Anno Accademico: 2018/2018 
Insegnante: Citterio Attilio
Corso: Laurea Magistrale

Scuola di Ingegneria Industriale e dell’Informazione
096125 – INTRODUCTION TO GREEN AND SUSTAINABLE CHEMISTRY (Cfu 5)
Scuola di Ingegneria Civile, Ambientale e Territoriale
095857 BASIC OF GREEN AND SUSTAINABLE CHEMISTRY (Cfu 8)

Nota: La lingua ufficiale dell’insegnamento è l’Inglese. E’ fornito anche supporto in lingua Italiana.

Precedenza Raccomandata: Chimica Organica; Precedenza Obbligatoria: Chimica

Programma Dettagliato
La Chimica Verde (anche nota come Chimica per la Sostenibilità) e l’Ingegneria Verde sono un insieme di conoscenze utili nel progettare e realizzare prodotti, materiali e impianti in modo da provocare il minimo impatto sulla salute umana e sull’ambiente. Il corso si prefigge di introdurre i principi della Chimica Verde per la Sostenibilità e dell’Ingegneria Verde, fornendo gli strumenti necessari a valutare vie sintetiche alternative e tecnologie BAT. Sono discussi esempi presi dal mondo industriale, inclusi esempi di condizioni di reazione salubri e sicure, solventi alternativi, scelte di materie prime e intermedi sostenibili, ottimizzazione di materiali,  come pure sono evidenziati andamenti emergenti nell’impiego di biomasse, processi biotecnologici e catalisi. 

Il corso è organizzato in varie sezioni: 1) Sostenibilità e Principi di Chimica e Ingegneria Verde; 2) Controllo dell’impatto ambientale dei processi chimici e dei prodotti; 3) Legislazione sulla Tossicità e Sostenibilità (REACh); 4) Metrica Verde, 5) Ecologia Industriale; 6) Biopolimeri e Prodotti Naturali; 7) Biotrasformazione e Biotecnologia; 8) Efficienza Energetica, Biocombustibili, Fonti Alternative, Tecnologie Emergenti; 9) Intensificazione di Processo; 10) Sicurezza Intrinseca; 11) Scelta di solventi e materie prime, 12) Catalisi in Chimica per la Sostenibilità, 13) Alternative di Prodotto e Processo, 14) Tecnologia Analitica di Processo e Qualità per Progettazione. 

La Chimica Verde e Sostenibile è una scienza interdisciplinare che ha bisogno di solide basi in chimica organica abbinate alla consapevolezza delle varie interfacce emergenti con la chimica, ingegneria e altre discipline.

A chi si rivolge
Il corso è rivolto a studenti in Ingegneria Chimica, Ingegneria Ambientale, Ingegneria della Sicurezza ma anche a Ingegneria dei Materiali e campi correlati. E’ appropriato anche per lo sviluppo professionale di laureati operanti in industrie chimiche e nel settore ambiente-sicurezza. Il corso fornisce una panoramica dei principi di Chimica Verde e Ingegneria Verde rivolti al controllo della sicurezza e salute umana e ambientale, connessi alla produzione e uso di composti chimici e materiali. Gli studenti potranno apprezzare i miglioramenti e le alternative introdotte per mantenere e migliorare la qualità dell’ambiente, prevenire i rischi connessi alla produzione ed uso di composti chimici tossici o pericolosi. Il corso include le recenti tendenze adottate dall’ingegneria dei processi chimici (quali l’intensificazione di processo, l’uso di catalisi e biocatalisi, di mezzi/condizioni di reazione non tradizionali, fonti energetiche alternative e dei criteri per la scelta (LCA, metrica verde) tra alternative di processo e prodotto. Una sezione è dedicata all’importanza degli organismi viventi, al loro metabolismo ed ecologia per meglio comprendere il ruolo crescente delle biomasse come fonti rinnovabili capaci di rendere “più verde” l’industria chimica e fornire un supporto allo sviluppo sostenibile della società umana, soddisfacendo la domanda di energia e materiali.

Note Sulla Modalità di Valutazione
Agli studenti saranno sottoposte delle domande per prepararsi alle lezioni e saranno stimolati a discutere su esercizi e materiale fornito. Il profitto sarà determinato in base a due scritti su quattro livelli (A 27-30L, B 24-26, C 18-23 e D insufficiente), tenendo presente che il corso è offerto da 8 cediti per Ingegneria Ambientale e da 5 crediti per Ingegneria Chimica e Ingegneria della Sicurezza. La valutazione è effettuata tramite uno scritto intermedio e uno finale, ognuno composto da 10-13 domande aperte.

