James H.Clarka
a Green Chemistry Centre of Excellence, Department of Chemistry, University of York, York, YO10 5DD, UK. E-mail: [email protected]

Verranno discussi i fondamenti della Chimica Verde compresa la sua relazione con la sostenibilità. Verrà anche considerato perché abbiamo bisogno della Chimica Verde e cosa la sta facendo accadere. Infine guarderemo cosa sta succedendo nel mondo della Chimica Verde in termini di iniziative, attività principali e storie di successo e come sta influenzando l’educazione.

1.1 Cos’è la Chimica Verde?

“Chimica Verde”, “Ingegneria Verde” e “sostenibilità” sono spesso usati in modo intercambiabile per descrivere il concetto di realizzare processi e prodotti che abbiano un minore impatto ambientale e siano (idealmente) basati su risorse rinnovabili. Tuttavia, se si esaminano questi concetti più profondamente, diventerà chiaro che ci sono differenze significative nella loro filosofia, che ha un impatto sull’applicabilità delle metodologie e delle tecniche nello sviluppo di una società ambientalmente appropriata.

La Chimica Verde è abbastanza ben definita dai dodici principi di Anastas e Warner.1 Questi principi si concentrano principalmente su come si dovrebbero svolgere le reazioni chimiche e fare prodotti chimici, e descrivono la sintesi di sostanze chimiche in un modo preferibile per l’ambiente. Così, idee specifiche, come l’uso di ausiliari benigni compresi i solventi per le reazioni e le separazioni, la riduzione del numero di passaggi, e il concetto di economia dell’atomo, o l’incorporazione di tutte le materie prime nel prodotto, sono punti focali della Chimica Verde. I 12 principi sono stati scritti 20 anni fa e non riflettono completamente il modo di pensare moderno. Altre questioni, come la tossicologia e la biodegradabilità, giocano ora un ruolo importante nella Chimica Verde come parte di una maggiore enfasi sulla sicurezza del prodotto e sulle risorse rinnovabili. Per molti aspetti, la Chimica Verde può essere considerata come il fondamento scientifico della produzione preferibile dal punto di vista ambientale.

L’Ingegneria Verde, d’altra parte, è la progettazione, la commercializzazione e l’uso di processi e prodotti che sono fattibili ed economici mentre minimizzano la generazione di inquinamento alla fonte, così come minimizzano il rischio per la salute umana e l’ambiente.2 L’ingegnere verde usa gli strumenti di riciclaggio, intensificazione del processo e ottimizzazione del design per massimizzare l’efficienza di un processo e ridurre il suo carico sull’ambiente. L’ingegneria verde valuta il processo produttivo come un sistema e cerca di ottimizzarne il design e, nel senso più vero, incorpora i concetti di analisi del ciclo di vita e di economia ambientale in una valutazione appropriata dell’impatto ambientale complessivo. L’ingegneria verde richiede lo sviluppo di una serie di metriche che valutino in modo appropriato i parametri ambientali che cerchiamo di controllare.

Il design sostenibile guarda in modo ancora più ampio per cercare di capire le relazioni tra il sistema produttivo e l’ecosistema. La sostenibilità si concentra sulla tripla linea di fondo: l’integrazione dell’integrità ecologica, la responsabilità sociale e la fattibilità economica. La sostenibilità adotta l’approccio sistemico di livello più ampio, guardando al pianeta come al sistema di interesse, ma per ottimizzare la progettazione su questa scala, saranno necessari nuovi modi di misurare l’impatto umano sull’ambiente.

Le industrie chimiche e affini si trovano ora ad affrontare una sfida difficile come non mai. Il 20° secolo ha visto un’enorme crescita nella produzione di prodotti chimici, ma questa crescita ha avuto un costo. Processi inefficienti che hanno portato a livelli inaccettabili di inquinamento, operazioni pericolose che hanno portato a una serie di disastri, e una mancanza di conoscenza della tossicità umana e ambientale della maggior parte dei prodotti chimici di uso comune, tutto ciò ha portato a una crescita esponenziale della legislazione sui prodotti chimici. L’industria ha ora bisogno di raggiungere l’accettabilità ambientale e sociale così come una produzione economicamente redditizia nel quadro legislativo più duro di sempre. La recente legislazione sui prodotti chimici, come il REACH, sta causando grandi cambiamenti nella catena di fornitura dei prodotti chimici.3 Eppure, in qualche modo, questo deve essere fatto in modo da soddisfare le richieste di una popolazione in crescita. La produzione chimica sostenibile può essere realizzata solo attraverso una rivalutazione dell’intero ciclo di vita dei prodotti chimici, dalle risorse, alla fabbricazione e produzione, fino all’uso del prodotto e al destino finale (Figura 1.1).

