Green Chemistry: una questione di engineering

Grazie alla sua attività di progettazione e consulenza per l’industria di processo, VTU Engineering Italia guarda con interesse al rinnovamento trasversale dell’industria chimica nel segno della sostenibilità di prodotti e processi. Ma non solo: VTU vuole porsi come interfaccia qualificata per quelle aziende che volessero intraprendere la strada dell’innovazione Green.

di Alessandro Rosengart (*)

(*) Process Engineer, Ph.D. - VTU Engineering Italia

Nel 1998 i chimici americani Paul Anastas e John Warner pubblicarono il trattato “Green Chemistry: Theory and Practice”, dove descrissero in 12 punti programmatici le caratteristiche che una sintesi chimica dovrebbe possedere per essere definita “sostenibile”1. Nata come filosofia di R&D in ambito farmaceutico, la Chimica Verde è oggi una materia di studio nelle Università ed è uno degli strumenti più potenti a disposizione di tutta l’Industria Chimica per perseguire un rinnovamento tecnologico ormai inevitabile.

Regolamentazioni ambientali sempre più stringenti, un mercato orientato a prodotti (e produzioni) più sostenibili, la spinta competitiva dei Paesi emergenti con le loro economie di scala e bassi costi: queste sono le sfide non banali che deve affrontare l’Industria Europea. E se la Chimica delle commodity è già stata sconfitta, in questi anni si combatte la battaglia per la sopravvivenza della Chimica fine ad alto valore aggiunto: un settore in cui l’Industria Italiana eccelle e dove l’applicazione della Chimica Verde ha già permesso di ottenere risultati rilevanti.

 

I 12 Principi delle Chimica Verde di Anastas e Warner. Adattato da “Green Chemistry Pocket Guide"

secondo l’American Chemical Society-Green Chemistry Institute2.

1.

Prevenire la formazione di rifiuti

2.

Garantire la Atom Economy*

3.

Selezionare nuove vie di sintesi meno pericolose di quelle esistenti

4.

Sintetizzare nuove molecole prive di rischi per l’uomo e per l’ambiente

5.

Utilizzare solventi privi di rischi per l’uomo e per l’ambiente

6.

Pensare le nuove vie di sintesi nell’ottica dell’efficienza energetica

7.

Utilizzare materie prime rinnovabili

8.

Ridurre la formazione di derivati

9.

Preferire la catalisi alle reazione Stechiometriche

10.

Pensare le nuove molecole in un’ottica di degradazione futura

11.

Effettuare analisi in tempo reale per prevenire l’inquinamento

12.

Pensare a vie di sintesi sicure per la prevenzione di incidenti

*Il prodotto di una reazione chimica dovrebbe avere un peso molecolare quanto più vicino possibile alla somma dei pesi molecolari dei reagenti: un’elevata Atom Economy implica una minima formazione di sottoprodotti.

 

ltalia all’avanguardia negli impianti “green”

I 12 principi della chimica verde possono essere infatti applicati nel creare nuove vie sintetiche, ma sono utili anche per migliorare le produzioni esistenti aumentando la competitività e il vantaggio tecnologico nei confronti dei competitor. I casi studio italiani non mancano.

In ambito farmaceutico ad esempio non si può non menzionare la GSK, che nei laboratori di Verona (ora acquisiti da Aptuit) contribuì a sviluppare la Solvent Selection Guide3, un vademecum per la selezione dei solventi di sintesi in base alla loro pericolosità intrinseca e alla facilità di smaltimento (punti 3, 5, 7, 12). Un altro esempio virtuoso è rappresentato dalla azienda farmaceutica Italiana Bracco Imaging4, che può vantare l’applicazione dei principi della Green Chemistry alla base di un progetto che ha l’ambizione di sostituire i reagenti e i solventi più pericolosi dai processi di produzione dello Iopamidolo (punti 2, 3 e 5).

