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V. Benedetti, C. Vinante, D. Basso

Biomass is defined as “[…] any organic matter that is available on a renewable or recurring basis […], including renewable plant material, feed grains, other agricultural commodities; other plants and trees, algae; and waste material, including crop residue, other vegetative waste material (including wood waste and wood residues), animal waste and byproducts (including fats, oils, greases, and manure), food waste and yard waste” [1]. Biomass is one of the major competitors of fossil fuels. Indeed, it is a renewable resource (when managed in a proper way), more evenly spread all over the world. It offers a wide spectrum of possible applications, not only the more traditional conversion for energy purposes in classical fire-pits, stoves, or boilers, but also the production of bio-based materials and chemicals. 

From a circular economy perspective, oriented to sustainability, waste reduction, and environmental protection, biomass becomes a precious and valuable resource. Its thorough exploitation is pushing the scientific community to find cutting-edge solutions that are sustainable from the environmental and economical point of view. However, the current low prices of fossil fuels might hinder the transition from lab-scale experiments to industrial-scale applications.

In order to take advantage of the entire hidden potential of biomass resources and obtain products with a high economic value, it is important to think about biomass as a whole, considering a cascade of processes for its exploitation that allows for the minimization of waste. 

This could be done by implementing the biorefinery concept where biorefining is defined as “the sustainable processing of biomass into a spectrum of bio-based products (food, feed, materials, chemicals) and bioenergy (biofuels, power, heat)” [2]. This means that biorefinery can be a concept, a facility, a process, a plant or even a cluster of facilities with the objective to optimize the use of resources, thereby maximizing benefits and profitability. 

As an example, Figure 1 reports a possible scheme of an integrated biorefinery that exploits bio- and thermo-chemical processes to convert different types of biomass into a wide range of products like bioethanol, biodiesel, olefins, gasoline, etc.

Figure 1. Schematic example of an integrated biorefinery (Figure provided by Prof. David Chiaramonti, University of Florence, Italy).

In order to create a novel and profitable biorefinery it is fundamental to balance high-value/low-volume bio-based chemicals and materials with high-volume/low value biofuels.

In fact, nowadays the development and implementation of new biorefineries is mainly fostered by the transportation sector [3]. This is due to the significant amounts of renewable fuels required to meet policy regulations in the short and midterm, especially in the heavy-duty road transport and aviation sector, where biofuels are the only reasonable alternative at the moment. 

Since prices of conventional (ethanol, biodiesel) and advanced biofuels (e.g. lignocellulosic methanol, lignocellulosic ethanol, butanol, Fischer-Tropsch-diesel/kerosene) are not competitive enough when compared to traditional fossil fuels, solutions to make them enter the market permanently are needed. Government regulations and subsides help the diffusion of alternative fuels but cannot be considered as a definitive solution. Technologies should be developed to reduce the production costs or at least to make biofuels profitable. This can be achieved through integrated processes, e.g. biorefineries with multiple outputs at the end of their production-chain, in analogy with oil refineries, involving sectors like food and nutrition, flavors/fragrances, cosmetics/personal care, pharmaceutical, fine chemicals as well as lubricants, surfactants, coatings, solvents, high-tech materials (e.g. biomedical, engineering plastics). Through a biorefinery approach, the production costs of biofuels could decrease by about 30% [4] and potentially, the production of bio-based chemicals could generate over US$ 10 billion of revenue for the global chemical industry [5].


Obiettivo bioeconomia: il concetto di bioraffineria

Per biomassa si intende “[…] qualsiasi materia organica disponibile su base rinnovabile o ricorrente […], compresi materiali vegetali rinnovabili, cereali da foraggio, altri prodotti agricoli; altre piante e alberi, alghe; e materiali di scarto, compresi i residui delle colture, altri materiali di scarto vegetativo (compresi i rifiuti di legno e i residui di legno), rifiuti animali e sottoprodotti (compresi grassi, oli, grassi e letame), rifiuti alimentari e rifiuti di cantiere” [1]. La biomassa è uno dei principali concorrenti dei combustibili fossili. Infatti, oltre a essere una risorsa rinnovabile (se gestita in modo corretto), è anche distribuita più uniformemente a livello globale. Inoltre, offre un ampio spettro di possibili applicazioni, non solo la più tradizionale conversione a fini energetici nei classici focolari, stufe o caldaie, ma anche la produzione di materiali e prodotti chimici. 

