La gestione dei fanghi provenienti dal trattamento delle acque reflue e i motivi per cui in Italia si registra un collo di bottiglia in questo settore. Un confronto con gli altri Paesi europei e le misure che le istituzioni dovrebbero mettere in campo per aiutare le società a investire in questo settore. L’utilizzo dei finanziamenti dal PNRR a sostegno delle infrastrutture idriche.

Ne parla in questa intervista rilasciata a Watergas Daniele Basso, Ceo HBI, startup che ha ideato, brevettato, progettato e posto in opera una tecnologia e un impianto in grado di recuperare materiali ad alto valore aggiunto, migliorando il ciclo idrico e rendendo un comune depuratore una bioraffineria poligenerativa sostenibile.

Oltre il 60% dei fanghi provenienti dal trattamento delle acque reflue urbane non è trattato in maniera efficiente e sostenibile. A cosa è dovuto questo collo di bottiglia?

Sono tre i fattori che in sostanza determinano questo fenomeno. Il primo è la crescita del volume dei fanghi da trattare, dovuta all’aumento delle capacità di depurazione e in parte legata alla risoluzione delle procedure di infrazione europee ancora attive. Inoltre, dobbiamo considerare che in molte aree del nostro Paese, in particolare nel Mezzogiorno, la gestione dei fanghi è realizzata in mancanza di una dimensione di livello industriale. Un aspetto che comporta gioco forza una ridotta efficienza nella prospettiva dell’obiettivo di circolarità del ciclo idrico. Una terza criticità è la vetustà impiantistica: in Italia purtroppo abbiamo sottostimato la valutazione della mole di fanghi che avremmo prodotto e la maggior parte degli operatori, siano gestioni dirette o gestioni industriali, tratta i fanghi con tecnologie e metodiche ormai obsolete che frenano le potenzialità del riciclo.

Può fornirci qualche dato sull’accumulo di fanghi di depurazione in Italia?

Nel nostro Paese si stima vengano prodotte annualmente circa 3,2 milioni di tonnellate di fanghi di depurazione, con un incremento annuo stimato pari al +7.5 % (CAGR). Una quantità sempre più significativa che richiede il superamento della logica di destinazione in discarica o all’incenerimento, sistemi di smaltimento il cui costo si aggira attualmente intorno ai 150-200 euro per tonnellata. Ancora nel 2020 ben il 53,5 % dei fanghi prodotti a livello nazionale è stato avviato a smaltimento e secondo il position paper n. 225 a cura del Laboratorio Ref circa 1,9 milioni di tonnellate di fanghi all’anno sono avviate a smaltimento oppure non sono proprio trattate. A queste vanno inoltre aggiunte circa 220 mila tonnellate di fanghi che vengono esportate all’estero.

Qual è la situazione negli altri Paesi sul fronte trattamento delle acque reflue urbane? Stanno avanti a noi? Perché?

Nel trattamento dei fanghi di depurazione altri Paesi europei quali il Regno Unito, la Francia e la Germania in particolare adottano una solida gestione industriale, capillare sul territorio e affidata ad un numero ridotto di grandi operatori. Ciò consente un trattamento più efficiente e controllato, sebbene si tratti ancora in larga parte di metodiche di gestione tradizionali come la destinazione ad incenerimento in primis.

Quali sono le azioni che le istituzioni dovrebbero mettere in campo per aiutare le società a investire in questo settore?

Innanzitutto, occorre definire una posizione istituzionale chiara e decisa che cambi il paradigma sulla gestione dei fanghi: da trattarli come rifiuto a considerarli una risorsa urbana strategica, da cui si devono recuperare acqua, energia rinnovabile e fertilizzanti circolari.

Poi, credo che i profili di intervento tecnico siano essenzialmente tre. Sarebbe ottimale favorire le gestioni di livello industriale e le aggregazioni tra i gestori dei depuratori. La revisione della normativa sull’utilizzo e la gestione dei fanghi, che in Italia risale al 1992, sarebbe un ulteriore punto sul quale concentrarsi, così da assicurare un recupero efficiente della risorsa, conformemente al paradigma dell’economia e dell’agricoltura circolare e sostenibile.

Infine, sarebbe necessario implementare ulteriormente la regolazione del ciclo idrico da parte di ARERA, prevedendo la definizione di parametri premiali di efficienza e di qualità specifici sul trattamento dei fanghi e sempre più dettagliati, in grado di incentivare i gestori al trattamento e al recupero efficiente di acqua, energia e nutrienti. Al momento attuale infatti la metrica considerata è limitata alla valutazione della quantità di fanghi destinati in discarica.

Sono arrivati diversi finanziamenti dal PNRR a sostegno delle infrastrutture idriche. Come vanno investiti i soldi del PNRR?  

Senza dubbio l’intervento del PNRR costituisce una formidabile opportunità di progresso per tutto il sistema ambientale italiano per sostenere il raggiungimento di obiettivi di transizione energetica e digitalizzazione. Siamo comunque coscienti che nel contesto italiano sussistono, per gli enti locali deputati a seguire i progetti, difficoltà legate alla burocrazia nonché alla dimensione straordinaria degli investimenti che sono stati assegnati. Inoltre, molti dei progetti che si realizzeranno sono ideati ancora con tecnologie non all’avanguardia e che non perseguono obiettivi circolari e di sostenibilità di medio/lungo periodo. Ritengo che una possibile chiave di volta sia quella di investire su frontiere tecnologiche innovative e promettenti coinvolgendo il ricco tessuto di startup e PMI che collaborano con università e centri di ricerca. Noi stiamo collaborando attivamente per la realizzazione di almeno due progetti di impianti per il trattamento dei fanghi finanziati nell’ambito della Missione 2 del PNRR.

HBI ha ideato, brevettato, progettato e posto in opera una tecnologia in grado di rendere un comune depuratore una bioraffineria poligenerativa sostenibile. Può spiegarci nel dettaglio di cosa si tratta?

