этом термическое разложение составляет 93 и 95%, что свидетельствует о высокой химической чистоте синтезированных нитратов целлюлозы.
1.5.2 Разработка способа одновременного получения целлюлозы в качестве прекурсора нитратов целлюлозы и питательной среды для микробиологического синтеза
Проверена научная гипотеза возможности одновременного получения двух независимых друг от друга продуктов из мискантуса гигантского, а именно, продукта химической модификации целлюлозы – нитратов целлюлозы и продукта биосинтеза – бактериальной целлюлозы.
Целлюлоза трижды подвергалась биокаталитическому гидролизу в течение 2, 8 и 24 ч (Ц2, Ц8 и Ц24) с получением твердых остатков – образцов целлюлозы и жидких продуктов – гидролизатов для питательных сред для биосинтеза. Полученные нитраты целлюлозы с предельно высокой 100 %-ной растворимостью и м.д. азота 11,35-11,83 %. Наличие нитрогрупп подтверждено ИК-спектроскопией, чистота энергетических биополимеров– методом ТГА/ДТА. Увеличение продолжительности биокаталитического гидролиза от 2 до 24 ч привело к повышению выхода нитратов целлюлозы от 116 до 131 %, м.д. азота с 11,35 до 11,83 % и вязкости с 94 до 119 мПа·с.
На питательных средах на основе гидролизатов, Ц8 и Ц24 ч получены высококачественные образцы бактериальной целлюлозы с шириной нанофибрилл 65,0 и 81,0 нм, с высокими степенью полимеризации 2100 и 2300 и выходом 11,1 и 9,6 %.
Гипотеза подтверждена. Полученные результаты не имеют мировых аналогов.
1.5.3 Разработка различных сортов бумаги, определение ее основных структурно-размерных, прочностных и деформационных характеристик с рекомендациями областей применения, включая одноразовую посуду, совместно с профильным институтом САФУ им. Ломоносова г. Архангельск
Традиционные для древесины методы выделения целлюлозы неприемлемы для мискантуса гигантского, поэтому нами предложен модифицированный щелочной способ, позволяющий получить целлюлозу с высокими бумагообразующими свойствами. В ИТЦ «СТПБС» САФУ им. М.В. Ломоносова испытано 7 образцов целлюлозы. В результате совместной работы найдены режимы, позволяющие получить целлюлозу с длиной волокна 0,502-0,595 мм, с м.д. пентозанов до 10,8-11,2 % и СП до 1300-1650, а из неё бумагу с разрывной длиной 3700 м, что превышает опубликованные показатели для мискантуса (Акт испытаний САФУ от 16.10.2023 г).
Установлено, что введение в состав бумаги из мискантуса гигантского 5 и 15 % бактериальной целлюлозы приводит к повышению разрывной длины в 1,6 и 1,4 раза, снижению воздухопроницаемости в 1,4 и 2,8 раза, снижению анизотропии с 1,83 до 1,19 и 1,06, соответственно, то есть бумага обладает повышенными барьерными свойствами (Акт испытаний от 10.07.2023 г.).
В СибГТУ им. М.Ф. Решетнева (г. Красноярск) изготовлены два вида картона (75 и 150-170 г/м2, разрывная длина 3400 м) и изделие «кофейная тарелочка» (Акт испытаний от 30.11.2023).
На основании актов сторонних организаций установлено, что целлюлоза пригодна для изготовления бумажных изделий ассортимента одноразовой посуды, а разработанный способ рекомендован к использованию для производства формованных бумажных изделий.
1.5.4 Исследование биокаталитического гидролиза полисахаридов мискантуса после предварительной обработки в питательные среды для биосинтеза этанола, бактериальной целлюлозы, молочной кислоты
Впервые исследован биокаталитический гидролиз с помощью целлюлолитических препаратов четырёх продуктов химической предобработки мискантуса гигантского при начальной концентрации субстрата 30, 60, 90 и 120 г/л. Все виды предобработок очень эффективны, т.к. обеспечивает повышение реакционной способности биокаталитическому гидролизу в 31-36 раз. Повышение концентрации субстрата от 30 до 120 г/л приводит к снижению выхода сахаров на 9-14 %. Установлено, что все полученные гидролизаты являются преимущественно глюкозными – вклад пентоз в общую концентрацию сахаров не превышает 10 %. Достигнутых концентраций сахаров достаточно для успешной трансформации полученных растворов в биоэтанол, бактериальную наноцеллюлозу и молочную кислоту.
