Towards a bio-based economy: the bio-based materials market

V. Benedetti, C. Vinante, D. Basso

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Biorefineries have been developed for the sustainable valorisation of biomass resources. Here the combined production of biofuels and bio-based chemicals and materials sets the basis for the future bio-based economy.
Particularly, after a careful selection and characterization, biomass-derived feedstocks are processed into different key intermediates that become the platforms for the subsequent processing and conversion into final marketable products [1]. Examples of platforms are biogas, syngas, carbohydrates derived from cellulose, hemicellulose, starch, sucrose, lignin, plant-based or algal oils, organic solutions from grasses and pyrolysis oils [1].
The most promising building blocks that can be produced from biomass were listed by the U.S. Department of Energy (DOE) in 2004 and revised in 2010 [2]. The list included: succinic acid, lactic acid, 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), 3-hydroxypropionic acid, 3-hydroxybutyrolactone, fumaric acid, glycerol, xylitol, sorbitol, levulinic acid, glucaric acid, L-aspartic acid, L-glutamic acid, itaconic acid, bio-hydrocarbons and ethanol.
Current global bio-based materials production is estimated to be around 90 million tonnes, lagging behind the petrochemical counterpart estimated to be around 330 million tonnes [1]. However, according to a study published in the framework of the BREW project [3], the production of bulk chemicals from renewable resources could reach 113 million tonnes by 2050, representing 38% of all organic chemical production. As far as the biopolymers market is concerned, it was estimated to be 2.11 million tonnes globally in 2018 [1].
The most produced bio-chemical is bioethanol with more than 80% share of total combined production capacity, but also the production of lysine, citric and lactic acid, sorbitol, glycerol as well as fatty acids is notable [1].
According to a report published by Zion Market Research, the global bio-based materials market was valued at approximately USD 11,000.0 million in 2017 and is expected to generate revenue of around USD 94,150.0 million by end of 2026, growing at a compound annual growth rate (CAGR) of around 27.1% between 2018 and 2026 [4].
For the European market, relevant information on bio-based products could be retrieved from the report “Insights into the European market for bio-based chemicals”, published by the European Commission in 2019 [5]. From a longlist of 350 bio-based products, 208 products available at commercial scale (TRL ≥ 8) were selected. From this list, 50 bio-based products were identified as representative of 10 product categories i.e. 1) platform chemicals, 2) solvents, 3) polymers for plastics, 4) paints, coatings, inks and dyes, 5) surfactants, 6) cosmetics and personal care products, 7) adhesives, 8) lubricants, 9) plasticizers, 10) man-made fibres.
Tables 1 and 2 report data on the estimates of total EU production, prices and turnovers figure of each category.

The EU bio-based production amounts to 4.7 Mt/a, representing an overall bio-based share of about 3.0% of the 156 Mt/a total, and is mainly focused on platform chemicals and polymers for plastics. The prices of bulk chemicals, such as platform chemicals and solvents, are around EUR 1-2/kg, while less general products such as cosmetics and personal care products and plasticisers are more expensive. The highest turnovers are reported for products closer to the end user, such as cosmetics, lubricants and man-made fibers [5].
Looking specifically at the Italian context, several bio-based industries are currently operating in the field of bio-plastics, adhesives, fertilizers, biofuels, biochemicals, biolubricants, cosmetics and nutraceuticals, and several old industrial sites are being reconverted to bio-refineries [6]. In particular, the Bio based Industries Consortium (2017) enlisted more than 30 biorefineries in Italy mainly oil-fat based and sugar-starch-based (only two are wood-based) [7].