La tecnologia innovativa di HBI sviluppata per il trattamento dei fanghi da depurazione in ottica di economia circolare è in grado di ridurre di oltre il 90% la massa del rifiuto in uscita dal processo, ricavando acqua, energia rinnovabile e fertilizzanti riciclati per uso agricolo. Il processo di HBI, integrando la carbonizzazione idrotermica (HTC) e la gassificazione, consente di valorizzare in modo efficiente e sostenibile i tre grandi elementi sopra citati che sono intrinsecamente contenuti nei fanghi. Risorse preziose che permettono, oltre al beneficio sull’ecosistema naturale, anche di contenere di circa il 20% i costi economici del tradizionale smaltimento.

La nostra tecnologia abilita in particolare il recupero dell’85% dell’acqua, l’estrazione di materie critiche come i fertilizzanti e l’ammoniaca e di elementi quali azoto, fosforo, potassio, ferro, calcio, magnesio, rame, zinco, boro e manganese. Un sistema di estrazione completamente autonomo dal punto di vista energetico perché riutilizza l’energia prodotta dai fanghi stessi durante il ciclo di trattamento, capace di trattare con gli stessi risultati sia i fanghi tal quali che quelli derivanti da processo di digestione anaerobica.

Un primo impianto è stato installato presso il depuratore di Bolzano (a giugno 2021) e successivamente spostato a Fusina, presso il sito GPLab della società Veritas a Venezia. Risultati ottenuti finora?

In entrambi gli impianti citati la capacità di trattamento in continuo è pari a mille tonnellate all’anno. Oggi HBI sta lavorando su alcuni progetti che prevedono la realizzazione di impianti con capacità di trattamento pari a 10.000 tonnellate all’anno, capaci di servire circa 400.000 abitanti equivalenti. Il sistema per il trattamento dei fanghi di depurazione di HBI è scalabile e modulare, potendo adattarsi alle diverse taglie di depuratori a partire da 5.000 tonnellate all’anno. I moduli di minore taglia possono inoltre essere mobili e quindi servire sia i depuratori delle aree interne sia le località turistiche che registrano picchi stagionali di persone, e conseguente aumento del volume di acque reflue e dei relativi fanghi di depurazione, solo in alcuni periodi dell’anno.

Quanto è importante la collaborazione tra società, università e centri di ricerca?

È una relazione decisiva per mettere a frutto le ricerche condotte. Quando fondammo HBI grazie anche all’intuito del mio socio fondatore e imprenditore Renato Pavanetto ero reduce dagli studi del mio dottorato di ricerca. Sentivo l’urgenza di colmare il gap che troppo spesso passa tra la fase di approfondimento accademico e quella di progettazione e realizzazione su base industriale. In HBI non abbiamo mai interrotto il rapporto con il mondo della ricerca, anzi intendiamo rafforzarlo ancor di più perché questa è la strada maestra per centrare dei traguardi rilevanti. Contiamo infatti di mantenere sempre proficuo il confronto con il network delle università italiane che hanno portato alla registrazione dei nostri brevetti. Ad esempio, di recente abbiamo vinto insieme con i nostri storici partner, Libera Università di Bolzano e NOI Techpark un bando FESR relativo ad un nuovo progetto di separazione dei metalli pesanti e recupero dei nutrienti dai fanghi attraverso la nostra tecnologia.

Milano, 9 nov. (askanews) – HBI, azienda tech italiana attiva nella gestione sostenibile e circolare dei fanghi fondata nel 2016 a Bolzano da Daniele Basso e Renato Pavanetto, ha ricevuto oggi il Premio “Lorenzo Cagnoni” per l’Innovazione Green organizzato da Ecomondo e destinato alle realtà che si sono distinte nello sviluppo di prodotti e soluzioni tecnologiche all’avanguardia per favorire la transizione del nostro Paese verso l’economia circolare.HBI ha sviluppato, brevettato e realizzato una tecnologia poligenerativa per il trattamento dei fanghi da depurazione in ottica di economia circolare, in grado di ridurre di oltre il 90% la massa del rifiuto in uscita dal processo e di ricavare acqua, energia rinnovabile e nutrienti riciclati per uso agricolo. Un risultato frutto di anni di ricerca e investimenti che garantisce un consistente abbattimento dell’impatto ambientale nella gestione dei fanghi diminuendo in modo rilevante la destinazione del rifiuto alla discarica. Il processo di HBI, integrando la carbonizzazione idrotermica (HTC) e la gassificazione, consente di valorizzare in modo efficiente e sostenibile i tre grandi elementi che costituiscono i fanghi (acqua, energia e nutrienti). Risorse preziose che permettono anche di contenere di circa il 20% i costi economici del tradizionale smaltimento: se la tecnologia HBI fosse adottata su larga scala in Italia il risparmio potenziale per il sistema produttivo e per la collettività si aggirerebbe annualmente tra i 120 e i 150 milioni di euro.Ecomondo, la più importante manifestazione sui temi della green technology in Europa in corso presso il quartiere fieristico di Rimini, ha organizzato quest’anno il premio intitolato a Lorenzo Cagnoni, Presidente di Italian Exhibition Group scomparso lo scorso settembre, dedicato alle aziende espositrici che si impegnano a sostenere il progresso tecnologico e l’innovazione dei processi per la gestione ambientale.“Riceviamo un riconoscimento prestigioso che premia l’impegno e i risultati raggiunti dalla nostra azienda nata pochi anni fa come startup. Questo premio infonde al nostro gruppo di lavoro ulteriori stimoli per proseguire nel percorso avviato all’insegna dell’innovazione e della crescita continua. Siamo grati al Comitato di Valutazione di Ecomondo che ha inteso valorizzare tra i premiati l’esperienza di HBI che auspichiamo possa rappresentare una realtà di riferimento per l’economia circolare italiana nel prossimo futuro”, hanno dichiarato Daniele Basso, Founder e CEO e Renato Pavanetto, co-Founder di HBI.HBI sviluppa e commercializza tecnologie e impianti innovativi per il recupero di materie ad alto valore aggiunto e di energia pulita dai fanghi delle acque reflue. L’azienda è nata a Bolzano nell’ottobre del 2016 come start up innovativa. In pochi anni, ha maturato un know how di competenze riconosciuto a livello internazionale, con all’attivo 4 brevetti industriali, numerosi riconoscimenti, collaborazioni con università ed Enti di ricerca, due installazioni operative e la partecipazione alla Piattaforma Nazionale del Fosforo. HBI promuove tecnologie innovative, per l’implementazione della sostenibilità e dell’economia circolare per preservare i sistemi naturali, migliorare il benessere umano e l’equità sociale.

