La Chimica Permea le altre Scienze!

I Principi della Chimica / Ingegneria Verde

(un Contributo Importante alla Sostenibilità).

Prof. Attilio Citterio

Dipartimento CMIC “Giulio Natta”

http://iscamapweb.chem.polimi.it/citterio/education/course-topics/

School of Industrial and Information Engineering Course 096125 (095857)

Introduction to Green and Sustainable Chemistry

La Chimica Permea le altre Scienze!

Chimica

Scienza della Salute

Matematica Informatica

Astronomia

Fisica

Cultura Materiali

Geologia (micro)biologia

biotecnologia Scienze

Ambientali

Farmacia

La Chimica è Dovunque!

http://www.chemistryandyou.org/

Abbigliamento ; 6,3 Agricoltura; 6,4

Elettronica; 3,9

Macchine d'ufficio;

0,7 Macchine Industriali; 1,9 Prodotti metallici;

2,5

Servizi; 16,4

Resto produzione;

6,1 Costruzioni; 5,4 Trasporti; 5,3

Carta e Stampa; 4,5 Prodotti di

consumo; 30,3

Resto dell'industria; 10,3

Evoluzione delle Quote di Produzione - Chimica Mondiale

4

2005 2010 2015

Unione europea 28% 21% 15%

USA 22% 16% 15%

Cina 12% 24% 40%

69%

54% 41%

31% 46%

59%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Emergenti

Avanzati -15

-13

2005 2010 2015

Industria Chimica:

Scenario Mondiale e Europeo.

Distribuzione geografica

della produzione chimica in UE

(miliardi di euro, anno 2015)

UE = 520 miliardi di euro

148 74

52 Germania

Francia Italia Regno Unito

Paesi Bassi Spagna Belgio Austria 13 Polonia 11 Irlanda 9 Svezia 8 Finlandia8 Rep. Ceca6

Ungheria 6 Altri 22

45 42 39 37

Distribuzione geografica

della produzione chimica mondiale

(miliardi di euro, anno 2015)

Nota: Europa

= UE e non UE (Russia, Turchia, Svizzera, Norvegia, Ucraina) Resto Asia

= Asia esclusi Cina, Giappone e Corea del Sud

Il dato dei Paesi Bassi include molte attività puramente commerciali

Mondo = 3.534 miliardi di euro

Resto _Giappone

Cina Europa _USA Asia America

Latina Corea Altri del Sud

1.409

615 519

136 135 108

497

115

http://www.federchimica.it/docs/default-source/la-chimica-in-cifre/l'industria-chimica-in-cifre_giugno-2017.pdf

L'Industria Chimica Europea (2016).

Numero di aziende

28,221

Turnover

€ 520.2 miliardi

Occupazione diretta

1,155,000

Spese per R&D

€ 9.14 miliardi

Dimensioni della Chimica in Italia, anno 2016

(miliardi di euro, salvo diversa indicazione).

7

Imprese (numero) Occupati (migliaia) Investimenti Spese R&S

Industria Chimica

Chimica e Farmaceutica Produzione

Esportazioni Importazioni

Saldo commerciale Domanda Interna

Incidenza sull’industria manifatturiera Fatturato

Export

51.6 27.5 34.6 -7.1 58.6

2.810 108.1 1.7 0.5

3.256 172.1 2.8 1.2 81.6 48.8 57.4 -8.6 90.2

6%

7%

9%

12%

Nota: spese R&S e investimenti, ultimo anno disponibile 2014 Fonte:

Federchimica / elaborazioni e stime su Istat

Germania 28,5%

Francia 14,3%

Belgio 7,0%

Spagna 7,5%

Paesi Bassi 8,0%

Regno Unito 8,7% Italia 10,0%

Altri 16,0%

Mercato dei Prodotti Chimici – Mondo.

• Il fatturato del mercato mondiale di prodotti

chimici è stimato in €3,156 miliardi nel 2015 e cresce del 2.4%.

• Il tasso di crescita delle vendite è stato

decisamente più ridotto rispetto al tasso

decennale, (10.3 per cento dal 2003 al 2012)

• L'industria chimica EU è seconda, assieme al

NAFTA nelle vendite totali, ma ha una crescita

inferiore a quella dell'Asia

Processi di Direzione Tecnologica.

27.

Audit Post- Progetto

Azienda

R&D Centrale Unità

Produttiva

4.

Sviluppo Nuovi BU

(Corp) 1.

Monitoraggio Ambientale

(corp.)

2.

Strategia Attività (corp.)

3.

Strategia Tecnologica

(Corp)

12.

Alleanza Tecnologica

Mgt

8.

Strategia Produttiva

(BU) 7.

Monitoraggio Ambientale

(BU) 9.

Strategia Tecnologica

(BU)

13.

Portafoglio Prodotti Mgt (BU)

12.

Pianificaz.

Prodotto (BU)

5.

Monitoraggio Ambientale

(R&D)

6.

Strategia Tecnologia

(R&D)

19.

Ideazione

20.

Fattibilità

21.

Scelta Iniziale progetto

22.

Esecuzione Progetto

25.

Supporto Post- progetto 26.

Adozione Tecnologie

16.

Capitali

15.

Personale Mgt

17.

Perform.

Mgt 18.

Proprietà Intellettuale

Mgt

23.

Valutazione necessita tecnologia

14.

Portafoglio R&D (Mgt)

24.

Trasferim.

Tecnologia 11.

Percorso Tecnologico

(BU)

La Chimica Contribuisce su Tre Livelli allo Sviluppo Sostenibile.

La chimica può contribuire su tre livelli allo sviluppo sostenibile:

1. Fornitura di prodotti chimici che procurano ed assicurano ricchezza sociale ed economica.

2. Conservazione delle risorse sviluppando:

a. Processi chimici più efficienti b. Fonti rinnovabili di energia

c. Prodotti chimici che aumentino significativamente l’efficienza dei processi di produzione e dei prodotti in altre aree,

d. Prodotti che permettano ai consumatori di usare le risorse più efficientemente,

e. Prodotti creati per progettazione basata sul concetto di riciclo, e f. Prodotti derivati da risorse rinnovabili.

