Course Syllabus
Obiettivi
Il corso fornisce le conoscenze e le basi metodologiche per conoscere e comprendere i principi che definiscono la chimica sostenibile e/o ‘verde’ in tutti gli aspetti legati a questo argomento. Il corso presenta i concetti di base, ovvero i 12 principi della chimica verde, e le loro manifestazioni nel mondo reale, sotto forma di processi e pratiche moderne nella ricerca e sviluppo, nonché nella produzione all'interno delle aree che si basano su o comprendono trasformazioni chimiche. L'impatto della sostenibilità sui processi chimici e sulla produzione viene discusso introducendo e applicando parametri di sostenibilità come l'economia atomica o l'impronta di carbonio.
Conoscenza e capacità
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di aver acquisito una buona conoscenza:
• I principali parametri da valutare per definire un processo a basso impatto ambientale.
• Le corrette definizioni di chimica ‘verde’, i.e., green chemistry.
• Le connessioni tra processi sostenibili e/o green e l'economia circolare.
• Le sfide scientifiche connesse al passaggio da un'economia basata sul petrolio a una bioeconomia.
• La differenza tra processi sostenibili, processi green e processi che sono sia sostenibili che green.
• I fondamenti dell'analisi del ciclo di vita, compresi gli aspetti di sostenibilità.
Conoscenza e capacità di comprensione applicate
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
• applicare i concetti di chimica ‘green’ appresi nel corso che costituiscono la base dello sviluppo sostenibile.
• giudicare se un processo si qualifica come ‘green’ e/o sostenibile.
• descrivere i mezzi di lavorazione sostenibile.
• comprendere l'impatto di concetti come lab-on-a-chip e organismi modello per la sostenibilità.
• calcolare alcuni dei principali indicatori di sostenibilità nella chimica.
Autonomia di giudizio
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
• applicare le conoscenze acquisite in vari contesti.
• trasferire i concetti e gli approcci introdotti in un determinato contesto in ambiti connessi.
• elaborare i concetti di lavorazione sostenibile e green discussi nel corso.
• analizzare le fasi della vita di un prodotto o di un processo.
• valutare criticamente i risultati ottenuti dall'applicazione dei modelli.
• individuare possibili interventi per ridurre gli impatti.
Abilità comunicative
Al termine del corso lo studente dovrà dimostrare di essere in grado di:
• analizzare un problema di chimica in modo chiaro e conciso.
• spiegare oralmente con un linguaggio adeguato gli obiettivi, le modalità e i risultati delle elaborazioni effettuate.
Capacità di apprendere
Alla fine del corso lo studente dovrebbe essere in grado di applicare le conoscenze acquisite a contesti differenti da quelli presentati durante il corso, e di comprendere come gli argomenti inerenti alla sostenibilità sono trattati nella letteratura scientifica e affrontati nel mondo produttivo.
Contenuti sintetici
• I concetti di chimica verde e chimica sostenibile, i loro punti in comune e le loro differenze.
• Il concetto di bioraffineria per la produzione di materie prime sostenibili.
• Uso responsabile e sostenibile di risorse non rinnovabili come i metalli, aspetti del riciclo nell'ambito di un'economia circolare.
• La reattività dei composti chimici nell'ambiente.
• Processi sostenibili per la produzione di materiali standard, prodotti chimici per piattaforme e materiali performanti.
• Processi sostenibili nel campo della chimica per la produzione di prodotti chimici.
• Sostenibilità nel campo dei nanomateriali.
• Aspetti sull'energia sostenibile e batterie, compreso il loro riciclo.
Programma esteso
• Evoluzione della sostenibilità nelle sintesi industriali sulla base di esempi selezionati.
• Evoluzione dei concetti di chimica 'verde' e chimica sostenibile.
• Punti comuni e differenze tra chimica 'verde' e chimica sostenibile.
• Descrizione delle principali risorse rinnovabili idonee a sostituire il petrolio come principale fonte di materia prima per l'industria chimica con particolare riferimento alla struttura dei materiali lignocellulosici.
• Il concetto di bioraffineria con esempi e applicazioni in Italia e in Europa, anche alla luce della economia circolare.
• Sintesi di prodotti chimici da fonti rinnovabili con processi sostenibili.