Obiettivo bioeconomia: Il mercato dei biomateriali

Le bioraffinerie, sviluppatesi per garantire lo sfruttamento sostenibile delle biomasse combinando la produzione di biocombustibili e sostanze biochimiche, rappresentano le fondamenta per la futura bioeconomia.
In particolare nelle bioraffinerie, a valle di un’accurata selezione e caratterizzazione, la biomassa di partenza viene processata in diversi componenti intermedi successivamente utilizzati come piattaforme per la produzione di prodotti commerciabili [1]. Esempi di piattaforme sono il biogas, il gas di sintesi, i carboidrati derivati da cellulosa, emicellulosa, amido, saccarosio, la lignina, gli oli derivanti da piante o alghe, le soluzioni organiche e gli oli pirolitici [1].
Nel 2004, il dipartimento di energia degli Stati Uniti d’America (DOE) ha redatto la lista dei componenti chiave ottenibili dalla conversione della biomassa, poi revisionata nel 2010 [2]. La lista comprende: acido succinico, acido lattico, acido 2,5-furandicarbossilico (FDCA), acido 3-idrossipropanoico, 3-idrossibutirrolattone, acido fumarico, glicerolo, xilitolo, sorbitolo, acido levulinico, acido glucarico, acido L-aspartico, acido L-glutammico, acido itaconico, idrocarburi ed etanolo.
Attualmente, la produzione globale di biomateriali è stimata a 90 milioni di tonnellate, valore inferiore rispetto alla produzione di materiali derivanti dall’industria petrolchimica che ammonta a 330 milioni di tonnellate[1]. Tuttavia, secondo uno studio pubblicato nel contesto del Progetto BREW[3], la produzione di sostanze chimiche base da risorse rinnovabili, potrebbe raggiungere i 113 milioni di tonnellate entro il 2050, rappresentando il 38% dell’intera produzione di sostanze chimiche organiche. Per quanto riguarda il mercato globale dei biopolimeri invece, è stata stimata una produzione di 2.11 tonnellate [1].
La sostanza chimica derivante da biomassa maggiormente prodotta è il bioetanolo, che rappresenta più dell’80% della capacità produttiva combinata, ma anche la lisina, l’acido citrico, l’acido lattico, il sorbitolo, il glicerolo, gli acidi grassi [1].
Secondo il report pubblicato da Zion Market Research, il mercato dei biomateriali nel 2017 valeva 11000 milioni di dollari e si stima che raggiunga i 94150 milioni di dollari alla fine del 2026, crescendo con una asso annuo di crescita composto (CAGR) del 27.1% tra il 2018 e il 2026 [4].
Per quanto riguarda il mercato europeo, nel 2019 la Commissione Europea ha redatto un report dal titolo “Insights into the European market for bio-based chemicals” ricco di informazioni [5]. Da una lista di 350 prodotti derivanti da biomassa, sono stati selezionati 208 tra quelli disponibili su scala commerciale (Livello di Maturità Tecnologica TRL ≥8). Tra questi, si sono selezionati i 50 più rappresentativi suddivisi in 10 categorie: 1) sostanze chimiche base, 2) solventi, 3) polimeri per plastiche, 4) coloranti, vernici, rivestimenti, inchiostri, 5) tensioattivi, 6) cosmetici e prodotti per la cura della persona, 7) adesivi, 8) lubrificanti, 9) plastificanti, 10) fibre.
Nelle tabelle 1 e 2, sono riportati i dati sulle stime della produzione totale europea, dei prezzi e del fatturato per ciascuna categoria.

La produzione europea di materiali derivanti da biomassa ammonta a 4.7 Mt/a, e rappresenta il 3% della produzione totale di 156 Mt/a. La produzione si basa principalmente su sostanze chimiche di base e polimeri per plastiche. Il prezzo di prodotti quali sostanze chimiche di base e solventi ammonta a circa 1-2 €/kg, mentre prodotti meno generici quali cosmetici, prodotti per la cura della persona e plastificanti, risultano più costosi. I fatturati più alti si registrano per quei prodotti più vicini al consumatore come cosmetici, lubrificanti e fibre [5].
Per quanto riguarda il contesto italiano, molte bio-industrie sono attualmente operative sul territorio nel campo delle bio-plastiche, degli adesivi, dei fertilizzanti, dei biocombustibili, delle sostante biochimiche, dei bio-lubrificanti, dei cosmetici. Inoltre, è cresciuta la tendenza a convertire vecchi siti industriali in bioraffinerie. In particolare, il Consorzio delle bio-industrie (2017) ha elencato per l’Italia più di trenta bioraffinerie baste principalmente sulla conversione di oli grassi e zuccheri da amido (solo due trattano legname) [7].

References

[1]       IEA Bioenergy Task42, Bio-Based Chemicals: a 2020 Update, 2020.

[2]       C.K. Yamakawa, F. Qin, S.I. Mussatto, Advances and opportunities in biomass conversion technologies and biorefineries for the development of a bio-based economy, Biomass and Bioenergy. 119 (2018) 54–60.

[3]       M.K. Patel, M. Crank, V. Dornburg, B. Hermann, L. Roes, Medium and Long-term Opportunities and Risks of the Biotechnological Production of Bulk Chemicals from Renewable Resources, Ecol. Manag. Restor. 5 (2004) 30–33.

[4]       Z.M. Research, https://www.zionmarketresearch.com, Online (May 2020). (n.d.).

[5]       J. Spekreijse, T. Lammens, C. Parisi, T. Ronzon, M. Vis, Insights into the European market for bio-based chemicals, 2019.

[6]       I. De Bari, M.T. Petrone, Country report: Italy, IEA Bioenergy Task42. (2018).

[7]       Nova Institute, Biorefineries in Europe, (2017).