3. Gestione delle risorse, sostanze e materiali in modo salubre e

ambientalmente compatibile.

Numero Stimato di Composti Chimici (stime EPA e UE, 2010).

Numero di Composti Chimici:

Composti Chimici in Commercio:

Composti Chimici Industriali:

Nuovi Composti Chimici:

Pesticidi:

Additivi Alimentari:

Ingredienti Cosmetici:

Farmaci per l’uomo:

28,000,000 10,000,000 240,000 3-4,000 800 9,500 8,500 3,500

(in milioni di prodotti) /anno

(in 21,000 prodotti)

(in 50,000 prodotti)

• Limitando la sintesi strettamente alla combinazione di 30 atomi di C, N, O, o S, sono possibili più di 10

strutture diverse !

• Espandendo gli elementi disponibili ad altri eteroatomi (quali, P e alogeni), i

limiti al numero di possibili strutture supera l’immaginazione. Il tutto è anche

noto come “spazio chimico”

Il Mercato Chimico in Europa.

• L'industria chimica abbraccia

virtualmente tutti i settori della

economia e le sue strategie impattano direttamente sugli utilizzatori a valle.

• I grandi utilizzatori di prodotti chimici sono i settori

gomma e plastica, costruzioni, carta, e l'industria

automobilistica.

Struttura della Chimica Organica Industriale.

Fonte Naturale

Materie prime

Materiali di Base

Intermedi e Monomeri

Prodotti Chimica Fine e Polimeri

Separazione

Trasformazione

Funzionalizzazione

Sintesi

Attività generica Numero approssimato

di Sostanze

3

10

50

500

70000

Petrolio come Fonte di Composti Chimici Organici di Base ed Intermedi.

Industria del Gas Naturale

Raffina- zione petrolio

Materia prima Etano

Propano Butano Nafta Gasolio Greggio

‘Olefine’ di Raffineria

Benzine da Pirolisi

Riformato

Nafta/LPG

Cracker Etilene

Industria di lavorazione Idrocarburi

Industria Petrochimica di base

Pretrattamenti per benzine da

pirolisi

Singas per Ammoniaca

Singas per

Estrazione e Conversione

Aromatici

Sintesi di Ammoniaca

Sintesi del Separazione

Etilene/

Propilene

Separazione/

Conversione Butadiene

Composti Chimici di Base

Olefine Etilene Propilene Butadiene

Aromatici Benzene Toluene Xilene

Prodotti Singas Ammoniaca Metanolo

Percorsi nell’Industria Chimica Organica.

La figura a lato illustra la complessità dell’industria chimica, mostrando la varietà dei prodotti che si ottengono dalle materie prime idrocarburiche.

Molti prodotti sono intermedi per il resto dell’industria chimica e hanno un uso limitato come tali.

Come conseguenza di questa

complessa sintesi a stadi di prodotti, si ha raramente unità singole di

produzioni destinate ad un solo

prodotto. Al contrario, le installazioni chimiche sono di norma unità grandi, altamente integrate che combinano molti impianti diversi.

I Prodotti in questi stadi sono detti

“Commodity Organic Chemicals”.

La Produzione Chimica Globale Raddoppia Ogni 25-Anni.

0 100 200 300 400

1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 2016 2018 2020 2022 2024 2026 2028 2030

Indice di produzione = 131 nel 2006, base 1997 = 100

Indice di produzione = 231 nel 2022, base 1997 = 100

Ma …..

Incidenti Rilevanti: Passato e Recente!!

BASF,

• Oppau/Ludwigshafen, 21 Settembre 1921

• Cratere di: 80 m di diametro, e 16 m di profondità

• 450 morti

AZF, Tolosa,

• 21 Settembre 2001

• Cratere di 50 m di diametro, e 10 m di profondità

• 29 morti

Disastri Ambientali.

Domenica 10 Luglio 1976 alla ICMESA saltò il disco di rottura di un reattore chimico. Il servizio di manutenzione sentì un sibilo intenso e si vide uscire una nube di vapore da un'apertura nel tetto. Dal sito si prigionò una densa nube bianca di notevole altezza. Il rilascio durò 20 minuti. Circa un'ora dopo il rilascio gli operai furono in grado di immettere acqua di raffreddamento nel reattore.

Dalla nube bianca rilasciata si depositarono delle sostanze tra cui la TCCD, un materiale aromatico clorurato molto tossico. La vicina citta di Seveso, distante 25 km da Milano, aveva circa 17,000 abitanti. Non si ebbero morti attribuiti alla

TCCD ma molti individui si ammalarono. Numerose donne incinte esposte al

rilascio subirono aborti. Nell'area contaminata vari animali morirono.

Risorse

Rinnovabile Non rinnovabile

Energia Solare Aria, Vento

Suolo, Piante Acqua, Maree, Correnti

Comb. Fossili Petrolio

Carbone Gas Naturale

Minerali non metallici Sali Fosfati

Minerali metallici Ferro Rame Alluminio

Risorse = Materia Ottenuta dall’Ambiente

(vivente o non) per Soddisfare i Bisogni Umani.

Risorse Non Rinnovabili e Rinnovabili.

Risorse Non Rinnovabili: Quelle che sono estratte dalla terra

Dell’energia è necessaria per:



estrarre e lavorare le risorse in una forma utilizzabile



acquisire le risorse lavorate e

convertirle in una forma utilizzabile

Risorse Rinnovabili: quelle che

vengono rigenerate nei cicli naturali:

• derivate da organismi viventi (piante, animali)

• derivanti da cicli biogeochimici

veloci (acqua, CO , suolo)

Economie di Transizione Resto del mondo

Paesi Industrializzati Paesi Asiatici Sviluppati

51 24 %

% 15

%

10

%

38

% 32

% 19

%

11

46 %

% 27

% 16

%

11

%

2010

Totale 11.9 GTep 2020

Totale 14.8 GTep 2000

Totale 9.6 GTep

Consumo Mondiale di Energia per Area Geografica.