Descrizione degli argomenti trattati
1) Sostenibilità delle fonti di materie prime e di energia. Panoramica delle principali preoccupazioni – I 12 principi della Chimica Verde e dell’Ingegneria Verde – Strumenti e metodologie per la valutazione del rischio chimico, tossicologico, e ambientale – Analisi del ciclo di vita di prodotti e processi, indicatori; Progettazione di composti, polimeri, materiali e processi chimici verdi.

2) Tossicologia – pericolo ed esposizione – valutazione del rischio tossicologico ed ecotossicologico – legge EU sui prodotti chimici REACh – Sicurezza: tipi di pericolo – valutazione e gestione del rischio: prevenzione/mitigazione – sicurezza intrinseca –sostituzione di prodotti tossici/pericolosi.

3)  Miglioramento sul piano ambientale di processi industriali esistenti – metrica verde – esempi di produzioni di chimica di base, di chimica fine e di materiali – tecnologie BAT – Ecologia Industriale.

4) Energia – fonti, efficienza, sicurezza: tipi di combustibili e loro impatto ambientale – economia dell’idrogeno – sorgenti energetiche non convenzionali: microonde, ultrasuoni, fotochimica e elettrochimica.

5) Organismi viventi: struttura e metabolismo – biomasse e le molecole base Cn – biopolimeri.

6) Bioraffineria: enzimi e metabolismo – biotrasformazioni di materie prime naturali in vari prodotti di base –  piante per l’energia – biocombustibili – composti e specialità molecolari – applicazioni biotecnologiche.

7)  Sviluppo dei processi chimici per ampliamento e riduzione di scala: ottimizzazione e analitica di processo – problematiche dei prodotti a specifica e a prestazione – prodotti chirali – intensificazione di processo e miniaturizzazione – processi intrinsecamente più sicuri.

8)  Catalisi nella chimica verde: catalisi eterogenea (acida, metallica, micellare, PCT) – reagenti supportati – catalisi omogenea – biocatalisi.

9) Solventi alternativi per la Chimica Verde: solventi VOC – fluidi supercritici – Liquidi ionici/eutettici – liquidi a gas espansi –liquidi polimerici.

10)  Riciclaggio meccanico, termico e chimico di plastiche: minimizzazione e controllo di effluenti e scarti – durabilità di prodotti e materiali – tecnologie di riciclo – bio-risanamento.

Obiettivi:
Al termine di questo insegnamento lo studente sarà in grado di:

  • Identificare e discutere le principali problematiche connesse alla sostenibilità.

  • Comprendere i fondamenti della chimica e ingegneria verde e valutare le basi della sostenibilità.

  • Comprendere le scelte tra fonti energetiche alternative.

  • Comprendere la natura, reattività, ed evoluzione di composti chimici organici tossici.

  • Comprendere le basi biochimiche degli organismi biologici e riconoscere l’importanza della biomassa come fonte energetica e materia prima per composti chimici/materiali.

  • Comprendere l’evoluzione delle recenti problematiche industriali connesse a sostenibilità e sicurezza/salute, con enfasi sulle normative nazionali e internazionali.

  • Comprendere le implicazioni sociali di alcune problematiche ambientali e delle soluzioni proposte dalla chimica verde.

Bibliografia

  • Kletz T., Process Plants. Handbook for Inherently Safer Design, Ed Oxford Un. Press, 1998.
  • P.T. Anastas, J.C. Warner, Green Chemistry: Theory and Practice, Ed. Oxford Univ. Press, 2000.
  • L. Constable, D. Constable, Green Chemistry Metrics: Measuring and Monitoring Sustainable Processes, Ed. Wiley, 2009.
  • P. Dunn, A. Wells, M.T. Williams, Green Chemistry in the Pharmaceutical Industry, Ed.: Wiley-VCH, 2009.
  • G. Towler, R.K. Sinnott, Chemical Engineering Design: Principles, Practice and Economics of Plant and Process Design,, Ed. Butterworth-Heinemann, 2007.
  • F.M. Kerton, Alternative Solvents for Green Chemistry Ed.: RCS, 2009.
  • J.H. Clark, G. Kraus, A. Stankiewicz, P. Seidl, C. Hu RSC Green Chemistry Series, Ed.: RCS, 2009-2016.