• Concetti sostenibili e/o ‘verdi’ per l'esecuzione di reazioni chimiche, ad esempio la chimica a flusso.
• Processi sostenibili nei campi correlati alla chimica: dispositivi point-of-care, organ-on-a-chip, organismi modello.
• Sintesi e vantaggi di nanomateriali sostenibili e aspetti normativi associati.
• Sintesi di nuovi materiali biodegradabili e non biodegradabili a partire da fonti rinnovabili con processi sostenibili.
• Riciclo, downcycling e upcycling come strumenti per l'economia circolare.
• L'integrazione dei processi sostenibili all'interno dell'economia circolare e la loro costruzione.
• Descrizione delle sfide legate al riciclo e al riutilizzo di vari materiali, anche metalli preziosi; concetto di urban mining.
• Attività minerarie sostenibili.
• Distribuzione di elementi in vari ambienti utilizzando cicli (antro)biogeochimici.
• Casi studio.
Prerequisiti
• Conoscenze di base di chimica organica ed inorganica.
• Nozioni di base di termodinamica.
Modalità didattica
• 6 CFU di lezioni teoriche in aula (48 ore).
• Casi di studio, da preparare durante le lezioni dagli studenti in gruppi secondo vari schemi, con discussioni finali insieme.
• In caso di emergenza COVID-19, il corso si svolgerà tramite lezioni a distanza che saranno anche registrate e caricate sulla pagina web e-learning collegata al corso.
Materiale didattico
• M. Aresta, A. Dibenedetto, F. Dumeignil
Biorefineries – An introduction
De Gruyter
• P.T. Anastas
Green Chemistry - Theory and Practice
Oxfod University Press
• copia delle slide
• appunti mostrati durante le lezioni e materiale aggiuntivo su argomenti selezionati, ovvero articoli scientifici, resi disponibili sul sito e-learning del corso.
Periodo di erogazione dell'insegnamento
II semestre (marzo - giugno)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame finale consiste in una prova orale alla fine del corso, con votazione tra 18-30/30, che consiste nella
discussione di vari argomenti discussi durante le lezioni, collegando i concetti ad un processo industriale o ad un
nuovo processo di bioraffineria o green chemistry presentato in una revista scientifica, per arrivare ad una critica
valutazione del processo presentato dal punto di vista della sostenibilita' complessiva.
La valutazione si baserà sui seguenti criteri: (1) conoscenza e comprensione; (2) capacità di collegare concetti diversi; (3) autonomia di analisi e giudizio; (4) capacità di usare correttamente il linguaggio scientifico.
La discussione dell'esame si base su una breve presentazione powerpoint di durata 10 minuti che deve essere preparata dallo studente per l'esame; l'articolo e/o la documentazione del processo da valutare sara' inviato allo studente una settimana prima dell'esame.
In caso di emergenza pandemica, l'esame sarà sempre come sopra descritto, ma svolto su piattaforma Webex.
Orario di ricevimento
Sempre, preferibilmente previo appuntamento per telefono o e-mail.
Sustainable Development Goals
Aims
The course is aims at providing the knowledge and methodological bases to know and understand the principles
that define sustainable and / or green chemistry in all the aspects related to this topic. The course presents underlying concepts, i.e., the 12 Principles of Green Chemistry, and their manifestations in the real world, in form of European regulations like the REACH and in form of processes and modern practices in research and development as well as in production within areas that are based on or comprise chemical transformations. The impact of sustainability on chemical processes and production is discussed introducing and applying sustainability parameters like atom economy or carbon footprint.
Knowledge and understanding
At the end of the course the student will have a fundamental understanding of:
• The main parameters to be evaluated to define a low environmental impact process.
• The correct definitions of green chemistry.
• The main indicators of environmental sustainability.
• The connections between sustainable and/or green processes and the (bio-based) circular economy.
• The scientific challenges connected to moving from an oil-based economy to a bio-based economy.
• The difference between sustainable processes, green processes and processes that are both sustainable and green.
Applying knowledge and understanding
At the end of the course the student will be able to:
• apply the concepts of green chemistry learned in the course that form the basis of sustainable development according to the UN 2030 agenda.
• judge whether a process qualifies as a green and/or sustainable process.
• describe means of sustainable processing.
• understand the impact of concepts like lab-on-a-chip and model organisms for sustainability.