1.2 I fattori di cambiamento

1.2.1 La legislazione

La pressione sulla produzione chimica, soprattutto legislativa e anche da parte dei clienti, continua ad essere applicata e generalmente porta ad una produzione più pulita e più sicura. Le possibilità di un altro disastro come quello di Bhopal sono più basse, almeno nella maggior parte delle regioni del mondo (per esempio a causa delle sanzioni e delle restrizioni sullo stoccaggio di sostanze pericolose) anche se c’è ancora una considerevole produzione in regioni con meno controllo e quindi con un rischio più alto.4 Il controllo sull’inquinamento e le severe sanzioni che possono essere imposte hanno scoraggiato emissioni significative dagli impianti nella maggior parte delle località.

REACH è la legislazione più chiacchierata che riguarda i prodotti chimici.3 Questa e altre leggi chimiche influenzano direttamente la produzione chimica e i suoi derivati attraverso una disponibilità limitata di un numero crescente di sostanze chimiche comuni. Mentre le sostanze molto pericolose come i composti di organomercurio e di piombo sono state oggetto di un esame rigoroso per molti anni, le nuove restrizioni sull’uso di altre come i cromati e i composti di cobalto possono avere un impatto considerevole su alcuni prodotti chimici industriali, comprese le ossidazioni. Mentre il REACH è lento nella sua progressione (ci vorrà il prossimo decennio prima che tutte le sostanze chimiche soggette al REACH siano state testate), sono apparse liste non ufficiali di sostanze da sostituire. Probabilmente la più importante di queste è la cosiddetta lista SIN (“sostituiscilo ora”).5 Diverse centinaia di sostanze chimiche appaiono su questa lista e sta influenzando alcuni utenti finali che non vogliono che i loro prodotti contengano sostanze chimiche su queste “liste rosse” pubblicamente disponibili.

Forse il più grande impatto sarà sull’uso dei solventi poiché molti dei solventi organici più comuni sono minacciati dal REACH: questi includono N-metil-2-pirrolidone (NMP), dimetilformamide (DMF) e dimetilacetamide (DMAc).6 (Per maggiori informazioni sulle guide alla sostituzione dei solventi si veda il capitolo 2, “Strumenti per facilitare una chimica medicinale più sostenibile”, di Helen Sneddon e il capitolo 3 di James Sherwood sulla selezione dei solventi rinnovabili). L’industria elettronica è stata anche soggetta alla legislazione chimica che mira a sostituire le sostanze particolarmente pericolose. La RoHS (restrizione sulle sostanze pericolose) riguarda alcune sostanze chimiche, tra cui piombo, mercurio, cromati di cadmio e ritardanti di fiamma polibromurati.7

1.2.2 Sostenibilità degli elementi

Oltre alle sostanze che diventano limitate o non disponibili a causa di cambiamenti nella legislazione, esse possono anche essere a rischio a causa di problemi di approvvigionamento. Gli elementi utilizzati dall’industria chimica, sia nelle fasi di produzione (ad esempio come catalizzatori) che nei prodotti stessi, includono composti organo-alogenati e numerosi composti organici contenenti eteroatomi, come fosforo, zolfo e boro. Questi vengono estratti da minerali vergini e altre fonti naturali che, come il petrolio, sono limitati e richiedono una grande quantità di energia per l’estrazione. Mentre il carbonio rinnovabile è stato un argomento caldo nell’ultimo decennio (vedi la prossima sezione), è solo negli ultimi due anni che l’attenzione si è ampliata per includere altri elementi critici tra cui il fosforo e molti metalli (vedi il capitolo 5 sulla sostenibilità elementare di Andrew Hunt). Alcuni degli elementi di preoccupazione sono elencati nella tabella 1.1. Molti elementi sono ora considerati a rischio in termini di tassi di utilizzo previsti e riserve conosciute.8