The 22nd August 2020 marked the day on which the global economic system has reached the annual limit beyond which we will ask to the ecosystem more than it is able to regenerate [1]. Although this date was reached three weeks later than the previous year, with a reduction in humanity’s ecological footprint of 9.3%, the conditions that supported this result are far from positive [1]. The reduction in emissions achieved as a result of the confinement policies imposed by many governments are in fact short-term, with a substantial increase already monitored by the post-lockdown restart [2].

Considering that the balance between the economic, social and environmental spheres of any economic system is crucial for a true sustainable development, two of the three pillars have been severely tested by the pandemic. The heavy repercussions on the economic and social point of view have in fact significantly impacted the lives of citizens and businesses despite an alleged improvement in environmental conditions. A real crisis in human development, i.e. the process of progressive improvement in living conditions, which threatens to cancel out the progress achieved over the last 30 years [3]. In order to monitor this phenomenon, the United Nations Development Programme has introduced an indicator called the Human Development Index (HDI) [4]. The index is actually composed of 3 sub-indicators measuring living standards, education and health. In particular, longevity, years of education and gross national income are evaluated respectively.

An interesting perspective is obtained by comparing the HDI index with the ecological footprint quantified in “number of earths” needed to meet human needs in a calendar year (Figure 1). Considering an HDI value deemed high starting from 0.7 (on a maximum value of 1) and a theoretical ecological footprint value calculated on the resources of one planet earth per year, it is possible to obtain an area where human prosperity is satisfied and guaranteed without exceeding natural limits, namely the One Planet Prosperity (Figure 1).

There are only a few national and entrepreneurial realities that currently fall within the One Planet Prosperity area, with some nations positioned at extreme values both for HDI (e.g. HDI<0.5 in some states in Africa and Middle East) and for ecological footprint (e.g. nations in Asia and EU with equivalent needs equal to 8/9 planets per year) [1]. Consequently, two macro-strategies called “One-Planet Strategies” can be implemented in order to improve the sustainability of nations and especially of individual businesses, enabling a transition from the concept of “companies” to that of “One Planet Prosperity companies” (OPPC).

As shown in Figure 1, the first strategy consists in favouring a system where the OPPCs provide for the primary needs of the population while remaining within the limit of resources equal to a maximum of one planet per year (involvement of the SGDs 1, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 17, i.e. those mostly focused on people’s well-being) [1, 5]. The second strategy, on the other hand, consists in the OPPCs reducing their dependence on resources while maintaining the capacity to meet people’s needs while preserving the ecosystem (involvement of SDGs 2, 6, 7, 9, 11, 12, 13, 14, 15) [1, 5]. In this case, a shift from fossil to renewable sources may represent a less drastic and applicable solution in a shorter time than a complete revision of the business model according to circular economy principles.

The adoption of one or the combination of the two strategies provides a new key for the sustainability of businesses and can contribute to giving resilience and competitive advantage to industrial realities. Some of the most significant benefits found among OPPCs include the following:

• increased attractiveness of the company for investors [6], clients and top talents;
• greater flexibility and the ability to anticipate legislative changes in resource consumption and reisudes production/use;
• greater ability to resist fluctuations in resource prices, especially those near their complete depletion [1].

The main activities to initiate change with the aim of becoming an OPPC must be conducted on an ongoing basis according to a cycle composed of:

1. quantify the impacts of the activities on the three pillars of sustainability in their entire cycle from beginning to end;
2. assess their relevance in contributing to the transition to the One Planet Prosperity zone;
3. guide the strategy with concrete actions, e.g. new R&D activities, new acquisitions, corporate restructuring. [1]

The concept of One Planet Prosperity represents the clear need to consider the limits of our planet, remembering however that the well-being of people and the entire ecosystem depends on political and industrial actions. Human development and ecological footprint are two parameters that, despite being different, must be considered together to understand the real impact that each strategy has on sustainability. It is therefore only through conscious choices that it is possible to guarantee long-term success which can withstand crisis such as the one generated by the global pandemic.

Le strategie One Planet ed il concetto di One Planet Prosperity

Il 22 agosto 2020 ha segnato il giorno in cui il sistema economico globale ha raggiunto il limite annuo oltre il quale verrà domandato all’ecosistema più di quanto esso sia in grado di rigenerare [1]. Sebbene tale data sia stata raggiunta con tre settimane di ritardo rispetto all’anno precedente, con una riduzione dell’impronta ecologica dell’umanità ridotta del 9,3%, le condizioni che hanno coadiuvato tale risultato sono tutt’altro che positive [1]. La riduzione delle emissioni raggiunta a causa delle politiche di confinamento imposte da molti governi sono infatti a breve termine, con un sostanziale aumento già monitorato dalla ripartenza post-lockdown [2].

