Фундаментальные подходы к переработке технической культуры мискантус в ценные материалы и биопродукты для снижения углеродного следа

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 проекта 22-13-00107

НазваниеФундаментальные подходы к переработке технической культуры мискантус в ценные материалы и биопродукты для снижения углеродного следа

Руководитель Сакович 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

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 слова углеродный 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
10.3390/plants11202791

2. 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)
10.21285/2227-2925-2022-12-3-383-393

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. 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)
10.25699/tohbipp.2022.87.98.042

6. 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)
10.25699/tohbipp.2022.23.12.041

7. 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)
10.25699/tohbipp.2022.79.52.022

8. 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)
10.25699/tohbipp.2022.23.12.041

9. 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)
10.19110/00919-045

10. 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)
10.19110/00919-045

11. 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)
10.19110/00919-045

12. 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)
10.3390/polym15143097

13. 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)
10.3390/ijms241613001

14. 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)
10.21285/2227-2925-2023-13-3-392-401

15. 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)

16. 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)

17. 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)

18. 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)

19. 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)

20. 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)

21. 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)

22. 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)

23. 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)

24. 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)

25. 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)

26. 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)
10.25699/tohbipp.2023.87.29.030

27. 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)
10.25699/tohbipp.2023.43.48.034

28. 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)
10.25699/tohbipp.2023.33.34.040

29. 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)

30. 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)
10.18412/1816-0395-2022-11-55-59

31. Будаева В.В., Севастьянова Ю.В., Гисматулина Ю.А., Скорнякова А.В., Кортусов А.Н., Золотухин В.Н., Сакович Г.В. Оценка бумагообразующей способности целлюлозы из мискантуса гигантского Экология и промышленность России (год публикации - 2024)

32. Будаева В.В., Скиба Е.А., Гисматулина Ю.А. Многофункциональная целлюлоза из альтернативного ежегодно возобновляемого сырья – мискантуса Наука и технологии Сибири, 3 (14), 50-54 (год публикации - 2024)

33. Скиба Е.А., Кащеева Е.И., Золотухин В.Н., Кухленко А.А. Ферментативный гидролиз высококонцентрированных субстратов, полученных из мискантуса гигантского Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology, 14 (3), 394-405 (год публикации - 2024)
10.21285/achb.933

34. Горбатова П.А. Биосинтез бактериальной наноцеллюлозы и её функционализация с целью получения продуктов медицинского назначения Актуальная биотехнология , 1 (35) (год публикации - 2024)

35. Зенкова А.А. Получение наноразмерной бактериальной целлюлозы из растительной целлюлозы, выделенной из Miscanthus x giganteus сорта КАМИС Российской селекции Актуальная биотехнология, 1 (35) (год публикации - 2024)

36. Скиба Е.А. Материальный баланс процессов получения биотехнологических продуктов из биомассы мискантуса гигантского Актуальная биотехнология, 1 (35) (год публикации - 2024)

37. Будаева В.В., Гисматулина Ю.А., Золотухин В.Н., Кортусов В.Н., Севастьянова Ю.В. Традиции и новые направления химической переработки мискантуса гигантского Аграрная наука – сельскому хозяйству: сборник материалов XIX Международной научно-практической конференции: в 2 кн., 8-9 февраля 2024 г., г. Барнаул. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2024., С. 165-168 (год публикации - 2024)

38. Гладышева Е.К., Кащеева Е.И., Зенкова А.А. Биосинтез бактериальной наноцеллюлозы на ферментативных гидролизатах мискантуса сорта «Камис» Актуальные проблемы органической химии: сборник тезисов Всероссийской молодежной научной школы-конференции, АПОХ-2024, 15-21 марта 2024 г., пос. Шерегеш, Кемеровская обл. Новосибирск: Изд-во Новосибирского института органической химии им. Н.Н. Ворожцова СО РАН, 2024., C. 154 (год публикации - 2024)

39. Шавыркина Н.А. Трансформация биомассы мискантуса в экономически ценные продукты Технологии и оборудование химической, биотехнологической и пищевой промышленности: материалы XVII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, 22-24 мая 2024 года, г. Бийск. Бийск: Изд-во Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова, 2024., С. 321-324 (год публикации - 2024)
10.25699/tohbipp.2024.81.40.046

40. Скиба Е.А., Шавыркина Н.А., Ян Ф., Хонг Ф.Ф., Будаева В.В. Complete Cycle from Feedstock Miscanthus Giganteus to Target Product Bacterial Nanocellulose Advances in Engineering Technology Research, 10 (1), 375-375 (год публикации - 2024)
10.56028/aetr.10.1.375.2024