1.5.5 Подготовка текущих результатов к публикациям в сборниках международных конференций, подготовка публикаций в изданиях, индексируемых в базах данных «Сеть науки» (Web of Science Core Collection) или «Скопус» (Scopus), включая высокорейтинговые
Полученные в 2023 г результаты опубликованы в трех статьях, индексируемых в базах WoS или Scopus: из которых две статьи – в журналах WoS Q1 с IF=5.6 (International Journal of Molecular Sciences) https://doi.org/10.3390/ijms241613001 и IF=5.0 (Polymers) https://doi.org/10.3390/polym15143097, третья статья в издании WoS Q4 с IF=0.04 (Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2023-13-3-392-401. При действии повышающих коэффициентов в отношении публикации в издании WoS Q1, в 2023 году достигнуто количество баллов пять вместо четырех по плану, таким образом, план по публикациям перевыполнен.
Важнейшие научные достижения по проекту за 2022 год включены в отчетные материалы Научного совета РАН по органической химии https://zioc.ru/images/site/otchyotnyie-materialyi-nauchnogo-soveta-ran-po-organicheskoj-ximii-2022.pdf. Практическая значимость результатов подтверждена четырьмя актами испытаний.
Результаты, достигнутые в ходе выполнения Проекта популяризированы на 9 конференциях и 1 конгрессе: https://www.sbras.ru/ru/news/50313, https://www.mbio.bas-net.by/2023/display_oral_report.php?report_id=20230330-115212_396, https://www.mbio.bas-net.by/2023/display_oral_report.php?report_id=20230330-080124_430, http://ipcet.ru/index.php/institut/novosti/588-rezultaty-granta-rnf-22-13-00107, https://www.sbras.ru/ru/news/50132, https://altaibiotech.ru/news/898/, https://upp.alregn.ru/info/23653/; в научной среде https://www.sbras.ru/ru/news/50845, http://xn--l1aaih.xn--p1ai/new.htm.
1.5.6 Перевыполнение плана на 2023 год:
Расширена база данных химического состава мискантуса гигантского в зависимости от региона РФ и возраста плантации. Установлено, что независимо от местопроизрастания, начиная со второго года вегетации мискантус способен накапливать до 40-55% целлюлозы.
Впервые в мире из целлюлозы, выделенной из мискантуса гигантского получены прядильные растворы и лиоцелл волокна, не уступающие волокнам из древесной целлюлозы. Работа выполнена в ИНХС РАН им. А.В. Топчиева (г. Москва), получен Акт испытаний от 16.10.2023 г.
1.5.7 Сотрудничество.
Расширено сотрудничество с представителями бизнеса, выращивающими мискантус (4 новых предприятия). Аграрии выразили руководителю проекта благодарности за мониторинг качества мискантуса гигантского и его популяризацию https://www.sbras.ru/ru/news/50933, https://misc.farm/news/bakterialnaya-nanoczellyuloza-iz-miskantusa-sdelano-v-rossii/.
Публикации
1. Корчагина А.А. Synthesis of cellulose nitrates from Miscanthus × giganteus var. KAMIS cellulose obtained under pilot production conditions Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology, 13(3), 393-402 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2023-13-3-392-401
2. Миронова Г.Ф., Будаева В.В., Скиба Е.А., Гисматулина Ю.А., Кащеева Е.И., Сакович Г.В. Recent Advances in Miscanthus Macromolecule Conversion: A Brief Overview International Journal of Molecular Sciences, 24, 13001 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ijms241613001
3. Шавыркина Н.А., Будаева В.В., Скиба Е.А., Гисматулина Ю.А., Сакович Г.В. Review of Current Prospects for Using Miscanthus-Based Polymers Polymers, 15, 3097 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/polym15143097
4. Будаева В.В. Возможности переработки мискантуса гигантского Материалы XVIII Международной научно-практической конференции "Аграрная наука – сельскому хозяйству", 9-10 февраля 2023, Барнаул: РИО Алтайского ГАУ, Кн. 1. С. 205-207 (год публикации - 2023)
5. Гисматулина Ю.А., Кортусов А.Н., Будаева В.В. Целлюлоза, выделенная азотнокислым способом из мискантуса гигантского в опытно-промышленных условиях, в качестве прекурсора нитратов целлюлозы Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии. Тезисы докладов VII Всероссийской молодёжной школы-конференции, 16-18 мая 2023, г. Омск. Новосибирск: ИК СО РАН, С. 88-89 (год публикации - 2023)
6. Гисматулина Ю.А., Корчагина А.А. Нитраты целлюлозы из целлюлозы, полученной в опытно-промышленных условиях из мискантуса сорта КАМИС Перспективы развития фундаментальных наук: сборник научных трудов XX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 25-28 апреля 2023, г. Томск. Томск: изд-во Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Том 2. С. 52-54 (год публикации - 2023)