GTOE = Giga-ton di petrolio equivalente

E’ Essenziale che Chimici, Ingegneri e Pubblici Amministratori Prestino

Maggiore Attenzione alle Conseguenze Ambientali dei Prodotti Chimici e dei Processi ed Attività Correlate con cui

questi Prodotti sono Realizzati.

Nuova Sensibilità.

Non si deve dimenticare la nostra

Percezione della Chimica in Evoluzione.

Prodotti a valore

aggiunto da quasi tutte le materie prime .

“Scienza dell'utile”

“Scienza centrale”

“Scienza Integrativa”

“Scienza della Sostenibilità”

La comprensione molecolare dei processi biologici e

della materia chimica

Pianeta con carenza di

risorse

Risorse Illimitate

Componente Ecosistema

Degradazione illimitata a scarto

Tipo I

Scarti Limitati

Componente Ecosistema Componente

Ecosistema

Componente Ecosistema

Energiae Risorse Limitate

Tipo II

Componente Ecosistema Componente

Ecosistema

Componente Ecosistema

Energia e Risorse Limitate

Tipo III

Ecologia Industriale (Obiettivi).

Valorizzazione della Catena di Sostenibilità.

Tecnologia

Progettazione / produzione

Distribuzione / vendite

Uso / consumo

Infrastruttura Sociale

Discarica / riciclo

Consapevolezza Pubblica Adatto

smaltimento Riuso

Uso Informazione

Ambiente Naturale Materiali

Parti Prodotti

Sistema

Riuso Uso

Uso

Fonti: Kitakyuchu Ecotown, 2001 Riciclaggio

”Dalla nascita alla morte”

Impatti su:

• Salute umana

• Ecosistemi

• Risorse

Valutazione del Ciclo di Vita.

Pensare in base al Ciclo di Vita.

Pensare in Base al

Ciclo di Vita

Supporto alle Decisioni di Sostenibilità

Il processo di tener conto nel prendere decisioni, per quanto possibile, di tutte le implicazioni su risorse, consumi, ambiente, salute, socialità e economia che sono associate al ciclo di vita di un prodotto (bene o

servizio), considerando per es. l’estrazione delle risorse, la produzione, l’uso, il trasporto, il riciclo e lo smaltimento dei rifiuti.

Questo processo aiuta a evitare lo "spostamento del danno", cioè degli impatti o del consumo delle risorse, fra le fasi del ciclo di vita, aree

geografiche, e problemi ambientali e di salute umana, quali il

Cambiamento Climatico, lo Smog Fotochimico, le Piogge Acide, ecc..

Pensare in Termini di Ciclo di Vita.

Pensare in termini di ciclo di vita amplia la prevenzione dell’inquinamento con l’inclusione del ciclo di vita completo del prodotto e della

sostenibilità. Ridurre le fonti nella prospettiva del ciclo di vita equivale al rispetto dei principi di “eco-design” o alla cosiddetta “filosofia delle 6 R”:

• Ri-pensare il prodotto e le sue funzioni. Si possono usare i prodotti più efficientemente, riducendo così l’uso delle fonti e risorse naturali.

• Ri-durre i consumi di energia e materiali via analisi del ciclo di vita.

• Ri-mpiazzare sostanze pericolose con alternative ambientalmente più compatibili.

• Ri-ciclare. Scegliere i materiali che si possono riciclare, e fabbricare il prodotto per poterlo disassemblare facilmente per riciclarlo.

• Ri-usare. Progettare il prodotto in modo da riusarne le parti.

• Ri-parare. Rendere il prodotto facile da riparare in modo da evitare

di doverlo sostituire.

Prodotti più Sostenibili (EPP) - Scelti

Combinando Standard Esistenti e Nuovi.

Contenuto Riciclato Parte organica

Basse emissioni Efficienza

energetica Biodegradabile Bassa/0 tossicità

Focalizzato su:

Attributi Prodotto :

• Contenuto prodotto

• Profilo emissioni

• Caratteristiche Prestazioni

EPP

Ambientalmente preferibile, Ben condotto, Sostenibile

Focalizzato su:

Processo:

• Energia

• Consumi

• Fonti d'origine

• Generazione di scarti

• Emissioni in aria e acqua

Energia

Rinnovabile

ISO 14000

ISO 9000

LCI/LCA

GHG

Chimica Verde: Spinte Socio-Economiche.

Inaccettabile impatto ambientale da processi chimici inefficienti e prodotti pericolosi.

Contorno Olistico

Minimizzare scarti e sottoprodotti

migliorare

l'ambiente, salute e sicurezza

relazioni e

attitudini pubbliche migliorate

Risorse rinnovabili

Efficienze energetiche

migliorate

Tecnologie

sostenibili

Ecologia industriale = scienza della sostenibilità con enfasi sull’attento uso e riuso delle risorse

Chimica verde e sostenibile

= scienza delle trasformazioni

chimiche connesse allo sviluppo di processi e prodotti per ridurre o eliminare le sostanze pericolose e usare efficientemente le risorse,

Ingegneria Verde e Sicurezza Intrinseca = Scienza rivolta alla riduzione/ eliminazione dei pericoli associati ai materiali usati e alle operazioni di trasformazione, con inserimento permanente ed inseparabile nei processi industriali.

Ecologia industriale

Sviluppo sostenibile

(DfE)

Progettazione per l’ambiente

Chimica Sostenibile

Ingegneria sostenibile

Ecologia Industriale - Chimica per la Sostenibilità -

Sicurezza Intrinseca – Ingegneria per la Sostenibilità.