Nel settore dei polimeri, infine, spicca invece il caso di Novamont, che commercializza la plastica biodegradabile Mater-B, riducendo la formazione di rifiuti (punto 1 e 10), utilizzando feedstock rinnovabili (punto 7) e soprattutto è un esempio di bio-catalisi industriale (punti 3 e 9), caratterizzata da ridotta intensità energetica e bassa pericolosità. Gli esempi potrebbero continuare: basti pensare che l’Italia ospita altri impianti Green da record, quali la prima bioraffineria full scale per bioetanolo di 2a generazione (Crescentino, VC) e il primo impianto full-scale per acido succinico bio derivato (Cassano Spinola, AL).

 

Un partner per mettere a punto il processo

VTU Engineering Italia, grazie alla sua attività di progettazione e consulenza per l’industria di processo, ha un ruolo di osservatore privilegiato nei riguardi di questo rinnovamento trasversale a tutti i settori della chimica. Ma non solo, VTU vuole porsi come interfaccia qualificata per quelle aziende che volessero intraprendere questa strada di innovazione Green.

Buona parte del lavoro di ripensamento di una sintesi chimica avviene infatti all’interno delle funzioni di R&D dell’Azienda proprietaria della tecnologia, ma il successo industriale di un nuovo processo è legato alla presenza di un supporto ingegneristico che si occupi di garantirne la fattibilità tecnologica ed economica fin dal primo momento, riducendo i tempi di industrializzazione.

 

Un approccio proattivo e interdisciplinare

È tuttavia necessaria una sensibilità ingegneristica specifica per le sfide del settore green, utilizzando una pratica al momento non ancora codificata, ma che potremmo definire “Ingegneria Verde”: l’ingegneria a servizio della chimica verde.

Come si può dunque dare un taglio “green” ai servizi tipici di un’azienda EPCM? Usando l’approccio consolidato di VTU Engineering, cioè mettendo a frutto una pluriennale esperienza sul campo e adattando gli strumenti dell’ingegneria alle particolari necessità del caso.

La Green Chemistry presenta una grande sfida alle pratiche industriali consolidate: infatti l’applicazione dei 12 principi richiede che l’ingegneria di processo “entri in laboratorio”, promuovendo approccio proattivo e fortemente interdisciplinare tra chimici, biologi e ingegneri.

 

Favorire l’Efficienza Energetica

Il punto 6 della tabella prevede per esempio di favorire l’Efficienza Energetica: una sfida non trascurabile per un chimico chiamato a testare sintesi alternative su scala di pochi grammi in laboratorio. Vengono però in aiuto gli strumenti ingegneristici della modellazione predittiva (con analisi dei flussi energetici e ottimizzazione) e la simulazione di processo.

Questi tool consentono di effettuare un conceptual design preliminare ricavando informazioni sia sulle performance energetiche e ambientali, sia sulle potenziali performance economiche della sintesi in via di sviluppo. In questo modo, è possibile modificare in modo proattivo le scelte tecnologiche in fase di R&D (per esempio esplorando processi di separazione meno costosi o concentrandosi sull’aumentare le rese) con vantaggi sicuri in fase di industrializzazione.

Conoscere, anche approssimativamente, le future performance di impianto permette inoltre di guidare la ricerca fissando i cosiddetti obiettivi SMART (Specific, Measurable, Achievable, Relevant, Time-bound), focalizzando le risorse nella direzione più efficace.

 

Analisi e monitoraggio dei parametri di processo

Il punto 11 raccomanda di “Effettuare analisi in tempo reale per prevenire l’inquinamento” che richiama le competenze del tecnico strumentista. Egli non dovrà dunque partecipare al progetto solo a P&ID conclusi, ma parteciperà allo sviluppo delle migliori strategie di monitoraggio dei parametri di processo.

Un altro esempio di come strumenti tradizionalmente ”ingegneristici” di controllo di processo siano già diventati preziosi supporti dell’R&D si può identificare nelle pratiche della Quality by Design (QbD) e nelle Process Analytical Techniques (PAT), applicabili in qualunque contesto ove sia necessario identificare le variabili più efficaci per migliorare una sintesi o un processo produttivo. QbD e PAT hanno trovato forte sviluppo in ambito farmaceutico per il contributo che offrono nell’accelerare e razionalizzare le costose campagne sperimentali: per lo stesso motivo possono contribuire all’analisi di processi esistenti identificando le variabili di processo chiave per migliorare le performance ambientali.