Considerando che l’equilibrio fra la parte economica, sociale ed ambientale di qualsiasi sistema economico risulta essere fondamentale per uno sviluppo realmente sostenibile, due dei tre pilastri sono stati comunque messi a dura prova dalla pandemia. Le pesanti ripercussioni del punto di vista economico e sociale hanno infatti impattato significativamente la vita di cittadini ed imprese nonostante un presunto miglioramento delle condizioni ambientali. Una vera crisi dello sviluppo umano, ovvero il processo di miglioramento progressivo delle condizioni di vita, che minaccia di cancellare i progressi raggiunti negli ultimi 30 anni [3]. Al fine di monitorare questo fenomeno, il Programma delle Nazioni Unite per lo Sviluppo ha introdotto un indicatore chiamato Human Development Index (HDI), ovvero l’Indice di Sviluppo Umano [4]. L’indice è in realtà composto da 3 sotto-indicatori misuranti gli standard di vita, educazione e salute. In particolare, sono valutati rispettivamente longevità, anni di educazione e reddito nazionale lordo.

Una prospettiva interessante si ottiene confrontando l’indice HDI con l’impronta ecologica quantificata in “numero di pianeti terra” necessari per soddisfare i bisogni umani in un anno solare (Figura 1). Considerando un valore di HDI ritenuto alto a partire da 0,7 (su un valore massimo di 1) ed un valore teorico di impronta ecologica calcolato sulle risorse di un pianeta terra all’anno, è possibile ottenere una zona dove la prosperità umana viene soddisfatta e garantita senza superare i limiti naturali, ovvero la One Planet Prosperity (Figura 1).

Sono poche le realtà nazionali ed imprenditoriale che allo stato attuale ricadono nella zona della One Planet Prosperity, con alcune nazioni posizionate a valori estremi sia di HDI (e.g. HDI<0,5 in alcuni stati di Africa e Medio Oriente) che di impronta ecologica (e.g. nazioni in Asia ed EU con fabbisogni equivalenti pari a 8/9 pianeti annui) [1].Di conseguenza, due macro-strategie denominate “ Strategie One-Planet” possono essere attuate al fine di migliorare la sostenibilità di nazioni e soprattutto di singole realtà imprenditoriali, abilitando una transizione dal concetto di “companies” a quello di “One Planet Prosperity companies” (OPPC).

Come riportato in Figura 1, la prima strategia consiste nel favorire un sistema dove le OPPC provvedono ai fabbisogni primari della popolazione rimanendo però entro il limite di risorse pari a massimo un pianeta annuo (coinvolgimento degli SGDs 1, 3, 4, 5, 8, 10, 16, 17, ovvero quelli maggiormente incentrati sul benessere delle persone) [1, 5]. La seconda strategia consiste invece nella riduzione da parte delle OPPC della dipendenza dalle risorse, mantenendo tuttavia la capacità di soddisfare al meglio i bisogni delle persone e preservando al contempo l’ecosistema (coinvolgimento degli SDGs 2, 6, 7, 9, 11, 12, 13, 14, 15) [1, 5]. In questo caso, un passaggio da fonti di origine fossile a fonti rinnovabili può rappresentare una soluzione meno drastica ed applicabile in tempi più brevi rispetto ad una completa rivisitazione del modello di business secondo i principi dell’economia circolare.

L’adozione di una delle due strategie o l’unione di esse forniscono una nuova chiave di lettura per la sostenibilità d’imprese e possono contribuire a donare resilienza e vantaggio competitivo ai business. Fra i vantaggi più riscontrati fra le OPPC si annoverano:

• incremento dell’attrattività dell’azienda per investitori [6], clienti ed i migliori talenti;
• maggiore flessibilità e capacità di anticipare cambiamenti legislativi in materia di consumo risorse e produzione/utilizzo residui;
• maggiore capacità di resistere a fluttuazioni nei prezzi delle risorse, specialmente quelle in esaurimento [1].

Le attività principali per avviare un cambiamento con lo scopo di diventare una OPPC devono essere condotte in maniera continuativa secondo un ciclo composto da:

1. Quantificare gli impatti delle proprie attività sui tre pilastri della sostenibilità nel loro intero ciclo da inizio a fine;
2. Valutare la loro rilevanza nel contribuire alla trasizione verso la zona di “One Planet Prosperity”;
3. Guidare la propria strategia con azioni concrete, e.g. nuove attività di R&D, nuove acquisizioni, ristrutturazioni aziendali. [1]

Il concetto di One Planet Prosperity raffigura la chiara necessità di considerare i limiti del nostro pianeta, ricordando tuttavia che dalle azioni politiche ed industriali dipende il benessere delle persone e dell’intero ecosistema. Sviluppo umano e impronta ecologica sono due parametri che, seppure diversi fra loro, devono essere considerati insieme per comprendere il reale impatto che ogni strategia ha sulla sostenibilità. Solo attraverso scelte consapevoli è quindi possibile garantire un successo a lungo termine e capace di resistere a momenti di crisi come quello generato dalla pandemia globale.

C. Vinante, D. Basso

References

1. Global Footprint Newtork, Schneider Electrics, 2020. Strategies for one-planet prosperity. How to build lasting success on our finite planet.
2. WMO, 2020. United in Science 2020. [Online] public.wmo.int/en/resources/united_in_science
3. UNDP, 2020. Covid-19 and Human Development: Assessing the Crisis, Envisioning the Recovery. [Online] http://hdr.undp.org/sites/default/files/covid-19_and_human_development_0.pdf
4. UNDP, 2020. About Human Development. [Online] http://hdr.undp.org/en/humandev
5. Schneider Electric, GFN, 2020. Strategies for one-planet prosperity.How to build lasting success on our finite planet.
6. BlackRock, 2020. Sustainable investing: resilience amid uncertainty.

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The unresolved socio-environmental issues described in the first Green Paper dedicated to the agri-food industry impose the need to change the way we think and create economic value, especially in light of the phenomena that are occurring in recent years. The environmental crisis and ongoing climate change are affecting critical factors for agricultural activities, such as temperatures, rainfall and the availability of two key resources such as soil and water. These phenomena risk leading to the collapse of the productive capacity of a sector which, paradoxically, will be required to increase productivity, also as a result of a demographic expansion which according to the UN will bring the world population to about 9.8 billion people by 2050 [1].