Il punto cruciale dei nuovi approcci è il concetto di progettazione ‘design’. E’

un principio fondamentale che i prodotti e processi siano progettati per realizzare una funzione eco- compatibile. Il 70% dei costi di sviluppo, produzione ed uso di un prodotto è determinato nella fase

iniziale di progettazione. Ciò rende ‘la progettazione per l’ambiente’ un

fattore determinante critico della competitività di un prodotto.

Inizio Costi

R&D, Progettazione Produzione Tempo

- Costo - Uso risorse - Emissioni - Residui

€, kWh,

kg

La fase di progettazione fornisce la massima flessibilità nel scegliere le materie prime, le trasformazioni da adottare e i relativi processi. Per poter progettare, bisogna essere in grado di analizzare, caratterizzare, quantificare

decisione

Progettazione per l’Ambiente (DfE).

CHIMICA VERDE (PER LA SOSTENIBILITÀ).

DEFINIZIONE (“Americana”)

La Chimica Verde è l’utilizzo di un insieme di principi atti a ridurre o eliminare l’uso o la generazione di sostanze

pericolose nella progettazione, manifattura ed applicazione dei prodotti chimici

.

E’ una filosofia che si applica a tutte le aree della chimica, non ad una singola disciplina della chimica.

LA CHIMICA SOSTENIBILE SI INTERESSA DI:

•

Minimizzazione degli scarti, riduzione dell’uso di Energia e Risorse

•

Riciclo di prodotti e materiali (uso di Catalizzatori anziché Reagenti)

•

Applica soluzioni scientifiche innovative a problemi ambientali del mondo reale (previene l’inquinamento a livello molecolare)

•

Riduce gli impatti negativi di prodotti e processi chimici sulla salute umana e sull’ambiente

•

Progetta prodotti e processi chimici per ridurre il pericolo intrinseco.

* Green Chemistry Theory & Practice, P T Anastas & J C Warner, Oxford University Press 1998

Definizione “Europea”.

“La Chimica Sostenibile (Verde) mira a raggiungere

significativi miglioramenti nella eco-efficienza dei prodotti, servizi e processi chimici, in modo da ottenere un ambiente sostenibile, più pulito e più sano ed un profitto competitivo”

“La progettazione di prodotti per applicazioni sostenibili e la loro

produzione per trasformazioni molecolari che sono efficienti in energia, minimizzano, o meglio eliminano, la formazione di scarti e l’uso di

solventi e reagenti tossici o pericolosi ed utilizzano, ove possibile,

materie prime rinnovabili. La Chimica Sostenibile si occupa perciò di

scoprire ed applicare nuova chimica/tecnologia per prevenire/ridurre

l’impatto sull’ambiente, sulla sicurezza e sulla salute alla sorgente,

operando a livello molecolare.”

CHIMICA VERDE

Uso di Risorse Rinnovabili Uso di Solventi

alternativi di pulizia

Efficienza Atomica Minimizzare

la produzione di rifiuti

Efficienza energetica

Fonti energetiche

alternative

Minimizzare l’uso di composti chimici tossici e pericolosi Minimizzare

rischio e Incidenti

Progettare per degradare

Celle a combu- stibile

Microreattori

Riciclare dove possibile

Plastiche Biodegradabili

Aspetti della Chimica Sostenibile.

Processi di Separazione

Reazioni e Reagenti più sicuri

Chimica Sostenibile

Intensifica zione di Processo

Minimizzazione degli scarti Efficienza

Energetica

Catalisi

Sostituzione Solventi

Uso di Materie prime

Rinnovabili

Aree di Tecnologie della Chimica Verde.

• Progettazione di prodotti

“Green” benigni per l’uomo e l’ambiente

• Materie prime rinnovabili

• Nuove reazioni

• Nuovi catalizzatori

• Solventi

• Miglioramento di Processo

• Tecnologie di Separazione

• Tecnologie abilitanti, quali modellizzazione, analisi, ecc.

• Fonti energetiche

sostenibili

1. Progetto prodotto

“Green”

2. Materie prime

3. Nuove Reazioni

4. Nuovi

Catalizzatori 5. Solventi 6. Processi 7. Separazioni 8. Abilitanti

Progettazione ciclo di vita

Olefine da alcani

Combinare bio- e chimica

Catalizzatori solidi

Sistemi a ciclo chiuso

Usare la sintesi di processo

migliori dati su membrane

Modellizzaz.

integrata

Riciclo esteso

Riciclo plastiche

Reagenti più compatibili

Reazioni enzimatiche

pratiche

Fluidi supercritici

Fonti energetiche

alternative

Membrane per solventi organici

Analisi veloce in

linea Progettazione

per riciclo e riuso

Da scarti a materie

prime

Reazioni favorite da membrane

Sintesi chirale

Adatti liquidi ionici

Reattori a disco rotante

Riduzione costi cromatografie

Analisi più facile del ciclo di vita integrazione

prodotti e processi

Vie migliori a particelle piccole e nano

Sviluppo e ampliamento

di scala

Reazioni senza solvente

Controllo in tempo reale

Biosensori per fermentazioni,

anticorpi

Sfruttare le HTE esistenti

Conoscenze a valle

Biotecnologia industriale

Nuovi microreattori.

microcanali

Migliore sperim. ad

alta produttività particelle

piccole e nano

Modellazione di processo

Modelli semplici e migliori

Opportunità di Tecnologie Chiave.

Diagramma Schematico di un Tipico Processo Produttivo Chimico.

Materiale d’imballaggio

Materie prime

Acqua

Energia Reazioni

chimiche

Separazione e raffinazione

Prodotti Fornitori

Recuperi Energia Sotto-prodotti

Atmosfera Sistemi di

controllo emissioni

Sistemi di controllo

Scarti

Discariche Incenerimento

Trattamenti

Reflui al sistema

NOTA: VOC = composti organici volatili, TRI = inventario rilasci tossici, ODS = sostanze che riducono l’ozono, GLW = Scarti Liquidi, TOC = carbonio organico totale, BOD = richiesta biologica di ossigeno.

