The bioeconomy of waste

Isabella Pisano, Researcher at University of Bari, during her speech at the Re-think Circular Economy Forum in Taranto last September, presented some case studies and scenarios of what is defined as the “circular bioeconomy“, the good “biotech” practices that she follows in the laboratories and then, through a SWOT analysis, she saw the strengths, weaknesses, opportunities but also threats of that certain practice.   

She began by defining the circular bioeconomy as an emerging knowledge-based business model for the development of products and processes based on renewable biological resources. The challenge of the bio-economy is to increasingly replace fossil fuels, and therefore it addresses a bio-based market for the production of new bio-products, ranging from food, energy, plastics, textiles to the chemical industry. For several years, researcher Pisano has been carrying out the study and implementation of various organic waste close to our territory with a view to its valorisation.    

Are we really talking about waste and refuse, or are we still talking about resources? 

Starting with an overview of the organic waste agenda that she has been working on, there are for example, waste from the dairy chain such as whey, which is highly developed in our area and whose production in Europe is around 90 million tonnes per year, and of which 40% is considered special waste under current legislation; lignocellulosic biomass, such as pruning waste, which is very often burned by small farmers, albeit in small quantities, or perennial herbaceous species that are found in marginal areas but could be fully exploited, while they are still considered waste, and the olive oil sector, which is also very present in the Mediterranean territories and for which, in accordance with the law, olive oil vegetation water can be disposed of by spreading it on the land. However, there are still valuable resources in this waste. In fact, vegetation waters contain compounds that have an even higher market value than extra virgin olive oil itself. Lastly, wool from sheep farms, where there are more than 1.2 million head of cattle in southern Italy alone, whose annual shearing returns a wool that is, to all intents and purposes, special waste. Wool is instead, like people hair, a source of keratin and protein, and we keep failing its exploitation.    

In the course of her research, she has developed a series of best practices with an approach that she calls ‘the 3Bs‘, where one B stands for ‘biotechnology‘, another for ‘bio-based economy‘ and the third for ‘biorefineries‘.   

Biotechnology is the technology that uses living organisms or parts of them to produce goods and consumption that benefit human health and the environment. The bio-based economy is the economy that starts with renewable resources and moves away from fossil fuels. Finally, biorefineries are the integrated approach of technologies that turn waste into a resource.  

To summarise the process, they begin with waste, defined as ‘biomass’, a starting material that is no longer a waste but that is already considered a resource, which enters a bio-process where it is treated and developed in research laboratories. Here, experiments and processes use micro-organisms to transform what is present in the starting biomass into finished products.    

For instance, zooming on whey, it has a high organic load due to the presence of lactose, which is a sugar. These micro-organisms are capable of transforming the sugar into another metabolite such as lactic acid, which can undergo chemical polymerisation to obtain PLA, finding application in the bioplastics field. Similar processes can also be applied to other type of biomasses. The focus, therefore, is on the sugar component, an important source for the growth and development of these micro-organisms which, as they grow, produce metabolites of interest, giving rise to microbial platforms that can solve many problems.   

However, it is necessary to analyse the context: when selecting a biomass, it is important to define the effects of this choice on the sustainability of the bio-process, because the chosen process is not always sustainable, no matter how hard researchers try to find the best solution.  

The questions that need to be asked then are: What are the ecological effects on biodiversity, water or soil quality? Is there competition with other resources? Very often, for example, researchers encounter this problem with water: on the one hand we solve the problem of waste, but on the other hand we deplete water. What is the local impact?    

Very often it is necessary to evaluate those aspects because, when developing a bio-process, tons of biomass are needed to produce kilos of a certain product, and if this is not available, the system will clearly not hold up. Finally, what is the effect on atmospheric emissions? While it is true that we are talking about bio-processes, it is fundamental to keep in mind that volatile compounds are released into the atmosphere and it is important to check that the effect is not totally negative.    