Da un punto di vista di economia circolare, orientato alla sostenibilità, alla riduzione dei rifiuti e alla protezione dell’ambiente, la biomassa diventa una risorsa preziosa e ad alto valore. La sua profonda valorizzazione sta spingendo la comunità scientifica a trovare soluzioni all’avanguardia che siano sostenibili dal punto di vista ambientale ed economico. Tuttavia, l’attuale diminuzione dei prezzi dei combustibili fossili potrebbe ostacolare la transizione necessaria da esperimenti su scala di laboratorio ad applicazioni su scala industriale.

Per sfruttare al meglio l’intero potenziale nascosto delle risorse biodegradabili e ottenere prodotti ad alto valore aggiunto, è importante pensare alla biomassa nel suo complesso, considerando una cascata di processi per il suo sfruttamento che permetta la minimizzazione degli sprechi. 

Tale obiettivo potrebbe essere raggiunto implementando il concetto di bioraffineria, definita come “la trasformazione sostenibile delle biomasse in uno spettro di prodotti a base biologica (alimenti, mangimi, materiali, prodotti chimici) e bioenergia (biocarburanti, energia, calore)” [2]. Ciò significa che la bioraffineria può essere un concetto, un impianto, un processo, un impianto o anche un gruppo di impianti con il fine ultimo di ottimizzare l’uso delle risorse, massimizzando così i benefici e la redditività. 

Ad esempio, la Figura 1 riporta un possibile schema di una bioraffineria integrata che sfrutta processi bio e termochimici per convertire diversi tipi di biomassa in una vasta gamma di prodotti come bioetanolo, biodiesel, olefine, benzina.

Figura 1. Esempio schematico di una bioraffineria integrata (Figura fornita da Prof. Chiaramonti, università di Firenze, Italia)

Per dare origine a una bioraffineria innovativa e redditizia è fondamentale bilanciare prodotti chimici e materiali biologici ad alto valore/basso volume con biocombustibili ad alto volume/basso valore.

Infatti, al giorno d’oggi lo sviluppo e l’implementazione di nuove bioraffinerie sono principalmente favoriti dal settore dei trasporti [3]. Ciò è dovuto alle notevoli quantità di carburanti rinnovabili necessarie per soddisfare le normative politiche a breve e medio termine, soprattutto nel settore del trasporto stradale pesante e dell’aviazione, dove i biocarburanti sono l’unica alternativa ragionevole al momento. 

Poiché i prezzi dei biocarburanti convenzionali (etanolo, biodiesel) e avanzati (ad esempio metanolo lignocellulosico, etanolo lignocellulosico, butanolo, Fischer-Tropsch-diesel/kerosene) non sono abbastanza competitivi rispetto ai carburanti fossili tradizionali, sono necessarie soluzioni per renderli commerciabili nel lungo periodo. Regolamenti e sussidi governativi aiutano la diffusione di carburanti alternativi, ma non possono essere considerati una soluzione definitiva. Le tecnologie dovrebbero essere sviluppate per ridurre i costi di produzione o quantomeno per rendere redditizi i biocarburanti. Questo può essere ottenuto attraverso processi integrati, ad esempio bioraffinerie con più output alla fine della loro catena di produzione, in analogia con le raffinerie di petrolio, coinvolgendo settori come l’alimentazione e la nutrizione, aromi/fragranze, cosmetica/cura personale, farmaceutico, chimica fine così come lubrificanti, tensioattivi, rivestimenti, solventi, materiali high-tech (ad esempio biomedicali, tecnopolimeri). Applicando il concetto di bioraffineria, i costi di produzione dei biocarburanti potrebbero diminuire di circa il 30% [4] e potenzialmente la produzione di prodotti chimici a base biologica potrebbe generare oltre 10 miliardi di dollari di entrate per l’industria chimica globale [5].

References

[1] P.L. 110-246 Food, Conservation, and Energy Act of 2008 Title IX Section 9001(12), n.d.

[2] IEA Bioenergy Task 42, 2009. Biorefinery.

[3] IEA Bioenergy Task 42, 2020. Bio-Based Chemicals: a 2020 Update.

[4] Bakker, R., den Uil, H., van Ree, R., 2010. Financieel-economische aspecten van biobrandstofproductie – Desktopstudie naar de invloed van co-productie van bio-based producten op de financiele haalbaarheid van biobrandstoffen. WUR Food Biobased Res. Rapp. 1175, Wageningen, Ned.

[5] World Economic Forum, 2010. The future of industrial biorefineries. [Online] https://www.iwbio.de/fileadmin/Publikationen/IWBio-Publikationen/WEF_Biorefineries_Report_2010.pdf

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