Therefore, in this context it becomes crucial to identify innovative strategies that can provide food to a growing number of people through production techniques that can minimize the use of new resources and ensure better production yields compatible with life in ecosystems. The change must also involve distribution methods and consumption habits, especially to effectively combat the enormous problem of food waste along the supply chain and during the consumption phases (estimated in Italy alone at about 5 million tons of food every year) [2]. 

The conversion of the economic system to a model like the circular one is a complex process that requires the commitment and cooperation of three key social actors (Figure 1): businesses, which are required to convert production cycles through a significant increase in levels of innovation in order to optimize the management of resources throughout the supply chain; institutions, which on the one hand must provide an adequate system of incentives and facilities to stimulate entrepreneurship and innovation and on the other hand, together with businesses, play an important role in educating and empowering citizens about the importance of responsible consumption; consumers, whose purchasing and consumption habits must be more aware and sustainable.

In order to embark on this path of change it is essential to ensure that every innovative idea has the greatest possible chance of becoming a reality in order to ensure a high degree of innovation and entrepreneurial development. These factors are in fact fundamental in facilitating the transition to a circular economy. In this sense, the function of innovative startups (a specific type of company for which a series of facilitations and simplifications designed to promote entrepreneurship, especially that of young people, and to encourage businesses focused on the implementation of sustainable innovation projects) appears fundamental. 

Going deeper into the impact that the circular model can have on the entire economic system and in particular in the agri-food sector, it is important to highlight some critical issues that risk hindering the achievement of sustainability and circularity objectives in different production contexts. First of all, there is an energy problem due to the fact that recovery processes can be very expensive at an energy level and still too dependent on fossil fuels such as oil, gas and coal. In order to maximise production sustainability, a massive conversion of energy sources to renewable and clean forms is therefore urgently needed. Secondly, it must be specified that the processes of conversion of materials and production plants to a circular logic are sometimes still too expensive, both in terms of economic costs and time, therefore representing a threat to the survival of some companies. Nevertheless, It is essential to devise new technologies and improve existing ones in order to increase the efficiency of conversion processes and avoid that production from virgin sources is more advantageous than the one carried through circular logics [3]. Finally, it is important to underline how innovative startups, although fundamental for the development of a highly innovative economic model such as the circular one, are by their nature characterized by a high degree of uncertainty regarding the future success of the proposed ideas. 

As can also be seen from the definition of innovative startups identified by Italian law [4], the business proposals implemented by these companies are characterized by a strong innovative footprint that determines a lack of predictability with respect to future earnings and therefore also the survival of the company itself. This happens because the novelties brought to the market, in addition to requiring more time to establish themselves, often have a potential that is difficult to assess and precisely forecast because of the inherent difficulties in estimating the economic results obtainable from the innovative product and the relative customer perception. As a result, many startups are launched without a reliable assessment of what the future trend will be, therefore ignoring gaps and obstacles that threaten the life of the company itself at an early stage. This explains the huge difficulties encountered by many companies in this category in implementing a model as innovative but also as risky as the circular one (according to the Ministry of Economic Development, 52.1% of Italian innovative start-ups in 2018 were at a loss [5]). This also involves a further slowdown in the already slow path towards a sustainable economic system. The success of an “eco-centric” economic model such as the circular one appears to be strongly conditioned by the institutions’ policies (which, as already described, must provide for adequate national and international regulations able to facilitate the transition through incentives and facilitations as well as through education tools for raising awareness on sustainability issues) and by consumer behaviour (fundamental because it is a powerful tool to support sustainable businesses through more aware and responsible choices and habits, as explained above). These competitive forces must support companies, which instead have the most difficult task, i.e. to abandon production methods that are “comfortable” but highly incompatible with life on this planet by creating new opportunities for sustainable business. In order to avoid the ecosystem’s collapse, it is therefore crucial to implement technological innovations that allows the recovery and optimization of resources used in production cycles, but above all, the collective and coordinated participation of all social actors in a behavioral innovation that is focused on reducing consumption and that requires to understand how much more important intelligent consumption is with respect to not being able to consume intelligent resources [6]. To this date, circular economy represents of the most important tools at our disposal to stop the current social-environmental crisis, but its effectiveness once again depends on our choices and behaviour.

L’economia circolare e la sostenibilità nell’industria agroalimentare – Parte 2

Le irrisolte questioni socio-ambientali descritte nel primo Green Paper dedicato al settore agroalimentare impongono la necessità di cambiare il modo in cui pensiamo e creiamo valore economico, specialmente alla luce dei fenomeni che si stanno verificando in questi anni. La crisi ambientale ed i cambiamenti climatici in atto influenzano i fattori critici per le attività agricole, quali ad esempio le temperature, le precipitazioni e la disponibilità di due risorse chiave come suolo e acqua. Questi fenomeni rischiano di portare al collasso la capacità produttiva di un settore a cui paradossalmente sarà richiesto invece un incremento della produttività, anche per effetto di un’espansione demografica che secondo l’ONU porterà la popolazione mondiale a circa 9,8 miliardi di individui entro il 2050 [1]. 

In questo contesto diviene cruciale dunque individuare strategie innovative che sappiano fornire cibo ad un crescente numero di persone attraverso tecniche di produzione in grado di minimizzare l’utilizzo di nuove risorse e garantire rese produttive migliori e compatibili con la vita negli ecosistemi. Il cambiamento deve coinvolgere anche le modalità di distribuzione e le abitudini di consumo, soprattutto per contrastare efficacemente l’enorme problema degli sprechi di cibo lungo la filiera e durante le fasi di consumo (stimato solamente in Italia in circa 5 milioni di tonnellate di alimenti ogni anno) [2]. 