Alcuni possono esaurirsi entro 10 anni (es.indio e germanio). Anche se vengono scoperte nuove riserve, come per il petrolio, sono spesso di qualità relativamente scarsa e hanno alti costi economici e ambientali. È ironico che alcune carenze (per esempio il litio e alcune delle terre rare) siano il risultato dell’aumento dei tassi di utilizzo delle tecnologie a basso contenuto di carbonio. Mentre abbiamo certamente bisogno di tecnologie a basso contenuto di carbonio fossile, dobbiamo introdurle con gli occhi ben aperti su eventuali problemi consequenziali, come l’elevato utilizzo di altri elementi critici.9

Un modo in cui i ricercatori stanno rispondendo alla criticità di alcuni elementi è un uso molto più intelligente di questi elementi, cioè una migliore progettazione e riciclaggio dei catalizzatori (discusso nel Capitolo 11), e sviluppando catalizzatori che evitano l’uso di elementi critici concentrandosi sull’uso di metalli base più abbondanti (Capitolo 16).

1.2.3 Risorse rinnovabili

La produzione di prodotti chimici dipende dalle risorse. Il petrolio ha dominato l’industria come materia prima di carbonio con poche eccezioni, tra cui una piccola percentuale di composti di derivazione naturale (ad esempio per l’uso in prodotti per la cura personale e farmaceutici) e prodotti chimici derivati dal carbone in Sud Africa (sviluppati per superare le barriere commerciali introdotte nell’era dell’apartheid).

C’è una crescente pressione, soprattutto da parte dei consumatori, sui produttori per produrre prodotti chimici bio-derivati come sostituti delle risorse fossili e delle sostanze ora considerate pericolose per noi o per l’ambiente. Si ritiene che lo spostamento verso prodotti a base biologica abbia una serie di vantaggi:10 Uso di risorse rinnovabili e spendibili Meno dipendenza da risorse fossili limitate e sempre più costose Il potenziale per ridurre le emissioni di gas serra (impatto carbonio neutro/basso) Il potenziale per una produzione industriale sostenibile La salute della comunità potenzialmente migliorata Supporta lo sviluppo rurale Maggiore competitività industriale attraverso prodotti innovativi eco-efficienti Potenziale di trasferimento ad altre regioni del mondo, compreso il trasferimento di tecnologie appropriate scoperte e provate nell’UE

Vijayendran ha recentemente stimato che entro il 2025 oltre il 15% del mercato chimico globale da 3.000 miliardi di dollari sarà derivato dalle bio-fonti.11 Gli ingredienti farmaceutici attivi (API), i polimeri, i cosmetici, i lubrificanti e i solventi sono stati anche stimati come i più importanti sotto-segmenti del settore chimico dal gruppo consultivo ad hoc per i prodotti bio-based.10 Gli API in particolare, con il 33,7% delle vendite chimiche globali, si prevede che saranno il segmento chimico con la più alta percentuale di vendite di prodotti realizzati con processi biotecnologici. Man mano che cominciamo ad abbandonare i prodotti petrolchimici, l’uso della biomassa come materia prima chimica diventerà sempre più importante.12

1.3 La biomassa come materia prima chimica

Per biomassa si intendono generalmente le bio-risorse di grande volume e basso valore che possono essere usate come materie prime per la produzione di prodotti chimici, combustibili e materiali. Per distinguere la biomassa dalle risorse fossili, come il carbone e il petrolio (a loro volta biomasse antiche), è prudente limitarsi alle risorse che hanno meno di 100-200 anni (risorse che hanno un ciclo di vita simile a quello dell’uomo). In questo modo, possiamo considerare la biomassa come comprendente: Residui forestali Alberi a rotazione breve Residui agricoli comprese le cannucce Rifiuti della lavorazione degli alimenti compresi gusci, pietre, bucce Erbe e altra biomassa coltivata sulla terra non utilizzata per il cibo Residui marini Macroalghe (alghe), microalghe e altra biomassa coltivata in acqua non utilizzata per il cibo Altri rifiuti alimentari

La quantità totale di questa biomassa disponibile non è nota con precisione, ma è stata precedentemente stimata in 50 miliardi di tonnellate all’anno, compresi 1,3 miliardi di tonnellate all’anno di rifiuti alimentari.13,14