41. Зенкова А.А. Зависимость степени полимеризации бактериальной наноцеллюлозы, полученной из мискантуса гигантского сорта КАМИС, от вида химической предварительной обработки Химия и технология растительных веществ: тезисы докладов XIII Международной научной конференции со школой молодых ученых, 28 мая-1 июня 2024 г., г. Сыктывкар. Сыктывкар: Изд-во Института химии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, 2024., С. 78 (год публикации - 2024)

42. Корчагина А.А. Ферментативный гидролиз целлюлозы из мискантуса как способ ее подготовки к нитрованию Высокоэнергетические и специальные материалы: антитерроризм, безопасность и гражданское применение: материалы XIX Международной конференции HEMs-2024, 12-13 сентября 2024 г. г. Томск , С. 65-67 (год публикации - 2024)

43. Гладышева Е.К., Кащеева Е.И. Биотехнологическая трансформация мискантуса сорта камис в высокоценную бактериальную наноцеллюлозу BIOAsia–Altai: материалы IV Международного биотехнологического форума. – 23-28 сентября 2024 г., г. Барнаул. Изд-во Алтайского государственного университета, 2024., Т.4, № 4. – С. 420-424 (год публикации - 2024)

44. Шавыркина Н.А. Расчет факторов экологичности биотехнологической трансформации мискантуса гигантского BIOAsia–Altai: материалы IV Международного биотехнологического форума. – 23-28 сентября 2024 г., г. Барнаул. Изд-во Алтайского государственного университета, 2024., Т.4, № 4. – С. 547-551 (год публикации - 2024)

45. Горбатова П.А., Шавыркина Н.А. Идеальные свойства бактериальной наноцеллюлозы для ее функционализации BIOAsia–Altai: материалы IV Международного биотехнологического форума. 23-28 сентября 2024 г., г. Барнаул. Изд-во Алтайского государственного университета, 2024., Т.4, № 4. – С. 425-429 (год публикации - 2024)

46. Скиба Е.А. Трансформация мискантуса гигантского в продукты биотехнологического синтеза: расчет материальных потоков BIOAsia–Altai: материалы IV Международного биотехнологического форума. 23-28 сентября 2024 г., г. Барнаул. Изд-во Алтайского государственного университета, 2024., Т.4, № 4. – С. 513-518 (год публикации - 2024)

47. Кащеева Е.И., Корчагина А.А., Гисматулина Ю.А., Гладышева Е.К., Будаева В.В., Сакович Г.В. Simultaneous Production of Cellulose Nitrates and Bacterial Cellulose from Lignocellulose of Energy Crop Polymers , 16, 42 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16010042

48. Шавыркина Н.А. Оценка экологичности процессов получения биотехнологических продуктов из биомассы мискантуса гигантского Актуальная биотехнология , 1 (35) (год публикации - 2024)

49. Ступина Л.А., Попов Е.С., Кортусов А.Н. Опыт возделывания мискантуса гигантского сорта КАМИС в условиях умеренно-засушливой колочной степи Алтайского края Вестник Алтайского государственного аграрного университета, 4 (234), 17-25 (год публикации - 2024)
10.53083/1996-4277-2024-234-4-17-25

50. Кортусов А.Н., Шавыркина Н.А., Ступина Л.А. Сравнение компонентного состава двух российских сортов мискантуса Перспективы внедрения инновационных технологий в АПК: сборник трудов III Всероссийской (Национальной) научно-практической конференции с международным участием, приуроченной к 80-летию агрономического факультета, 22 ноября 2023 года, г. Барнаул. Барнаул: Изд-во Алтайского государственного аграрного университета, С. 84-89 (год публикации - 2023)

51. Зенкова А.А. Особенности биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы из продукта щелочной делигнификации мискантуса гигантского BIOAsia–Altai: материалы IV Международного биотехнологического форума. 23-28 сентября 2024 г., г. Барнаул. Изд-во Алтайского государственного университета, 2024., Т.4, № 4. – С. 430-434 (год публикации - 2024)

52. Макаров И.С., Будаева В.В., Гисматулина Ю.А., Кащеева Е.И., Золотухин В.Н., Горбатова П.А., Сакович Г.В., Виноградов М.И., Пальчикова Е.Э., Левин И.С., Куличихин В.Г. Preparation of Lyocell Fibers from Solutions of Miscanthus Cellulose Polymers, 16, 2915 (год публикации - 2024)
10.3390/polym16202915