Misure Usate nella Produzione Chimica.

Materiale di imballaggio

Kgs/Kg prodotto

Materie prime Kgs/Kg prodotto

% rinnovabile

Acqua

Litri/Kg prodotto

Energia

Energia (Costo/kJ) Energia Netta (kJ/kg)

Energia Netta (kJ)

Reazioni chimiche

Separazione e

raffinazione Prodotti

Etichettatura

Venditori Addestramento

Recuperi Energia Sotto-prodotti

Kgs/kg prodotto

Atmosfera Strumenti di

controllo emissioni

Sistemi di controllo

Scarti

Classificaz.

Pericolosi e Non- pericolosi

Discariche Incenerimento

Trattamento

Reflui al sistema idrico Condizione acque

TOC, BOD, Kgs/kg prodotto Kgs. Scarto pericoloso

/kg. prodotto Kgs. Scarto non pericoloso/kg. prodotto

Altri:

Responsible Care Compliance Incident Documentation Worst-Case Scenarios Environmental Audits

Illness and Injury Frequencies Employee Wellness

Employee Training

Resa finale

Ottim. processo Rese Primo-passo prima-qualità

Percento riusabile, riciclabile, biodegradabile Emissioni particolato Emissioni VOC Emissioni TRI

Emissioni ODS Emissioni GLW Emissioni piogge acide

… una crescente frazione di queste aree di prodotto devono essere associate alla tecnologia di processo verde e sostenibile …

Settori Emergenti

Additivi per formulazioni

Pigmenti, coloranti Sistemi per

stile di vita

Materiali IT correlati Composti

a effetto Farmaceutici,

sanitari

Prodotti per la persona

Polimeri ad alte prestazioni Materiali

per la moda

Prodotti per cibi, bibite e confezioni

Importanti Aree di Prodotti nel III° Millennio

SINTESI IDEALE DI

UN COMPOSTO

Semplice

Resa 100%

Materiali Disponibili Efficienza

Atomica

Ambientalmente accettabile Sicura

Mono stadio

Nessun reagente smaltito

“I Principi della Chimica Sostenibile”

(esempio: sintesi chimica ideale).

Clark, J.H. Green Chemistry, 1999

I 12 Principi della Chimica Sostenibile (1-6).

1. Prevenzione

E' meglio prevenire gli scarti che trattarli o bonificare gli scarti una volta creati.

2. Economia Atomica

I metodi sintetici devono essere progettati in modo da massimizzare l'incorporazione di tutti i materiali usati nel processo nel prodotto finale.

3. Sintesi Chimica Meno Pericolosa

In tutti i casi sia possibile, i metodi sintetici devono essere progettati per usare e generare sostanze che dimostrino poca o nulla tossicità verso le persone e l'ambiente.

4. Progettazione di Composti Chimici Salubri

Si devono progettare prodotti chimici per assolvere la funzione attesa minimizzandone nel contempo la tossicità.

5. Solventi e Ausiliari più Salubri

L'uso di sostanze ausiliarie (quali, solventi o agenti di separazione) per quando possibile devono essere evitati e, se usati, devono essere innocui.

6. Progettazione per l'Efficienza Energetica

I requisiti energetici dei processi chimici devono essere riconosciuti per il loro impatto ambientale ed economico e si devono minimizzare. Se possibile, i metodi sintetici devono

I 12 Principi della Chimica Sostenibile (7-12).

7 Uso di Materie Prime Rinnovabili

 Una materia prima o precursore deve essere rinnovabile piuttosto che non rinnovabile per quanto tecnicamente ed economicamente fattibile.

8 Limitare i Derivati

 Si devono minimizzare, o se possibile eliminare, le derivatizzazioni non necessarie (uso di gruppi bloccanti, protezioni/de-protezioni, e modifica temporanea di processi fisici/chimici), in quanto questi stadi richiedono ulteriori reagenti e producono scarti.

9 Catalisi

 I reagenti catalitici (il più selettivi possibile) sono superiori ai reagenti stechiometrici.

10 Progettazione per la Degradazione

 Si devono progettare prodotti chimici in modo che alla fine del loro ciclo di vita possano decomporsi in prodotti di degradazione innocui e non persistano

nell’ambiente.

11 Analisi in tempo reale per la Prevenzione dell’Inquinamento

 Si devono sviluppare ulteriormente le metodologie analitiche per consentire il monitoraggio e controllo in tempo reale e all’interno del processo prima della formazione di sostanze pericolose.

12 Chimica Intrinsecamente Più Sicura per Prevenire Incidenti

 Si devono scegliere le sostanze e le formulazioni delle sostanze usate in un

processo chimico per minimizzare il rischio di incidente chimico, inclusi i rilasci, le esplosioni, e gli incendi.

Necessità Ulteriori di Sostenibilità delle Reazioni Chimiche.

Nel caso si renda necessaria una determinazione più esaustiva della sostenibilità di una reazione chimica, si devono prendere in esame molti altri fattori oltre ai bilanci di massa:

• bilanci energetici, inclusa l'energia usata per condurre la reazione stessa (J/kg di prodotto) ma anche l'energia usata per estrarre o preparare e per riciclare o distruggere reagenti, solventi, o ausiliari.

• prezzi,

• rinnovabilità,

• facilità e sicurezza di impiego,

• riciclabilità,

• emissioni in aria, acqua e suolo,

• rischi ambientali.

[Studi “dalla culla alla tomba”, quali l'analisi del ciclo di vita (LCA)

Obiettivi della Chimica Sostenibile.

Ingegneria Verde e Sostenibile.

L’Ingegneria Chimica Verde è lo sviluppo/commercializzazione di

processi industriali che sono economicamente compatibili e riducono il rischio per la salute umana e l’ambiente.