È chiaro dunque che gli strumenti a disposizione dell’ingegnere di processo siano più che sufficienti per affrontare le sfide della chimica verde. Si tratta solo di rivedere l’approccio dello sviluppo dei prodotti/progetti e adattarlo anche alle fasi “preliminari” di sviluppo di processo, dove è richiesta maggiore flessibilità per ottimizzare il risultato e rendere possibile l’industrializzazione del progetto a costi competitivi, anche esplorando le strade meno battute. Una volta definita la strategia di produzione, il progetto può dunque riprendere i binari della commessa EPCM, dove know-how, esperienza e responsabilità diventano i fattori chiave.

 

Servizi di “Ingegneria Verde”

VTU Engineering si è sempre distinta per il proprio know-how, l’esperienza dei propri tecnici e la responsabilità nella gestione dei propri progetti, diventando una realtà riconosciuta e apprezzata attraverso le sue sedi in tutta Italia.

Ma è solo l’inizio, e il settore che merita un’attenzione particolare secondo VTU è proprio l’ambito della Green Chemistry. Avendo intuito il cambiamento in atto nell’industria italiana e riconoscendo che sono pochi gli interlocutori che possano assistere le Aziende nell’evoluzione verso la Chimica Verde, VTU-Engineering si è organizzata per diventare il primo fornitore italiano di servizi di “Ingegneria Verde”.

VTU ha infatti aperto canali di comunicazione con l’Università, per poter garantire ai propri progetti, dove necessario, anche un supporto a livello accademico. Nuovi programmi di assunzioni mirate hanno rinforzato lo staff con Ingegneri e Dottori di Ricerca provenienti da realtà di R&D, in particolare da Piloting, Bioraffinerie, PAT/QbD e ottimizzazione. Sono stati inoltre promossi corsi di aggiornamento sulle più recenti tecnologie applicabili in campo green, dal controllo 4.0, alla fermentazione industriale.

Con questo team VTU è pronta ad affrontare le nuove sfide per garantire (finalmente) la Sostenibilità della Chimica Italiana.

 

Al servizio dell’industria di processo

VTU unisce le conoscenze specializzate alla creatività derivante da un approccio multidisciplinare per risolvere le questioni relative all’ingegneria di processo, dalla scelta del processo fino alla messa in esercizio.

VTU offre ai propri clienti servizi EPCM, cioè segue e gestisce tutti i servizi di ingegneria, dalla concezione dell’idea industriale fino alla messa in produzione, aderendo alle specifiche esigenze del cliente, non solo per nuovi progetti, ma anche per ottimizzazioni e riqualificazioni di impianti.

La società è certificata dal 1998 secondo la norma DIN ISO 9001 e, per il settore chimico, possiede l’attestato SCC (Safety Certificate for Contractors). Per problemi particolari è in grado di fornire soluzioni specifiche sviluppate ad hoc.

Numerose e importanti le referenze che in questi anni ha ottenuto in ambito chimico -farmaceutico (Boehringer Ingelheim, BDI-BioEnergy, Biotest AG, Chemische Fabrik Karl Bucher, OMV, Roche, Borealis, Hermann Bantleon GmbH, Octapharma, Sandoz, Takeda).

 

Fonti

  1. Anastas, P.T., Warner J.C., 1998. Green Chemistry: Theory and Practice. Oxford University Press.
  2. acs.org/greenchemistry
  3. Jimenez-Gonzalez, C., Curzons, A.D., Constable, D.J. and Cunningham, V.L., 2004. Expanding GSK’s solvent selection guide - application of life cycle assessment to enhance solvent selections. Clean Technologies and Environmental Policy, 7(1), pp.42-50.
  4. Lattuada, L., 2013. Vent'anni di R&D in Bracco Imaging. La Chimica e l’Industria- Rivista della Società Chimica Italiana pp 114-119

 

Per approfondimenti,

www.vtu.com

www.vtu.com/it/referenzen/referenzbeispiele.php

 

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