La conversione del sistema economico ad un modello come quello circolare è un processo complesso che richiede l’impegno e la cooperazione di tre attori sociali fondamentali (Figura 1): le imprese, alle quali è richiesto di convertire i cicli produttivi attraverso un sensibile incremento dei livelli di innovazione al fine di ottimizzare la gestione delle risorse lungo tutta la filiera; le istituzioni, che da un lato devono prevedere un adeguato sistema di incentivi e agevolazioni volti a stimolare l’imprenditorialità e l’innovazione e dall’altro, congiuntamente con le imprese, ricoprono un importante ruolo nell’educare e responsabilizzare i cittadini circa l’importanza di consumare responsabilmente; i consumatori, le cui abitudini di acquisto e di consumo devono essere maggiormente consapevoli e sostenibili.

Per intraprendere questo percorso di cambiamento è fondamentale garantire massima possibilità di concretizzazione ad ogni idea innovativa, al fine di assicurare un alto grado d’innovazione e sviluppo imprenditoriale, fattori fondamentali per favorire la transizione all’economia circolare. In questo senso appare fondamentale la funzione delle startup innovative, una specifica tipologia di società per le quali sono previste dall’ordinamento una serie di agevolazioni e di semplificazioni pensate per promuovere l’imprenditorialità, in particolare quella giovanile, e favorire imprese incentrate sull’attuazione di progetti di innovazione sostenibile. 

Approfondendo l’impatto che il modello circolare può avere sull’intero sistema economico ed in particolare nel settore agroalimentare, è importante sottolineare alcune criticità che rischiano di ostacolare il raggiungimento degli obiettivi di sostenibilità e circolarità nei differenti contesti produttivi. Esiste innanzitutto un problema energetico dovuto al fatto che i processi di recupero delle risorse consumate e delle materie prime esauste da reimmettere nel ciclo produttivo possono essere molto dispendiosi a livello energetico e ancora troppo dipendenti dai combustibili di origine fossile come petrolio, gas e carbone. Ai sensi di una massimizzazione della sostenibilità produttiva urge quindi una massiva conversione delle fonti energetiche a forme rinnovabili e pulite. In secondo luogo, occorre specificare che i processi di riconversione di materiali e impianti produttivi alle logiche circolari sono talvolta ancora troppo onerosi, sia in termini di costi economici che in termini di tempo, rappresentando una minaccia per la sopravvivenza di alcune aziende. Diviene fondamentale quindi ideare nuove tecnologie e migliorare quelle esistenti per incrementare l’efficienza dei processi di riconversione ed evitare che la produzione da fonti vergini risulti più vantaggiosa rispetto a quella realizzata mediante logiche circolari [3]. Infine, è importante sottolineare quanto le startup innovative, seppur fondamentali per lo sviluppo di un modello economico altamente innovativo come quello circolare, siano per loro natura caratterizzate da un alto grado di incertezza rispetto al successo futuro delle idee proposte. 

Come si evince anche dalla definizione di startup innovativa individuata dalla normativa italiana [4], le proposte di business implementate da queste società si caratterizzano per una forte impronta innovativa che determina una scarsa prevedibilità rispetto ai guadagni futuri e quindi anche alla sopravvivenza dell’azienda stessa. Questo accade in quanto le novità apportate sul mercato, oltre a necessitare di più tempo per affermarsi, possiedono spesso potenzialità difficilmente valutabili e decifrabili a priori proprio a causa delle difficoltà intrinseche nel preventivare i risultati economici ottenibili dal prodotto innovativo presentato e la relativa percezione sul mercato da parte dei consumatori. Di conseguenza molte startup vengono avviate senza un’attendibile valutazione di quello che sarà l’andamento futuro e quindi ignorando lacune e ostacoli che minacciano la vita dell’impresa stessa già nelle prime fasi. Questo spiega le ingenti difficoltà incontrate da molte imprese rientranti in questa categoria societaria nell’implementare un modello così innovativo ma anche così rischioso com’è il circolare (secondo il Ministero dello Sviluppo Economico il 52,1% delle startup innovative italiane nel 2018 risultava in perdita [5]) e manifesta un ulteriore rallentamento nel già lento percorso verso un sistema economico sostenibile. Il successo di un modello economico “eco-centrico” come può essere il circolare, appare fortemente condizionato dalle politiche delle istituzioni (che come già descritto devono prevedere adeguati sistemi di norme nazionali e comunitarie in grado di favorire la transizione con incentivi e agevolazioni oltre che con strumenti di educazione e sensibilizzazione delle masse ai temi della sostenibilità) e dal comportamento dei consumatori (fondamentale perché potente strumento di sostegno alle imprese sostenibili attraverso scelte e abitudini maggiormente consapevoli e responsabili, come spiegato in precedenza). Queste forze competitive devono sostenere le aziende, a cui invece spetta il compito più arduo, ovvero abbandonare modalità produttive “comode” ma altamente incompatibili con la vita su questo pianeta e creare nuove opportunità di business sostenibile. 

Per evitare il collasso degli ecosistemi da cui tutti dipendiamo, è dunque cruciale attuare un’innovazione tecnologica che consenta il recupero e l’ottimizzazione delle risorse impiegate nei cicli produttivi, ma soprattutto diventa vitale la partecipazione collettiva e coordinata di tutti gli attori sociali ad un’innovazione comportamentale che sia incentrata sulla riduzione dei consumi e che richiede di comprendere quanto consumare con intelligenza sia molto più importante che non riuscire a consumare risorse intelligenti [6]. L’economia circolare rappresenta ad oggi uno dei più importanti strumenti a nostra disposizione per arrestare la crisi socio-ambientale in atto, tuttavia la sua efficacia dipende ancora una volta dalle nostre scelte e dai nostri comportamenti.