7. Гладышева Е.К. Энергетическая культура – мискантус сорта Камис как источник углерода для биосинтеза бактериальной целлюлозы Байкальские чтения - 2023: материалы Международной конференции по химии, 4-8 сентября 2023, г. Иркутск. Иркутск: Изд-во Иркутский институт химии им. А.Е. Фаворского СО РАН, С. 236 (год публикации - 2023)
8. Гладышева Е.К., Кащеева Е.И., Гисматулина Ю.А. Микробиологический синтез бактериальной целлюлозы продуцентом Medusomyces gisevii SA-12 на ферментативных гидролизатах мискантуса сорта КАМИС Перспективы развития фундаментальных наук: сборник научных трудов XX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 25-28 апреля 2023, г. Томск. Томск: изд-во Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Том 4. С. 33-35 (год публикации - 2023)
9. Зенкова А.А., Гладышева Е.К., Шавыркина Н.А. Зависимость выхода бактериальной наноцеллюлозы от способа предварительной химической обработки мискантуса сорта КАМИС Материалы XVI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 24-26 мая 2023, г. Бийск. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, C. 263-267 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25699/tohbipp.2023.87.29.030
10. Кащеева Е.И., Гладышева Е.К., Гисматулина Ю.А., Будаева В.В. Зависимость степени полимеризации целлюлозы и выхода редуцирующих веществ от продолжительности ферментативного гидролиза целлюлозы мискантуса Биокатализ. Фундаментальные исследования и применения: тезисы докладов 13-ой Международной научной конференции, 25-29 июня 2023, г. Суздаль. Москва: изд-во "Адмирал принт", С. 236 (год публикации - 2023)
11. Кащеева Е.И., Золотухин В.Н., Кортусов А.Н. Биокаталитический гидролиз полисахаридов мискантуса гигантского при различных начальных концентрациях субстрата Материалы XVI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 24-26 мая 2023, г. Бийск. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, С. 305-307 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25699/tohbipp.2023.33.34.040
12. Корчагина А.А., Будаева В.В., Золотухин В.Н. Нитрование целлюлозы мискантуса Фортис как пример химической функционализации Химия под знаком СИГМА: исследования, инновации, технологии. Тезисы докладов VII Всероссийской молодёжной школы-конференции, 16-18 мая 2023, г. Омск. Новосибирск: ИК СО РАН, С. 93-94 (год публикации - 2023)
13. Милютин М.А., Шавыркина Н.А., Кортусов А.Н. Содержание лигнина в образцах листа и стебля Miscanthus × Giganteus сорта ФОРТИС Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Актуальные проблемы химии, биотехнологии и сферы услуг", 27-28 апреля 2023, г. Иркутск. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, С. 8-12 (год публикации - 2023)
14. Скиба Е.А. Биотехнологическая трансформация мискантуса гигантского Материалы XIII Международной научной конференции "Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты", 6-9 июня 2023, Минск: Беларуская навука, С. 399-400 (год публикации - 2023)
15. Скиба Е.А. Биокаталитический гидролиз полисахаридов мискантуса после предварительной обработки Биокатализ. Фундаментальные исследования и применения: тезисы докладов 13-ой Международной научной конференции, 25-29 июня 2023, г. Суздаль. Москва: изд-во "Адмирал принт", С. 249 (год публикации - 2023)
16. Шавыркина Н.А. Стратегия снижения углеродного следа через биокаталитическую переработку мискантуса Биокатализ. Фундаментальные исследования и применения: тезисы докладов 13-ой Международной научной конференции, 25-29 июня 2023, г. Суздаль. Москва: изд-во "Адмирал принт", С. 251 (год публикации - 2023)
17. Шавыркина Н.А. Энергетическая культура Miscanthus как инструмент достижения углеродной нейтральности Материалы XVI Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 24-26 мая 2023, г. Бийск. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, С. 286-289 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.25699/tohbipp.2023.43.48.034
18. Шавыркина Н.А. Фундаментальные подходы получения биопродуктов из мискантуса для снижения углеродного следа Материалы XIII Международной научной конференции "Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты", 6-9 июня 2023, Минск: Беларуская навука, С. 405-406 (год публикации - 2023)
19. - Лучшим учёным Алтайского края сегодня вручили денежные премии Сайт Вести Алтай [Электронный ресурс], https://vesti22.tv/news/luchshim-uchyenym-altayskogo-kraya-segodnya-vruchili-denezhnye-premii/ 15.02.23 (год публикации - )