• Progettazione, innovazione, e implementazione

• Molecole, prodotti, processi, sistemi

• Massimizzare l’inerenza

• Massimizzare l’efficienza nei confronti di massa, energia, tempo, e spazio

Un processo di produzione chimica è descritto come inerentemente sicuro se riduce o elimina i pericoli associati a materiali usati e

operazioni, e questa riduzione o eliminazione è una parte permanente e

inseparabile della tecnologia di processo.

Obiettivi dell’Ingegneria Verde.

 Fornire un contesto



Applicabile



Efficace



Appropriato

 Innestarla su tutte le discipline



Chimica, Civile, Ambientale, Meccanica, Sistemi …

 Applicarla nelle varie fasi di progettazione



Architettura molecolare per costruire composti chimici



Architettura di prodotto per creare un oggetto d’uso



Architettura urbana per costruire una città

*Green Engineering, Anastas, P.T., ACS (2000) "Design Through the 12 Principles of Green Engineering", Anastas, Zimmerman, ES&T (2003)

I 12 Principi dell’Ingegneria Verde.

1. Inerente piuttosto che Circostanziale

I progettisti devono sforzarsi di assicurare che tutti i materiali e gli ingressi e le uscite di energia siano il più inerentemente non pericolosi possibile.

2. Prevenzione anziché Trattamento

E’ meglio prevenire gli scarti che trattarli o distruggerli dopo che si sono formati.

3. Progettare per la separazione

Le operazioni di separazione e purificazione devono essere progettati per minimizzare I consumi di energia e i materiali.

4. Massimizzare l’efficienza

I p

5. Usare “spinta in uscita" vs. “spinta in ingresso"

Prodotti, processi e sistemi devono essere “spinti fuori" piuttosto che “spinti dentro"

nell’uso di energia/materiali.

6. Conservare la Complessità

Entropia e complessità intrinseca devono essere viste come un investimento quando si

I 12 Principi dell’Ingegneria Verde.

7. Durabilità anziché Immortalità

Obiettivo della progettazione deve essere la durabilità non l’immortalità.

8. Evitare capacità non necessarie, Minimizzare gli Eccessi

Progettare per capacità o potenzialità non necessarie (cioè, “una dimensione va bene per tutto") si deve considerare un difetto di progettazione.

9. Minimizzare la Diversità dei Materiali

I n prodotti multicomponenti si deve minimizzare la diversità dei materiali per promuovere lo smontaggio e la ritenzione del valore.

10. Integrare i Flussi di Materia ed Energia

La progettazione di prodotti, processi e sistemi deve includere l’integrazione e la interconnessione con i flussi di materia ed energia disponibili.

11. Progettare per il “fine vita” Commerciale

Prodotti, processi e sistemi devono essere progettati per prestazioni in un

“fine vita“ commerciale.

12. Rinnovabile piuttosto che Esauribili

Le fonti di materiali ed energia devono essere rinnovabili piuttosto che

esauribili.

Visione alternativa: I 9 Principi della Ingegneria Verde nella Dichiarazione Sandestin*.

1. Gli Ingegneri trattano processi e prodotti olisticamente, usano l'analisi di sistemi e integrano strumenti di valutazione dell'impatto ambientale;

2. Conservano e migliorano gli ecosistemi naturali mentre proteggono la salute e il benessere degli uomini;

3. Usano pensare in base al ciclo di vita in tutte le attività ingegneristiche.

4. Si accertano che tutti gli ingressi e le uscite di materiali ed energia sono il più possibile inerentemente sicuri e benigni;

5. Minimizzano la riduzione delle risorse naturali.

6. Operano per prevenire gli scarti.

7. Sviluppano ed applicano soluzioni ingegneristiche, tenendo conto della geografia, aspirazioni e culture locali;

8. Creano soluzioni ingegneristiche oltre le tecnologie correnti/dominanti, migliorano e inventano (tecnologie) per perseguire la sostenibilità.

9. Coinvolgono attivamente le comunità e gli utenti nello sviluppo delle

Problematiche Fondamentali nell’Applicazione dei Principi di Ingegneria Verde.

• Inerenza

• Il ciclo di vita è alla base di tutti i principi.

• Si deve applicare una visione olistica o il

cosiddetto “pensare ai sistemi” per evitare le

conseguenze non volute di fare le cose sbagliate, ma realizzarle al meglio.

INGRESSI USCITE

materie prime

energia/comb.

calore perso Rifiuti solidi emissioni in aria emissioni in acqua prodotti utili

SISTEMA

Applicazione dei Principi di Ingegneria Verde:

schema dei potenziali benefici vs. investimenti.

ottimizzare le soluzioni esistenti (incrementalismo)

ri-

ingegnerizzare il sistema

ri-definire il problema

potenziali benefici realizzati

potenzialità (p. es., tempo, soldi, risorse, energia)

• Creare soluzioni ingegnerizzate oltre le tecnologie correnti o

Principi 1, 2 e 3.

• I progettisti devono sforzarsi di assicurare che tutti gli ingressi e le uscite di materiali ed energia siano il più inerentemente possibile non-dannosi e benigni.

• E’ meglio prevenire i rifiuti che trattarli o disinquinare dopo averli generati.

• Le operazioni di separazione e purificazione devono essere una componente della struttura del progetto.

• Bisogna ingegnerizzare processi e prodotti olisticamente, usando l’analisi dei sistemi, e integrare gli strumenti di valutazione

dell’impatto ambientale.

• Conservare e migliorare gli ecosistemi naturali mentre si protegge la

salute umana e il benessere.

Principi 4 e 5.

4. I componenti del sistema si devono progettare per

massimizzare l’efficienza in termini di massa, energia e tempo.



Intensificazione di processo



Sistemi sofisticati attuatore-controllo

5. I componenti del sistema si devono estrarre dal sistema piuttosto che forzare nel sistema usando energia e

materiali. ( progettare seguendo il Principio di Le Chatelier)

Il Principio di Chatelier

“Se un sistema in equilibrio è soggetto a un stress, l’equilibrio si sposterà nella direzione che tende a ridurre tale stress."

