Course Syllabus
Obiettivi
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 regolamenti europei come il REACH e 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. La quantificazione di tali parametri e la stima del loro impatto economico sulla lavorazione chimica vengono effettuate sotto forma di valutazioni pratiche del ciclo di vita applicando strumenti di simulazione standard utilizzati nell'area.
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’, green chemistry.
• I principali indicatori di sostenibilità ambientale;
• I fondamenti della reattività ambientale dei composti chimici.
• Le connessioni tra processi sostenibili e/o verdi 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 verdi e processi che sono sia sostenibili che verdi.
• Quadri legislativi europei legati ai settori della chimica sostenibile.
• 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 ‘verde’ appresi nel corso che costituiscono la base dello sviluppo sostenibile secondo l'agenda ONU 2030.
• giudicare se un processo si qualifica come ‘verde’ 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 ambientale.
• calcolare i flussi di massa ed energia nell'analisi del ciclo di vita di un prodotto o processo e stimare l'impatto della sostenibilità su di essi.
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
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 della chimica fine.
• Sostenibilità nel campo dei nanomateriali.
• Aspetti normativi come REACH, riguardanti la sostenibilità e il controllo della produzione chimica e lo sfruttamento e l'uso di singole sostanze chimiche e miscele.
• Aspetti sull'energia sostenibile.
• Indicatori di sostenibilità, strumenti per misurare la sostenibilità.
• Analisi del ciclo di vita quale indicatore di sostenibilità ambientale.
Programma esteso
Programma dettagliato
• 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.
• Reattività dei composti nell'atmosfera e conseguenze per l'ambiente, la salute e il patrimonio culturale.
• Reattività dei composti nell'acqua, comprese le acque superficiali e gli oceani.
• Tempo di vita ed emivita dei composti nell'ambiente.
• Strumenti normativi, in particolare REACH, per implementare la sostenibilità e la compatibilità ambientale nei contesti socio-economici e nella legislazione.
• Indicatori di sostenibilità: Indice di sviluppo umano, Indice di benessere economico sostenibile.
• Indicatori di sostenibilità ambientale: analisi energetica, impronta ecologica.
• Analisi del ciclo di vita: storia, obiettivi.
• Fasi di un’analisi LCA: definizione degli obiettivi e del campo di applicazione, inventario (dati primari, secondari e terziari, allocazione), valutazione d'impatto (categorie di impatto midpoint ed endpoint, classificazione, caratterizzazione, normalizzazione, ponderazione), interpretazione.
• Casi studio.
Prerequisiti
Prerequisiti
• Conoscenze di base di chimica organica ed inorganica.
• Nozioni di base di termodinamica.
Modalità didattica
Modalità didattica
• 8 CFU di lezioni teoriche in aula (64 ore).
• 4 CFU di esercitazioni (40 ore) in laboratorio informatico sui metodi di calcolo e i software più utilizzati nell’ambito dell’analisi LCA.
• 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
Materiale didattico
• M. Aresta, A. Dibenedetto, F. Dumeignil
Biorefineries – An introduction
De Gruyter
• P.T. Anastas
Green Chemistry - Theory and Practice
Oxfod University Press
• B. Marchesini, M. Monari
Il regolamento REACH
Maggioli Editore
• 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
I semestre (ottobre - gennaio)
Modalità di verifica del profitto e valutazione
Modalità di verifica del profitto e valutazione
L'esame finale consiste in un'unica prova orale al termine del corso, con votazione compresa tra 18-30/30, che prevede la discussione di vari argomenti trattati nel corso, con enfasi anche sulle connessioni tra concetti e processi, tale da giungere ad una valutazione critica del lavoro dal punto di vista della sostenibilità nella chimica nel suo complesso.
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.
Data la natura sperimentale dell'esperienza pratica utilizzando diversi strumenti di LCA, il modulo di esercitazioni prevede una prova scritta in itinere che, in caso di esito positivo, sostituisce nell'esame finale la parte relativa all'analisi LCA. N.B.: Questa prova scritta rimane valida per l'intero anno accademico in cui è stato svolto il corso. Nel caso in cui lo studente non sostenga la prova scritta in itinere oppure opti per sostenere l‘esame in un altro anno accademico, la parte dell’analisi LCA rientra nel programma dell'esame orale.
Orario di ricevimento
Sempre, preferibilmente previo appuntamento per telefono o e-mail.
Sustainable Development Goals
Aims
General 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. Quantification of such parameters and estimating their economic impact on chemical processing are done in form of hands-on life cycle assessments applying standard simulation tools used in the area.
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 fundamentals of environmental reactivity of chemical compounds.
• 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.
• European legislative frameworks connected to the fields of sustainable chemistry
• The fundamentals of life cycle analysis.
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.
• calculate mass and energy flows in the life cycle analysis of a product or process and estimating the impact of sustainability on these.
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
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.
• Regulatory aspects like REACH, concerned with sustainability and control of chemical production and exploitation and use of single chemicals and mixtures.
• Aspects on sustainable energy.
• Indicators of sustainability, means for quantifying sustainability.
• Life cycle analysis and application of sustainability parameters.
Detailed program
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.
• Reactivity of compounds in the atmosphere and consequences for environment, health and cultural heritage.
• Reactivity of compounds in water, including surface waters and oceans.
• Life time and half life of the compounds in the environment.
• Sustainable mining activities.
• Regulatory tools, especially REACH, for implementing sustainability and environmental compatibility in socio-economic contexts and legislation.
• Sustainability indicators: Human development index, Index of Sustainable Economic Welfare.
• Environmental sustainability indicators: emergetic analysis, ecological footprint.
• Life cycle analysis: history, objectives,
• LCA phases: of an analysis, inventory (primary, secondary and tertiary data, allocation), impact assessment (midpoint and endpoint impact categories, classification, characterization, normalization, weighing).
• Case studies.
Prerequisites
Prerequisites
• Basic knowledge of organic and inorganic chemistry and biology.
• Basic notions of thermodynamics.
Teaching form
Teaching modes
• 8 CFUs of theoretical lessons in the classroom (64 hours).
• 4 CFU of exercise sessions (40 hours) to learn using the most used software in LCA.
• 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
• B. Marchesini, M. Monari
Il regolamento REACH
Maggioli Editoreslides
• 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
I semester (October - January)
Assessment method
The final exam consists of a single oral exam at the end of the course, with a score between 18-30 / 30, which comprises the discussion of various topics covered in the course, with an emphasis also on the connections between concepts and processes, such as to arrive at a critical evaluation of work from the point of view of sustainability in chemistry as a whole.
Assesment 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 correctly use scientific language.
Given the experimental nature of the hands-on experinece using different LCA tools, the concerned module offers a final test that can be validated in the final exam for the part of course concerned with the LCA. N.B.: This written test remains valid for the entire academic year in which the course was carried out. In the event that the student does not take the written exam in progress or opts to take the exam in another academic year, the LCA analysis part is again part of the oral exam program.
Office hours
Always, after scheduling an appointment via phone or e-mail.