53. Зенкова А.А. Исследование процесса биосинтеза бактериальной наноцеллюлозы из продукта азотнокислой обработки мискантуса гигантского Механизмы адаптации микроорганизмов к различным условиям среды обитания: сборник трудов III Всероссийской научной конференции с международным участием, 15-22 сентября 2024 года, г. Байкальск. Изд-во. ИГУ, 2024., С. 229-230 (год публикации - 2024)

54. Шавыркина Н.А., Гладышева Е.К., Зенкова А.А., Скиба Е.А. Биотехнологическая трансформация биомассы мискантуса гигантского в бактериальную наноцеллюлозу Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology, 14 (4) (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе реализации 3-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. Впервые осуществлена биотехнологическая трансформация мискантуса гигантского российской селекции (сорт КАМИС), в продукты биотехнологического синтеза (биоэтанол, бактериальную наноцеллюлозу и молочную кислоту). Предобработка сырья была проведена при атмосферном давлении и температуре 90-96 °С авторскими способами в одну или две стадии с получением четырех продуктов химической предварительной обработки: 1) продукт азотнокислой обработки (ПАО) получен обработкой сырья 4 %-ным раствором НNO3 в одну стадию; 2) продукт щелочной делигнификации (ПЩД) получен обработкой сырья раствором 4 %-ного NaOH в одну стадию; 3) техническая целлюлоза, азотнокислый способ (ЦАС) получен в две стадии: путём обработки ПАО 4 %-ным раствором NaOH; 4) техническая целлюлоза, модифицированный щелочной способ (ЦМЩС) получен в две стадии: путём обработки ПЩД 4 %-ным раствором НNO3. По выходу субстрата от массы мискантуса, субстраты можно расположить в ряд: ПАО (50 %) >ПЩД (48 %) >ЦМЩС (38 %) >ЦАС (32 %). Лидером, обеспечивающим максимальный выход субстрата от массы сырья, является предобработка в одну стадию с помощью разбавленного раствора НNO3 (с получением ПАО). Обработка мискантуса одностадийно НNO3 позволяет повысить реакционную способность к биокаталитическому гидролизу в 36 раз по сравнению с нативным сырьём, что является выдающимся результатом, по литературным данным предобработка является эффективной, если реакционная способность к биокаталитическому гидролизу повышается в 5-7 раз. По выходу продукта (биоэтанола, бактериальной наноцеллюлозы и молочной кислоты) от концентрации РВ в среде субстраты можно расположить в ряд: ЦАС>ЦМЩС>ПАО>ПЩД, то есть на стадии биосинтеза одностадийные способы обработки мискантуса оказались менее эффективными, чем двухстадийные. По выходу продукта (биоэтанола, бактериальной наноцеллюлозы и молочной кислоты) из 1 т мисканутса субстраты можно расположить в ряд: ПАО>ПЩД>ЦМЩС>ЦАС, при этом использование предобработки НNO3 для биосинтеза позволяет повысить выход биоэтанол на 12-40 %, БНЦ на 13-30 %, молочной кислоты на 13-28 % по сравнению с другими авторскими способами предварительной обработки. При расчёте на абсолютно сухое вещество из 1 т мискантуса гигантского максимальный выход зафиксирован для биоэтанола – 155.8 кг/т, на втором месте молочная кислота – 144.6 кг/т (это 93 % от выхода биоэтанола), минимальный выход зафиксирован для БНЦ – 28.4 кг/т (это 18 % от выхода биоэтанола). Низкий выход БНЦ связан с её низким выходом на стадии биосинтеза и является метаболической особенностью продуцента. Однако БНЦ обычно используется во влажном состоянии (влажность наших образцов 99.2 %), поэтому из 1 т мискантуса можно получить 3.5 т БНЦ, таким образом, производство БНЦ в натуральном выражении – это самая эффективная биотехнологическая трансформация мискантуса гигантского. Установлен способ предобработки, способствующий наименьшим затратам энергии на получение продукта – одностадийная обработка НNO3; показано, что наибольшие затраты энергии потребует производство молочной кислоты, а наименьшие – производство БНЦ. Маржинальность производства из 1 т мискантуса гигантского биополимера БНЦ в 26-814 раз выше, чем платформенных химикатов – биоэтанола и молочной кислоты. Все три продукта биотехнологического синтеза (БНЦ, биоэтанол и молочная кислота) удовлетворяют требованиям биоэкономики и зелёных технологий: факторы экологичности значительно меньше 1. В ходе реализации 3-го этапа проекта (2024) план НИР выполнен в полном объеме. Полученные в 2024 г результаты опубликованы в шести статьях, индексируемых в библиографических зарубежных базах данных и/или Russian Science Citation Index (RSCI), из них пять статей в изданиях, индексируемых в Web of Science и/или Scopus (две в журнале