Reference

1. United Nations, 2015. The 2030 Agenda for Sustainable Development. [Online] https://sustainabledevelopment.un.org/content/documents/21252030%20Agenda%20for%20Sustainable%20Development%20web.pdf
2. An.C., 2020. Dalla produzione al consumo, ogni anno in Italia 5,6 milioni tonnellate di cibo prodotto in eccedenza. [Online] https://www.ilsole24ore.com/art/dalla-produzione-consumo-ogni-anno-italia-56-milioni-tonnellate-cibo-prodotto-eccedenza-ACuLlqBB
3. Basso, D., Vinante, C., 2019. Il Ruolo dell’Educazione nella Transizione verso un’Economia Circolare. HBI Green Papers. [Online] https://www.hbigroup.it/2019/10/03/il-ruolo-delleducazione-nella-transizione-verso-uneconomia-circolare/
4. MISE, 2019. La policy del Governo a sostegno delle startup innovative: Scheda di sintesi. [Online] https://www.mise.gov.it/images/stories/documenti/Scheda%20di%20sintesi%20startup%2007_2019.pdf
5. UnionCamere, MISE, InfoCamere, 2020. Report con dati strutturali: Startup innovative. [Online] http://startup.registroimprese.it/isin/report_trim?fileId=4_trimestre_2019.pdf
6. Basso, D., Vinante, C., 2020. Vogliamo davvero un Sistema Economico 100% circolare?. HBI Green Papers. [Online] https://www.hbigroup.it/2020/01/23/do-we-really-want-a-100-circular-economic-system/

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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).

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.

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.

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

C. Vinante, D. Basso, R. Pavanetto

In the first part of the Green Paper dedicated to the analysis of pollutants in sewage sludge, the three main activities to assess the presence of xenobiotic substances capable of contaminating crops when this residue in used in agriculture were introduced, i.e. extraction, clean-up and instrumental analysis. Although the actual evaluation of the presence of pollutants occupies between 10% and 30% of the total time needed for the analysis, the extraction is fundamental to separate the pollutants from the rest of the compounds [1]. 

The extraction methodologies can be classified in two macro-categories [2]. The first concerns conventional methods, for which the Soxhlet one is the most widespread [3]. Invented in the second half of the 19th century, the Soxhlet method allows the extraction of organic pollutants from numerous environmental matrices, such as sediments, soil, dust and other solid samples [4, 5]. However, despite its popularity among liquid-solid extraction methods, Soxhlet has disadvantages in terms of solvent consumption (usually >100 ml) and time required for the extraction process (12 ÷ 48 hours) [2, 3]. The second category contains the “modern” methods, i.e. ultrasound-assisted extraction (UAE), microwave-assisted extraction (MAE) and finally pressurized liquid extraction (PLE, also called accelerated solvent extraction, ASE) [2]. The advantages of pressurized extraction techniques are the speed of execution and the relatively low solvent consumption. This is due to the use of solvents at high pressures (34 ÷ 107 bar) and temperatures (50 ÷ 200 °C), which, by increasing the solubility and desorption of pollutants, allow separation in an efficient and more sustainable way [3, 6]. The UAE method is another more efficient alternative to the Soxhlet method. The use of ultrasounds (20 kHz to 10 MHz) and subsequent separation through centrifugation allow the extraction of organic substances often compromised in the Soxhlet extraction process [2]. In case microwaves are used (frequency of 300MHz ÷ 300GHz), the MAE method allows to quickly extract organic compounds such as polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), polychlorobiphenyls and phenols [2].

Once the extraction process is completed, the clean-up allows to purify the extracts in order to increase the reliability of the results in the instrumental analysis phase. The purpose of purification is in fact to eliminate compounds which are potentially responsible for malfunctions in the measuring equipment, e.g. the sulphur contained in sewage sludge extracts [3]. The clean-up is usually divided into two stages, the first to remove unwanted elements (e.g. sulphur, lipids) and the second to isolate the pollutants of interest from other compounds. Both destructive and non-destructive variants can be found for the clean-up process [3].

Once the sample to be analyzed has been purified, the instrumental analysis allows to measure the pollutant charge present in the sludge under examination. The two most commonly used methods are gas chromatography and liquid chromatography. The first method is mainly used to assess the presence of hydrocarbons, pesticides, polybrominated diphenylethers, biphenyls, polychlorinated dibenzo-p-dioxins and organotin compounds [1]. In this case, gas chromatography acts as a separator and only in combination with a mass spectrometry can a detection of the aforementioned pollutants be obtained. However, mass spectrometry is not the only solution to measure the pollutant charge. In fact, there are many types of detectors, which differ from each other in principle of operation and application scenario. To analyze materials that cannot be manipulated by crystallization or distillation, liquid chromatography is the suitable separation method. Also in this case a second detection step, such as mass spectrometry, is necessary to verify the presence of pollutants, especially in the case of pesticides, for which gas chromatography and liquid chromatography followed by mass spectrometry are the reference technologies [3].

Innovations in the field of sewage sludge analysis are central to enable the development of increasingly optimized sustainable technologies for the recovery and valorization of this high moisture content residue. Speed, low resource consumption and accurate results are among the parameters that drive new technologies for extraction, purification and instrumental analysis. Technologies capable of carrying out these steps in a reliable, efficient and repeatable manner could in fact be able to continuously monitor the quality of the sludge for the subsequent treatment phases in order to make the most out of this residue currently at the center of controversy regarding its agronomic use and disposal. 

I processi per analizzare gli agenti inquinanti nei fanghi di depurazione – Parte 2

Nella prima parte del Green Paper dedicato all’analisi degli agenti inquinanti nei fanghi di depurazione sono stati introdotti le tre principali attività da compiere per valutare la presenza di sostanze xenobiotiche in grado di contaminare le colture nel caso di spargimento in agricoltura di tale residuo, ovvero estrazione, pulizia ed analisi strumentale. Per quanto la valutazione vera e propria della presenza di agenti inquinanti occupi fra il 10% ed il 30% del tempo totale del processo di analisi, l’estrazione risulta fondamentale per separare le tali sostanze dal resto dei composti [1].