Possiamo classificare la biomassa in 3 categorie principali:12 Carboidrati (amido, cellulosa ed emicellulosa) inclusa la lignina dalla biomassa lignocellulosica Trigliceridi (olio di soia, palma, colza, girasole) Residui organici misti

La biomassa lignocellulosica consiste in materia vegetale secca contenente cellulosa, emicellulosa e lignina. Può essere ottenuta da una varietà di colture dedicate, come il miscanto, il salice o il pioppo. In alternativa, le materie prime possono essere ottenute da rifiuti come la paglia di riso o di grano, i residui forestali e la pasta di carta dell’industria cartaria. I rifiuti alimentari sono un’altra materia prima ricca di molecole funzionalizzate. Sebbene sia biodegradabile, dovrebbe essere valorizzato come materia prima per prodotti chimici rinnovabili, materiali e biocarburanti, portandoci verso la minimizzazione dei rifiuti e la riduzione della dipendenza dalle risorse fossili. L’utilizzo dei materiali di scarto ha il vantaggio fondamentale di evitare la competizione per i terreni agricoli che potrebbero essere utilizzati per la produzione di cibo e di generare valore dai residui che altrimenti andrebbero sprecati.15 Per queste ragioni, la valorizzazione dei rifiuti è vista come una fonte sempre più importante sia di prodotti chimici che di energia.

Oltre alle molecole funzionali estraibili che si trovano nella biomassa, possiamo anche fare ulteriori molecole funzionali utili o “molecole piattaforma”, come l’acido succinico, l’acido lattico e il levoglucosenone, attraverso la lavorazione biochimica o termochimica dei componenti cellulosici di molti tipi di biomassa. Una bioraffineria è un analogo dell’attuale petro-raffineria nel senso che produce energia e prodotti chimici. La differenza principale sta nella materia prima che utilizzerà, che va dalla biomassa ai rifiuti (Figura 1.2).

Le bioraffinerie possono essere considerate appartenenti a tre tipi. Le bioraffinerie di tipo 1 si concentrano sulla conversione di una materia prima, usando un processo e mirando a un prodotto. Un impianto di produzione di biodiesel sarebbe un buon esempio: la colza o il girasole vengono utilizzati per l’estrazione dell’olio, che viene successivamente transesterificato per produrre esteri metilici di acidi grassi o biodiesel utilizzando metanolo e un catalizzatore.

Le bioraffinerie di tipo 2 differiscono dal primo tipo per il numero di prodotti. Un esempio tipico è la produzione di amido, etanolo e acido lattico insieme ad alto sciroppo di fruttosio, sciroppo di mais, olio di mais e farina di mais da operazioni di mulino a umido di mais. Un esempio più recente che è stato suggerito è l’uso di rifiuti di agrumi, come la buccia d’arancia (Figura 1.3).16

Le bioraffinerie di tipo 3 permettono di combinare una gamma più ampia di tecnologie. Permettono anche un numero maggiore di prodotti che generano due o più prodotti a base biologica e il residuo è usato per produrre energia (sia carburante, energia e/o calore). Gli esempi includono le bioraffinerie a coltura intera, che fanno uso di diversi sottoprodotti agricoli provenienti dalla stessa coltura. Le bioraffinerie di tipo 3 sono tipicamente quelle che mirano alla produzione di prodotti chimici e combustibili.

Mentre il concetto di bioraffineria viene sviluppato, è imperativo che venga applicato l’uso di tecnologia pulita, assicurando che i suoi risultati siano veramente sostenibili. La IEA Bioenergy Task 42 definisce la bioraffinazione come “la trasformazione sostenibile della biomassa in uno spettro di prodotti a base biologica (cibo, mangimi, prodotti chimici e/o materiali) e bioenergia (biocarburanti, energia e/o calore).17 In futuro, diverse bioraffinerie emergeranno commercialmente, sfruttando una tecnologia flessibile, aiutando il concetto di bioraffineria a lavorare la biomassa disponibile localmente in un ciclo integrato combustibile-chimico-materiale-energia, migliorando la qualità della vita della popolazione locale e abbassando l’impatto ambientale governato dalle tre dimensioni della sostenibilità: protezione ambientale, progresso sociale e sviluppo economico.12