From the SWOT analysis presented by the researcher, the following points emerged:   

  • Strengths: With this type of biotechnological approach, the problem of fossil fuels is certainly solved, encouraging the replacement of these sources in favour of renewable ones. In addition, it is possible to talk about sustainable development as this type of bio-processes promotes the three pillars of sustainability: economy, society and environment.   
  • Weaknesses: the availability of resources very often represents a limitation to the emergence of these bio-processes and best practices, and the problem is underestimated. Despite the estimated volumes of whey or wool, there are many more that are not counted. Another weakness is the market: when an end buyer has to buy something it is clearly worth the cheapest, and very often bio-based products are more expensive than fossil-based products. It is therefore very important to raise awareness, to make people understand that this is an investment for the good of people and the environment.   
  • Opportunities: biotechnology is a multidisciplinary science that offers integrated solutions. The example of fermenters, i.e. bio-processes based on microbial platforms, was presented, but there are also membrane filtration systems, i.e. physical systems, which can be much more sustainable than others that use, for example, chemical solvents. Another opportunity is represented by public-private partnerships to support the agricultural sector, which very often cannot solve these problems on their own.   
  • Threats: among the main threats there are regulatory gaps, where it is not easy to disentangle the combination of waste, scrap and resource, and the high investments needed to implement bio-process plants.   

Watch the speech recording, in italian, to know more or check the final report of the event. 

Italiano

La bioeconomia degli scarti: nuovi scenari di sostenibilità

Isabella Pisano, Ricercatrice all’Università degli Studi di Bari, durante il suo intervento fatto a Re-think Circular Economy Forum di Taranto lo scorso settembre, ha presentato i casi studio e gli scenari di quella che viene definita la “bioeconomia circolare”, le buone pratiche “biotech” che lei stessa pratica nei laboratori e poi, attraverso un’analisi SWOT, vederne i punti di forza, di debolezza, le opportunità ma anche le minacce.  

L’intervento è iniziato definendo la bioeconomia circolare come un modello di business emergente che si fonda sulla conoscenza per lo sviluppo di prodotti e processi basati su risorse biologiche rinnovabili. La sfida della bioeconomia è proprio quella di sostituire sempre di più le fonti fossili, e quindi si rivolge ad un mercato bio-based che si occupa di produrre nuovi bio-prodotti, che vanno dal food, l’energia, la plastica, il settore tessile, fino all’industria chimica. Da diversi anni, la ricercatrice ha portato avanti lo studio e la realizzazione di diversi scarti organici vicini al nostro territorio in un’ottica di valorizzazione.   

Si parla davvero di scarti e di rifiuti, oppure si tratta ancora di risorse?   

Partendo da una panoramica di quella che è l’agenda degli scarti organici di cui si è occupata e ai quali si sta tutt’ora occupando, vi sono ad esempio il siero di latte, scarto della filiera lattiero-casearia, molto sviluppata nel nostro territorio e la cui produzione europea si aggira attorno ai 90 milioni di tonnellate l’anno, e di questi il 40% è considerato un rifiuto speciale ai sensi della normativa vigente; le biomasse lignocellulosiche come gli scarti di potatura che, molto spesso, seppure in piccole quantità, vengono bruciati dai piccoli coltivatori, oppure le specie erbacee perenni che stanno lì nelle aree marginali ma potrebbero essere assolutamente valorizzate, mentre ancora sono considerate dei rifiuti e la filiera olearia anch’essa molto presente nel nostro territorio per cui le acque di vegetazione olearie a norma di legge possono essere smaltite per spandimento nei terreni, ma perché buttare delle risorse? Nelle acque di vegetazione sono presenti dei composti che hanno un valore di mercato addirittura maggiore dello stesso olio extravergine di oliva. Infine, anche nel settore della lana da allevamenti ovini dove sono più di 1,2 milioni i capi di bestiame soltanto al Sud Italia che la cui tosatura annualmente restituisce una lana che è, a tutti gli effetti, un rifiuto speciale. La lana è, come i nostri capelli, una fonte di cheratina e proteine, e continuiamo a non sfruttarla.   

Durante la sua ricerca ha messo a punto una serie di buone pratiche con un approccio che lei stessa ha definito “delle 3B”, dove una B sta per “biotecnologie”, un’altra per “bio-based economy” e la terza per “bioraffinerie”.  

Le biotecnologie rappresentano quelle tecnologie che, utilizzando organismi viventi o parti di essi, producono beni e consumi utili alla salute dell’uomo e dell’ambiente. La bio-based economy è quell’economia che parte dalle risorse rinnovabili e abbandona il fossile ed infine, le bioraffinerie sono quell’approccio integrato di tecnologie che trasformano uno scarto in risorsa.