Aspetti del 5° Principio.

A + B a C + D

A + B a C + D

Spesso “si forza” una reazione o trasformazione al completamento per aggiunta di materiali o energia.

Al contrario, una reazione si può “spingere” al

completamento sottraendo un prodotto senza aggiunta di

materiali o energia.

Aspetti del 5° Principio.

Produzione "al momento" ("just in time")

• Produzione basata sulla domanda

• Si eliminano gli scarti dovuti a sovrapproduzione e si abbassano i costi di magazzino

• I fornitori sono attentamente monitorati e rapidamente cambiati per soddisfare le richieste mutate

• Si devono fare riconsegne di forniture piccole ed accurate solo se strettamente necessarie.

Tempi ciclo spedizioni Intransito ridotti del 25%

Tempi ciclo ordine-produzione ridotto del 50%

Pianificazione Business

Vendite attese

Mezzi

Ordini _Produzione^{Piano di} Fare Fornire

Risultati

Pianificazione Business

Vendite attese

Esempi di Modifiche Implementate

Programmazione annuale collaborativa tra fornitore e

OEM

Verifiche collaborativa mensili delle

vendite

Ri-ingegneria fisica del processo di distribuzione Fornitori capaci di

modificare gli ordini e specifiche con

finestre di produzione flessibile

Sistemi automatizzati per scaricare

l’eccesso di produzione con

minimi sconti

Principio 6.

6. Si deve vedere come investimento l’entropia e la complessità insita quando si fanno scelte di progetto su riciclo, riuso o appropriato smaltimento.



L’entità della complessità accumulata in un prodotto sia su scala macro, micro, o molecolare è normalmente funzione del dispendio di risorse.

• Alta complessità, alta entropia – riuso

• Complessità inferiore – riciclaggio con conservazione del valore, ove possibile, o smaltimento appropriato



I sistemi naturali si devono riconoscere dotati di complessità, e ciò vale soprattutto per i sistemi biologici.

• Perché non riusare i computer?

– renderli modulari

– sostituire i processori, la memoria … – aspetti economici ...

Principio 7.

7. Un obiettivo perseguito dalla progettazione deve essere la durabilità, non l’immortalità.



I prodotti, dopo la loro vita commerciale utile, creano spesso problemi ambientali che vanno dallo smaltimento dei rifiuti solidi alla persistenza e bioaccumulo.



Si deve bilanciare il tempo di vita perseguendo un’adeguata durabilità e robustezza nelle condizioni operative previste. Si deve anche considerare la riparazione e la manutenzione.



La biodegradabilità controllata (o controllabile) può essere un pregio non un difetto!



Esempio: C

H

F

Cl

Non - infiammabile Non - tossico Poco costoso

Per la sua persistenza, migra nell’alta atmosfera . La decomposizione indotta dai raggi UV nell’alta

ma

Principio 8.

8. Si deve considerare difetto di progettazione il progettare per produttività o capacità non necessarie. Ciò include soluzioni ingegneristiche “omnicomprensive”.



Nell’auspicare agilità e flessibilità di prodotto, si deve tener presente che il costo in termini di materiali e energia per produttività e capacità non sfruttabili può essere alto.



C’è anche una tendenza a progettare per lo scenario peggiore per cui lo stesso prodotto o processo sia utilizzabile

indipendentemente dalle condizioni spaziali o temporali.



Così si è proposta una sola formulazione di detergente che

funziona dovunque anche nelle condizioni più estreme di acque dure

• I fosfati sono stati aggiunti come leganti per rimuovere la durezza dell’acqua

• Ma un eccesso di fosfati, per il loro alto valore nutritivo, provoca

l’eutrofizzazione di bacini idrici.

Principio 9.

9. Ci si deve sforzare di unificare i materiali in prodotti multi- componenti per promuovere lo smontaggio e la

conservazione del valore. (minimizzare la diversità dei materiali)



I progettisti di automobili stanno riducendo il numero di plastiche sviluppando forme diverse di polimeri con nuove caratteristiche che facilitino lo smontaggio e la riciclabilità.



Questa tecnologia si applica correntemente alla progettazione di componenti multistrato,

quali porte e pannelli.



Tramite l’uso di questa progettazione mono- materiale, non risulta più necessario

smontare la porta o lo strumento per

No adhesives

required Polyolefin Skin

Polypropylene Foam Polypropylene Substrate

Principi 10, 11 e 12.

• La progettazione di processi e sistemi deve includere

l’integrazione e l’interconnettività con i flussi disponibili di energia e materiali.

• La valutazione delle “prestazioni” include la progettazione anche sul “dopo vita” commerciale.

• La progettazione si deve basare su risorse rinnovabili e rapidamente disponibili.

Vapore di processo in uscita, 30°C

Vapore di processo freddo in ingresso

50°C, 2 kg/s Vapore caldo di

processo in ingresso 200°C

1 kg/s Vapore caldo di processo in uscita, 200°C

30 kJ di raffreddamento (per es., acqua di raffred.)

160 kJ di riscaldamento (e.g., vapore ausiliario)

60°C 120°C

Esempio:

integrazione di calore

Esempio del Principio 12.

Da una cooperazione tra Mitsui

Chemicals Inc. e Cargill-Dow, LLC, SANYO nel 2003 si è realizzato il primo disco ottico in bio-plastica (acido polilattico).

Si è usato il mais come materia

prima per ottenere l’acido polilattico con le adatte proprietà ottiche e

struttura.

Circa 85 semi di mais sono

necessari per fare un disco e una pannocchia di mais per fare 10 dischi. La produzione mondiale di mais è circa 600 milioni di tonnellate, meno di 0.1% è richiesto per fare 10

Bustina per tè disco ottico

LCA delle Reazioni Chimiche: un approccio molto semplificato ma indicativo (EcoScale)*.