• calculate some of the main environmental sustainability indicators in the chemical sector.
Making judgements
At the end of the course the student will be able to:
• apply the acquired knowledge in various contexts.
• transfer the concepts and approaches introduced in a certain context to connected fields.
• elaborate the concepts of sustainable and green processing discussed in the course.
• analyze the phases of the life of a product or a process;
• critically evaluate the results obtained from the application of the models;
• identify possible interventions to reduce the impacts.
Communication skills
At the end of the course the student should be able to
• analyse a chemistry-related problem in a clear and concise way.
• explain orally with a suitable language the objectives, the procedures and the results of the elaborations carried out.
Learning skills
At the end of the course the student should be able to different from those presented during the course, and to
understand the topics covered in the scientific literature concerning the sustainability issue.
Contents
• The concepts of green chemistry and sustainable chemistry, their commonalities and their differences.
• The concept of biorefinery for the production of sustainable raw materials.
• Responsible and sustainable use of non-renewable resources such as metals, aspects of recycling within a circular economy.
• The reactivity of chemical compounds in the environment.
• Sustainable processes for the production of standard materials, platform chemicals and performance materials.
• Sustainable processes in the field of chemistry for the production of fine chemicals.
• Sustainability in the field of nanomaterials.
• Aspects on sustainable energy and batteries, including their recycling.
Detailed program
• Evolution of sustainability in industrial syntheses on the basis of selected examples.
• Evolution of the concepts of green chemistry and sustainable chemistry.
• Common points and differences between green chemistry and sustainable chemistry.
• Description of the main renewable resources suitable for substituting oil as main raw material source for the chemical industry with particular reference to the structure of lignocellulosic materials.
• The concept of bio-refinery with examples and applications in Italy and Europe, also in view of the circular
economy.
• Synthesis of chemicals from renewable sources with sustainable processes.
• Sustainable and / or green concepts for performing chemical reactions, for example flow chemistry.
• Sustainable processes in chemistry-related fields: point-of-care-devices, organ-on-a-chip, model organisms.
• Synthesis and advantages of sustainable nanomaterials, and associated regulatory aspects.
• Synthesis of new biodegradable and non-biodegradable materials starting from renewable sources with
sustainable processes.
• Recycling, downcycling and upcycling as tools for the circular economy.
• The integration of sustainable processes within the circular economy and their construction.
• Description of the challenges associated with the recycling and reuse of various materials, including precious
metals; concept of urban mining.
• Distribution of elements across various environments using (anthro)biogeochemical cycles.
• Sustainable mining activities.
• Regulatory tools, especially REACH, for implementing sustainability and environmental compatibility in socio-economic contexts and legislation.
• Case studies.
Prerequisites
• Basic knowledge of organic and inorganic chemistry and biology.
• Basic notions of thermodynamics.
Teaching form
• 6 CFUs of theoretical lessons in the classroom (48 hours).
• Case studies, to be prepared during the lessons by the students in groups according to various schemes, with final discussions together.
• In the event of a COVID-19 emergency, the course will take place via remote lessons which will also be recorded and uploaded to the e-learning webpage connected to the course.
Textbook and teaching resource
• M. Aresta, A. Dibenedetto, F. Dumeignil
Biorefineries – An introduction
De Gruyter
• P.T. Anastas
Green Chemistry - Theory and Practice
Oxfod University Press
• slides
• notes shown during lectures and additional material on selected topics, i.e., scientific articles, made available on the e-learning website of the course.
Semester
II semester (March - June)
Assessment method
The final exam consists of an oral exam at the end of the course, with a score between 18-30/30, which consists of the discussion of various topics discussed during the lessons, linking the concepts to an industrial process or to a new biorefinery or green chemistry process presented in a scientific article, to arrive at a critical evaluation of the presented process from the point of view of overall sustainability.
Evaluation will be based on the following criteria: (1) knowledge and understanding; (2) ability to connect different concepts; (3) autonomy of analysis and judgment; (4) ability to use scientific language correctly.
The discussion of the exam is based on a short 10-minute powerpoint presentation that must be prepared by the student for the exam; the article and / or documentation of the process to be evaluated will be sent to the student one week before the exam.
In the event of a pandemic emergency, the exam will always be as described above, but held on the Webex platform.
Office hours
Always, after scheduling an appointment via phone or e-mail.