Schematizzando il processo, si inizia dagli scarti, definiti “biomasse”, materiale di partenza che non è più uno scarto ma è già considerata una risorsa, il quale entra in un bio-processo, curato e messo a punto nei laboratori di ricerca. Qui, esperimenti e processi sfruttano dei microrganismi, quindi organismi viventi, per trasformare quello che è presente nelle biomasse di partenza in prodotti finiti.   

Zoomando sul siero di latte, ad esempio, questo ha un carico organico elevato dovuto alla presenza di lattosio che è uno zucchero. Questi microrganismi sono capaci di trasformare lo zucchero in un altro metabolita, per esempio l’acido lattico, che può andare in polimerizzazione chimica per ottenere il PLA, trovando applicazione nel mondo delle bioplastiche. Processi simili possono essere applicati anche alle altre biomasse. Si punta, dunque, alla componente zuccherina, una fonte importante per la crescita e lo sviluppo di questi microrganismi che, crescendo, producono metaboliti di interesse dando vita a piattaforme microbiche che possono risolvere davvero tanti problemi.  

Tuttavia, è necessario fare un’analisi del contesto: quando si seleziona una biomassa è importante definire gli effetti di questa scelta sulla sostenibilità del bio-processo, perché non sempre il processo scelto è poi sostenibile, per quanto i ricercatori si sforzino a trovare sempre la soluzione migliore. Quali sono le domande che ci si deve porre allora: Quali sono gli effetti ecologici sulla biodiversità, sulla qualità dell’acqua o del suolo? C’è competizione con altre risorse? Molto spesso, ad esempio, si incontra questa criticità con l’acqua: da un lato si risolve il problema dello scarto, ma dall’altro si va a depauperare dell’acqua. Qual è l’impatto locale?   

Molto spesso si rende necessario valutare questi aspetti, perché, quando si mette a punto un bio-processo, per produrre chili di un certo prodotto si necessitano tonnellate di biomassa, e se questa non è a disposizione chiaramente il sistema non reggerà. Infine, qual è l’effetto sulle emissioni in atmosfera? Se è vero che si parla di bio-processi, bisogna comunque sempre ricordare che vengono immessi in atmosfera dei composti volatili di cui è importante verificare che l’effetto non sia totalmente negativo.   

Dall’analisi SWOT presentata dalla ricercatrice emergono i seguenti punti:  

  • Punti di forza: con questo tipo di approcci biotecnologici sicuramente viene risolto il problema del fossile, favorendo la sostituzione di queste fonti a favore di quelle rinnovabili. Inoltre, si può parlare di sviluppo sostenibile poiché con questo tipo di bio-processi si favoriscono i tre pilastri della sostenibilità: economia, società ed ambiente.  
  • Debolezze: la disponibilità delle risorse molto spesso rappresenta un limite all’affermarsi di questi bio-processi e buone pratiche, inoltre si ha una sottostima del problema, il quale si trova a monte ed è davvero consistente. Nonostante i volumi di siero di latte o di lana stimati, ve ne sono molti altri che non vengono conteggiati. Un’altra debolezza è il mercato: quando un acquirente finale deve acquistare qualcosa chiaramente vale il basso economico, e molto spesso i prodotti bio-based sono più costosi dei prodotti da fonti fossili. È quindi molto importante intervenire sulla sensibilizzazione, sul far comprendere che si tratta di un investimento per il bene dell’uomo e dell’ambiente.  
  • Opportunità: le biotecnologie sono una scienza multidisciplinare che offre soluzioni integrate. È stato presentato l’esempio dei fermentatori, ovvero dei bio-processi basati su piattaforme microbiche, ma esistono anche dei sistemi di filtrazione a membrana, cioè sistemi fisici, che possono essere molto più sostenibile rispetto ad altri che utilizzano, ad esempio, solventi chimici. Altra opportunità è rappresentata dalle partnership pubblico-private a sostegno del comparto agricolo, che molto spesso da solo non ha la possibilità di risolvere tali problemi.  
  • Minacce: tra le principali troviamo i gaps normativi, per cui non è facile districarsi nel connubio tra rifiuto, scarto e risorsa, e gli investimenti elevati necessari per implementare gli impianti con i bio-processi.   

Per maggiori dettagli guarda la registrazione dell’intervento o consulta il report finale dell’evento. 

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