20. - Молодые ученые ИПХЭТ СО РАН представили результаты проекта РНФ по химической и биотехнологической переработке мискантуса гигантского Сайт Сибирского отделения Российской академии наук [Электронный ресурс], https://www.sbras.ru/ru/news/50132 03.05.23 (год публикации - )
21. - Одновременное получение нитратов целлюлозы и продукта биосинтеза из мискантуса гигантского Сайт ИПХЭТ СО РАН [Электронный ресурс], http://ipcet.ru/index.php/institut/novosti/588-rezultaty-granta-rnf-22-13-00107 25.05.23 (год публикации - )
22. - Ученый ИПХЭТ СО РАН представила ключевую роль мискантуса в достижении углеродной нейтральности на научной конференции Сайт Бийского технологического института [Электронный ресурс], http://www.bti.secna.ru/news/uchenyj-iphet-so-ran-predstavila-klyuchevuyu-rol-miskantusa-v-dostizhenii-uglerodnoj-nejtralnosti-na-nauchnoj-konferentsii/ 06.06.23 (год публикации - )
23. - Материалы устного доклада «Биотехнологическая трансформация мискантуса гигантского» Сайт XIII Международной научной конференции «Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты» [Электронный ресурс], https://www.mbio.bas-net.by/2023/display_oral_report.php?report_id=20230330-115212_396 10.06.23 (год публикации - )
24. - Материалы устного доклада «Фундаментальные подходы получения биопродуктов из мискантуса для снижения углеродного следа» Сайт XIII Международной научной конференции «Микробные биотехнологии: фундаментальные и прикладные аспекты» [Электронный ресурс], https://www.mbio.bas-net.by/2023/display_oral_report.php?report_id=20230330-080124_430 10.06.23 (год публикации - )
25. - Обмен опытом среди исполнителей гранта РНФ из ИПХЭТ СО РАН и студентов РХТУ им. Д.И. Менделеева Сайт Сибирского отделения Российской академии наук [Электронный ресурс], https://www.sbras.ru/ru/news/50290 11.06.23 (год публикации - )
26. - Представлены первые результаты определения химического состава образцов мискантуса гигантского (Miscanthus х giganteus), выращенных в России в 2019-2021 гг. Отчётные материалы Научного совета РАН по органической химии (2022) [Электронный ресурс], https://zioc.ru/images/site/otchyotnyie-materialyi-nauchnogo-soveta-ran-po-organicheskoj-ximii-2022.pdf 13.06.23 (год публикации - )
27. - Делегация учёных из Сибирского отделения РАН посетила Беларусь Сайт Сибирского отделения Российской академии наук [Электронный ресурс], https://www.sbras.ru/ru/news/50313 16.06.23 (год публикации - )
28. - Опубликованы два обзора о возможностях переработки энергетического растения мискантус Сайт Сибирского отделения Российской академии наук [Электронный ресурс], https://www.sbras.ru/ru/news/50845 12.10.23 (год публикации - )
29. - Два обзора о возможностях переработки энергетического растения мискантус в мировой углерод-нейтральной биоэкономике опубликованы в 2023 году в журналах первой квартили Сайт Межрегионального союза производителей мискантуса [Электронный ресурс], http://xn--l1aaih.xn--p1ai/new.htm 17.10.23 (год публикации - )
30. - Фундаментальные научные разработки в сфере промышленной биотехнологии представлены в Москве на Всероссийском конгрессе Сайт Информационный портал «От Биопродуктов к Биоэкономике» [Электронный ресурс], https://altaibiotech.ru/news/898/ 01.11.23 (год публикации - )
31. - Фундаментальные научные разработки в сфере промышленной биотехнологии представлены в Москве на Всероссийском конгрессе Сайт Управления Алтайского края по пищевой, перерабатывающей, фармацевтической промышленности и биотехнологиям [Электронный ресурс], https://upp.alregn.ru/info/23653/ 01.11.23 (год публикации - )
32. - Бактериальная наноцеллюлоза из мискантуса. Сделано в России! Сайт Первый питомник [Электронный ресурс], https://misc.farm/news/bakterialnaya-nanoczellyuloza-iz-miskantusa-sdelano-v-rossii/ 02.11.23 (год публикации - )
33. - Чудо-растение мискантус и бактериальная наноцеллюлоза в ТВ-передаче «Конструкторы будущего» Сайт Сибирского отделения Российской академии наук [Электронный ресурс], https://www.sbras.ru/ru/news/50933 04.11.23 (год публикации - )
34. - Стали известны победители краевого конкурса «Интеллектуальный капитал Алтая» Официальный сайт Алтайского края [Электронный ресурс], https://www.altairegion22.ru/region_news/stali-izvestny-pobediteli-kraevogo-konkursa-intellektualnyi-kapital-altaya_1072853.html 21.11.23 (год публикации - )
35. - Подведены итоги ежегодного конкурса «Интеллектуальный капитал Алтая» в 2023 году Сайт ИПХЭТ СО РАН [Электронный ресурс], http://ipcet.ru/index.php/institut/novosti/602-podvedeny-itogi-ezhegodnogo-konkursa-intellektualnyj-kapital-altaya-v-2023-godu 22.11.23 (год публикации - )