Le metodologie di estrazione possono essere classificate in due macro-categorie [2]. La prima riguarda i metodi convenzionali, per i quali il metodo Soxhlet risulta essere il più diffuso [3]. Inventato nella seconda metà dell’Ottocento, il metodo Soxhlet permette di estrarre inquinanti organici da numerose matrici ambientali, come ad esempio sedimenti, terra, polveri ed altri campioni solidi [4, 5]. Tuttavia, nonostante la sua popolarità fra i metodi estrattivi liquido-solido, il Soxhlet presenta svantaggi in termini di quantità di solvente (solitamente > 100 ml) e di tempo (fra le 12 e le 48 ore) necessari [2,3]. La seconda categoria raggruppa i metodi “moderni”, ovvero l’estrazione assista con ultrasuoni (UAE), l’estrazione assista con microonde (MAE) e l’estrazione pressurizzata (PLE, chiamata anche estrazione accelerata con solvente, ASE) [2]. I vantaggi delle tecniche ad estrazione pressurizzata sono la velocità di esecuzione e il relativamente basso consumo di solvente. Ciò è dovuto all’utilizzo di solventi ad alte pressioni (34 ÷ 107 bar) e temperature (50 ÷ 200 °C), i quali, aumentando la solubilità ed il desorbimento degli agenti inquinanti, permettendo la separazione in maniera efficiente e maggiormente sostenibile [3, 6]. Il metodo UAE rappresenta un’altra alternativa più efficiente rispetto al metodo Soxhlet. L’utilizzo di ultrasuoni (20 kHz ÷ 10 MHz), seguiti da una separazione mediante centrifuga, permettono di estrarre anche sostanze organiche che spesso vengono distrutte o degradate con il metodo Soxhlet [2]. Nel caso vengano invece utilizzate microonde con frequenze comprese tra 300 MHz e 300 GHz, come nel metodo MAE, risulta possibile estrarre rapidamente composti organici come idrocarburi policiclici aromatici (IPA), policlorobifenili, fenoli [2].

Uno volta concluso il processo di estrazione, la pulizia permette di purificare gli estratti al fine di aumentare l’affidabilità dei risultati nella successiva fase di analisi strumentale. La purificazione ha infatti lo scopo di eliminare la materia potenzialmente responsabile di malfunzionamenti negli apparecchi di misura, e.g. lo zolfo contenuto negli estratti provenienti da fanghi di depurazione [3]. La pulizia viene solitamente divisa in due stage, il primo per rimuovere elementi indesiderati (e.g. zolfo, lipidi) ed il secondo per isolare gli agenti inquinanti di interesse da altri composti ed esistono varianti distruttive e non distruttive [3].

Una volta purificato il campione da analizzare, l’analisi strumentale permette di misurare la carica inquinante presente nel fango di depurazione sotto esame. I due metodi maggiormente utilizzati sono gascromatografia e cromatografia liquida. Il primo è principalmente utilizzato per valutare la presenza di idrocarburi, pesticidi, polibromodifenileteri, bifenili, policloro-dibenzo-p-diossine e stannati (composti dell’organotina) [1]. In questo caso, la gascromatografia funge da separatore e solo se accoppiata ad una spettrometria di massa permette di ottenere una rilevazione degli agenti inquinanti precedentemente elencati. Tuttavia, la spettrometria di massa non rappresenta l’unica soluzione per misurare la carica inquinante. Esistono infatti numerose tipologie di rilevatori, differenti fra loro per principio di funzionamento e scenario applicativo. Per analizzare materiali non manipolabili mediante cristallizzazione o distillazione, la cromatografia liquida è la metodologia di separazione adatta. Anche in questo caso è necessaria una seconda fase di rilevazione, come ad esempio la spettrometria di massa, per verificare la presenza di agenti inquinanti, specialmente nel caso dei pesticidi, per i quali gascromatografia e cromatografia liquida seguite da spettrometria di massa rappresentano le tecnologie di riferimento [3].

Le innovazioni nel campo delle analisi dei fanghi di depurazione sono centrali per sviluppare di tecnologie sostenibili sempre più ottimizzate per il recupero e la valorizzazione di tale residuo ad alto tenore di umidità. Velocità, basso consumo di risorse ed accuratezza nei risultati sono fra i parametri che più spingono le nuove tecnologie di estrazione, purificazione ed analisi strumentale. Tecnologie in grado di effettuare tali step in maniera affidabile, efficiente e ripetibile potrebbero infatti essere in grado di monitorare in continuo la qualità dei fanghi per le successive fasi di trattamento al fine valorizzare al meglio tale materia attualmente al centro di controversie riguardo il suo utilizzo agronomico ed il suo smaltimento.

References 

[1] Zuloaga, O., Navarro, P., Bizkarguenaga, E., Iparraguirre, A., Vallejo, A., Olivares, M., Prieto A, 2012. Overview of extraction, clean-up and detection techniques for the determination of organic pollutants in sewage sludge: A review. Analytica Chimica Acta, 736, 7-29.

[2] Kathi, S., 2017. An Overview of Extraction, Clean-up and Instrumentation Techniques for Quantification of Soil-Bound Xenobiotic Compounds. Xenobiotics in the Soil Environment, 101-118.

[3] Guo, Y., Kannan, K., 2015. Analytical methods for the measurement of legacy and emerging persistent organic pollutants in complex sample matrices. Comprehensive Analytical Chemistry, 67, 1-56.

[4] Hess, P., Boer, J.D., Cofino, W.P., Leonards, P.E.G., Wells, D.E., 1995.Critical review of analysis of non- and mono-ortho- chlorobiphenyls, J. Chromatogr., 26, 417–465.

[5] de Castro, M.D.l., Garcia-Ayuso, L.E., 1998. Soxhlet extraction of solid materials: an outdated technique with promising innovative future. Anal. Chim. Acta, 369, 1–10.

[6] Vazquez-Roig, P., Pico, Y., 2015. Pressurized liquid extraction of organic contaminants in environ- mental and food samples. TrAC Trends Anal Chem, 71, 55–64.