WoS Q1 с IF=4.7 (Polymers), две статьи в издании WoS Q4 с IF=0.04 (Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya = Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology), одна статья в издании Scopus Q4 с CiteScore 1.0 (Ecology and Industry of Russia)) и одна статья в издании, индексируемом в базе данных Agris. При действии повышающих коэффициентов в отношении публикации в издании WoS Q1, в 2024 году достигнуто количество баллов восемь вместо шести по плану, таким образом, план по публикациям перевыполнен. Важнейшие научные достижения по проекту за 2023 год включены в отчетные материалы Научного совета РАН по органической химии https://zioc.ru/images/site/book-2023-to-print.pdf. Важные фундаментальные результаты, полученные в ходе выполнения проекта 2023 г. опубликованы в сборнике информационных материалов РАН «Основные результаты исследований в интересах обороны и безопасности страны в 2023 году». Результаты выполнения проекта в 2024 г также направлены в перечисленные выше информационные ресурсы. Практическая значимость результатов подтверждена пятью письмами поддержки сторонних организаций. Результаты, достигнутые в ходе выполнения Проекта популяризированы на 10 конференциях: https://www.asau.ru/vestnik-2/materialy-konferentsii-2023, https://web3.nioch.nsc.ru/ctoc2024/, https://www.bti.secna.ru/events/xvii-vserossijskaya-nauchno-prakticheskaya-konferentsiya-studentov-aspirantov-i-molodyh-uchenyh-s-mezhdunarodnym-uchastiem-tehnologii-i-oborudovanie-himicheskoj-biotehnologicheskoj-i-pishhevoj-promysh/, https://chemi.komisc.ru/ru/page/menu.conf.CTPS_XIII, https://madison-proceedings.com/index.php/mcp/item?id=10&item=item&issueid=87, https://bioasia.asu.ru/,https://narfu.ru/pulp/materialy-konferentsii/, https://plamic.ru/?ysclid=m2g7b34vxy561934422,https://forms.yandex.ru/cloud/6614e2a9c417f33667821d70/,https://www.ssbt.org.cn/ISBNC2024/, https://umo19.ru/data/documents/Konferenciya-v-sentyabre.pdf в научной среде https://www.sbras.ru/files/files/brochures/nit_2024_14.pdf.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные в рамках проекта результаты фундаментальных исследований по научному направлению Химия и химическая технология характеризуются высоким потенциалом их практического использования в экономике и социальной сфере РФ в области биоэкономики российских сортов мискантуса гигантского, включая выращивание и переработку в бумажные изделия, нитраты целлюлозы и продукты биотехнологического синтеза (биоэтанол, бактериальную наноцеллюлозу и молочную кислоту). В сущности, это первый пример создания основ технологии переработки совершенно нового для РФ растительного сырья – мискантуса гигантского, причем создана интегрированная технология, базирующаяся на использовании как химических, так и биотехнологических приемов обработки сырья, а целевые продукты представлены кроме пяти запланированных продуктов, еще и инициативным высоко востребованным продуктом –волокном лиоцелл. Поэтому нет сомнений в создании научного и технологического заделов, которые могут обеспечить реальный рост и социальное развитие РФ, поскольку полученные результаты способствуют сохранению технологического суверенитета страны, не имеют аналогов и превышают мировой приоритет. Краткое перечисление конкретных результатов, отвечающих критериям п. 5.9: 1. В соответствии программе углеродного регулирования в РФ создана база данных по выращиванию российских сортов мискантуса гигантского с определением зависимости компонентного состава биомассы собранных урожаев, установлением относительной стабильности высокого содержания целлюлозы независимо от климатических условий и места выращивания, произведен обмен информацией между фермерами, аграрными университетами и заинтересованными организациями. Данный результат соответствует мировым тенденциям по биоэкономике и циркулярной экономике. 2. Разработаны способы получения целлюлозы в качестве прекурсора для химической функционализации и субстратов для биотехнологической трансформации из мискантуса гигантского, определены ключевые параметры высокоэффективных процессов, при этом авторской особенностью является проведение обработки сырья разбавленным раствором азотной кислотой при атмосферном давлении и температуре 94-96 С, что гарантирует необходимый уровень окислительного гидролиза нецеллюлозных компонентов сырья и одновременно повышает производственную безопасность и экологичность. Данный способ обработки сырья впервые предложен авторами данного проекта и только после публикации в зарубежных изданиях стал предметом дискуссии и заимствования другими исследователями. Данный пункт доказывает формирование научных и технологических заделов, обеспечивающих экономический рост и социальное развитие РФ. 3. Целлюлоза, выделенная путем обработки мискантуса разбавленным раствором азотной кислоты, а затем гидроксидом натрия, характеризуется высокими м.