L'analisi è semplificata mediante sei parametri caratterizzanti la reazione:

1)

resa,

2)

prezzi dei componenti,

3)

sicurezza,

4)

struttura tecnica,

5)

temperatura e tempo,

6)

lavorazione e purificazione.

Per ognuno di questi parametri, si associano specifici punti di penalità per

situazioni particolari. Si attribuisce il punteggio ideale a una reazione ideale in cui un composto A (substrato) reagisce con (o in presenza di) composti economici B per dare il prodotto desiderato C in resa del 100% a temperatura ambiente con un minimo rischio per l'operatore e un minimo impatto per l'ambiente. Si calcola quindi il punteggio EcoScale reale abbassando il punteggio ideale dal 100 con queste penalità. (> 75 buono, 50 -75 medio, < 50 non accettabile)

*Van Aken, K.; Strekowski, L.; Patiny, L. EcoScale, a semi-quantitative tool to select an organic preparation based on economical and ecological parameters. Beilstein J. Org. Chem. 2006, 2.

Dash, R.; Song, J.J.; Roschangar, F.; Samstag, W.; Senanayake, C.H. The eight criteria defining a good manufacturing process. Org. Process Res. Dev. 2012, 16, 1697–1706.

Punti di Penalità Usati nella EcoScale.

Parametri Punti di Penalità

Resa (100 – Resa effettiva)/2

Prezzo dei componenti di reazione (per dare 10 mmol)

Economico (< 10 US$) 0

Costoso (tra 10 e 50 US$) 3

Molto costoso (> 50 US$) 5

Sicurezza (adattato secondo le norme vigenti per i prodotti chimici)

GHS09 (pericoloso per l'ambiente) 5

GHS06 (tossico) 5

GHS02 (infiammabile) 5

GHS01 (esplosivo) 10

Punti di Penalità Usati nella EcoScale (cont.).

Parametri Punti di Penalità

Assetto Tecnico

Assetto comune 0

Strumenti per l'aggiunta controllata (tramogge, ecc.) 1 Tecniche di attivazione non convenzionali (microonde, ecc.) 2

Apparecchiature in pressione > 1 atm 3

Altra vetreria aggiuntiva speciale 1

Atmosfera con gas (inerte) 1

Glove box 3

Temperatura/tempo

Temperatura ambiente, < 1 h 0

Temperatura ambiente, < 24 h 1

Riscaldamento < 1 h 2

Riscaldamento > 1 h 3

Raffreddamento a 0°C 4

Raffreddamento < 0°C 5

Punti di Penalità Usati nella EcoScale (cont.).

Parametri Punti di Penalità

Lavorazione/Purificazione

Nessuna 0

Raffreddamento a temperatura ambiente 0

Aggiunta di solvente 0

Semplice filtrazione 0

Rimozione del solvente con b.p. < 150 °C 0

Cristallizzazione e filtrazione 1

Rimozione del solvente con b.p. > 150 °C 2

Estrazione in fase solida 2

Distillazione 3

Sublimazione 3

Estrazione liquido-liquido 3

Estrazione delle materie prime

Progettazione e produzione

confezionamento e distribuzione Uso e

manutenzione Riuso e

riciclo

Incenerimento e discariche

recupero

riuso

* *

*

*

*

*

*

*

Sicurezza, salute e ambiente

*

Attenzione ai Cicli di Vita (scarti–rifiuti) e

Sicurezza/Salute/Ambiente.

Rifiuti e Industria Chimica.

Da dove provengono gli scarti? Quantificati per settore industriale:

• Le aree tradizionalmente ritenute sporche (raffinazione del petrolio e produzione chimica di base) sono relativamente pulite (rispetto alle quantità trattate - lo devono per i bassi margini per ogni Kg).

• Le industrie più nuove con margini di profitto più alto e che usano

0 20 40 60 80 100

Raffineria Chimica di base Chimica fine Farmaceutica

Segmento Industria Ton/anno

Sottoprodotti/Kg Prodotto Raffinazione Petrolio 10⁶ - 10⁸ <0.1

Chimica di Base 10⁴ - 10⁶ 1 - 5

Chemica Fine 10² - 10⁴ 5 - 50

Farmaceutici 10 - 10³ 25 - 100+

Rifiuti nel Passato.

• 1,000 milioni di kg di composti chimici pericolosi rilasciati nell’aria, nell’acqua e nel suolo (in base a stime della US Environmental Protection Agency (EPA)).

• 69% nell’aria; 13% nel suolo; 3% acque superficiali; 15% acque sotterranee

• 2,000 milioni di kg trasferite altrove per riciclaggio, risanamento (incluso il recupero energetico), trattamento e smaltimento

(spesso per combustione)

• 5 dei 10 più rilevanti composti chimici rilasciati o smaltiti sono solventi o composti organici volatili (VOC), inclusi metanolo, toluene, xileni, metiletilchetone, e diclorometano.

• Si è di conseguenza assistito ad una proliferazione crescente di

norme ambientali per combattere tali rilasci.

Costi degli Scarti nell’Industria Chimica di Specialità.

Ripartizione dei Costi in Tipiche Aziende di Prodotti Chimici di Specialità

Materiali Lavoro

Deprezzamento Capitale Rifiuti Energia e Servizi

Costi Smaltimento Rifiuti

Materiali

Gestione

Deprezzamento capitale Lavoro

Capex EoP 26%

Capex IP 9%

Opex 65%

Capex EoP Capex IP Opex

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500

1997 1994

Euro (m)

Spese dell'Industria UK sul Controllo Ambientale

Opex Capex IP Capex EoP

2007 Totale Euro 2300 m 1997 Totale Euro 1250 m 1994 Totale Euro 747 m

M Lancaster Green Chemistry, 2000, 2, G65

Costi del Controllo Ambientale.

Capex EoP: investimenti per tecnologie di fine linea

Capex IP: investimenti per tecnologie di processo integrate Opex: spese di funzionamento