д. альфа-целлюлозы до 97 %, степенью полимеризации 1200-1600 и низким содержанием нецеллюлозных компонентов. Химическая функционализация данной целлюлозы обеспечивает высокие результаты. Нитраты целлюлозы характеризуются высокими выходом и химической чистотой. Разработана уникальная технология, позволяющая одновременно получить высокорастворимые нитраты целлюлозы с регулируемой вязкостью от 94 до 119 мПа*с, а из побочного продукта – раствора глюкозы – бактериальную наноцеллюлозу. Этот результат подтверждает критерий 5.9 «создание новой продукции…, создание новых технологий». 4. Целлюлоза, выделенная путем обработки мискантуса разбавленным раствором гидроксида натрия, а затем раствором азотной кислоты, предназначена для производства бумажных изделий, что подтверждено актами САФУ им. М.В. Ломоносова (г. Архангельск) и СибГТУ им. М.Ф. Решетнева (г. Красноярск). Данный результат подтверждает критерий 5.9 «создание новой продукции…, создание новых технологий», причем тот же вид сырья, те же самые реактивы обеспечивают получение совершенно другой востребованной в РФ продукции – одноразовых бумажных изделий на замену пластиковой обертки и посуды. Ценность данного результата обоснована привлечением сторонних профильных организаций к выполнению задачи. 5. Обработка мискантуса раствором азотной кислоты в одну стадию обеспечивает повышение реакционной способности к ферментативному гидролизу в 36 раз по сравнению с нативным мискантусом, что само по себе является выдающимся результатом, поэтому использование такого вида предобработки позволяет повысить в дальнейшем выход биоэтанол на 12-40 %, бактериальной наноцеллюлозы на 13-30 %, молочной кислоты на 13-28 % по сравнению с другими авторскими способами предварительной обработки. Все три продукта биотехнологического синтеза удовлетворяют требованиям биоэкономики и зелёных технологий, так как факторы экологичности значительно меньше 1. Маржинальность производства из 1 т мискантуса гигантского биополимера бактериальной наноцеллюлозы в 26-814 раз выше, чем платформенных химикатов – биоэтанола и молочной кислоты. Данный результат соответствует критерию 5.9 в части возможности практического использования результатов проекта в экономике и социальной сфере. 6. 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 современного производства. Итоговый результат, основанный на фундаментальных подходах, в крайне короткий срок обеспечивает возможность практического применения, причем непосредственно для шести продуктов: бумажные изделия, нитраты целлюлозы, биоэтанол, бактериальная наноцеллюлоза, молочная кислота и волокна лиоцелл. Вследствие активной популяризации нами текущих результатов новая информация стала доступна научной, образовательной среде, представителям агробизнеса и действующим крупных предприятиям. Поэтому многие организации обратились в ИПХЭТ СО РАН с целью сотрудничества по вопросам уточнения разработанных технологий, консультации по мискантусу гигантскому, создание новых технологий на территориях заказчика, оценки возможности реализации разрабатываемых нами технологий на действующих предприятиях пищевой и химической промышленности. Это аграрии: ООО «Ре:форма» (г. Ярославль), ООО «Мастер Брэнд» (г. Москва), КФХ Савченко В.В. (г. Брянск),; ИП Крестьянского Фермерского Хозяйства Аветисян З.И. (г. Иваново), Межрегиональный союз производителей мискантуса (г. Иваново), ООО «Первый питомник» (Ступино), представители реального бизнеса: группа компании Таврос, ООО «Калагра фарм» (г. Калининград), ООО «Сибгипробум» (г. Иркутск), ООО «Моби» (Россия, Нижегородская область, Кстовский район, г. Кстово), АО «ОЭЗ ППТ «Алабуга» (Республика Татарстан, г. Елабуга); ведущие университеты: ФГБОУ ВО Пензенский государственный аграрный университет (г. Пенза), Алтайский государственный аграрный университет (г. Барнаул), Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова (г. Архангельск), Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнева (г. Красноярск); научные организации: СибНИИРС – филиал ИЦиГ (г. Новосибирск), Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН (г. Москва).