La Chimica Verde sta contribuendo a guidare la rivoluzione delle rinnovabili, indicando la strada verso la sostituzione delle materie prime fossili e verso un approccio di economia più circolare nell’utilizzo delle risorse. Le tre fasi fondamentali del ciclo di vita del prodotto non sono più sufficienti – ora abbiamo bisogno di aggiungere una fase che restituisca le risorse dall’articolo usato alla produzione utile. Questo potrebbe in linea di principio essere parte del ciclo naturale del carbonio per i materiali organici, in modo che dobbiamo solo assicurarci che gli articoli siano raccolti (infrastrutture migliori) e che siano (rapidamente) biodegradabili. Il limite è che la natura tende a trasferire la maggior parte del suo carbonio sotto forma di anidride carbonica e altre molecole semplici, che poi richiedono uno sforzo per costruirsi (eseguendo reazioni chimiche ecc. che consumano risorse e generano i propri rifiuti). Nel caso delle risorse inorganiche, non possiamo contare su nessun tipo di ciclo naturale per la maggior parte degli elementi. Il nostro attuale approccio lineare di estrarre i minerali, lavorarli per produrre metalli, usare quei metalli nella fabbricazione di articoli complessi e poi smaltirli nelle discariche non può restituirci le risorse in alcun modo utile. Piuttosto abbiamo bisogno di costruire i nostri sistemi a circuito chiuso di risorse inorganiche in cui le risorse, tipicamente i metalli, sono recuperati dagli articoli originali in cui sono usati, e in una forma che può essere facilmente usata per la stessa o diversa applicazione. Questo richiederà cambiamenti fondamentali nella progettazione degli articoli che permettano un facile smontaggio a livello di risorse – a volte indicato come “benigno per progettazione”.

1.4 Principali iniziative a livello mondiale

Come è stato discusso, la crescente legislazione, le risorse limitate e i cambiamenti nell’opinione pubblica e scientifica significano che c’è un bisogno crescente per le industrie e il mondo accademico di lavorare insieme verso pratiche più verdi e sostenibili. È fondamentale dotare la prossima generazione di scienziati delle conoscenze e delle competenze necessarie per farlo.

Dagli umili inizi di alcuni gruppi di ricerca che lavoravano in aree come la sostituzione di reagenti pericolosi comunemente usati come AlCl3 negli anni ’80, attraverso il movimento della Chimica Verde iniziato dall’EPA statunitense negli anni ’90, ci sono ora molte iniziative di chimica verde e sostenibile in tutto il mondo. Queste vanno dai grandi centri che lavorano in diverse aree ai programmi educativi e alle reti. La Chimica Verde sta trovando la sua strada in vari stadi dell’istruzione e in vari paesi: probabilmente i programmi educativi più riconoscibili sono i corsi di Master ora in corso in paesi come Regno Unito, Francia, Spagna, Canada, Grecia, India e Bulgaria.18 La Chimica Verde è probabilmente meno sviluppata a livello universitario, ma negli Stati Uniti, è stato stimato che 13 università offrono corsi di Chimica Verde con Berkeley particolarmente attiva nello sviluppo di attività online.11 Un certo numero di libri e altre risorse offrono corsi pratici di Chimica Verde, per lo più per corsi universitari.19

I centri di Chimica Verde (per lo più a base universitaria con più di un accademico di alto livello nel centro, e con una gamma di attività che vanno oltre la ricerca per includere, per esempio, l’istruzione e il networking) si stanno diffondendo con diversi negli USA (tra cui UC Berkeley e UMass Boston) e altri in Australia (Center for Green Chemistry a Monash), Corea (tra cui il Korean Research Institute of Chemical Technology), Messico (UANL, Monterrey), India (Università di Delhi), Canada (Green Center Canada) e Regno Unito (Università di York).20

Il Green Chemistry Network (GCN) ha recentemente avviato una rete di centri di chimica verde e sostenibile (G2C2) nel tentativo di migliorare la comunicazione tra i centri esistenti e di fornire una guida per i centri emergenti, come in Brasile e Sud Africa.21 La prima riunione dei centri internazionali si è svolta a Delhi nel dicembre 2013.22 Inoltre, il Green Chemistry Institute è molto attivo nella promozione di diverse importanti iniziative di chimica verde, come l’ecologizzazione dei processi farmaceutici.23,24 Le collaborazioni tra il mondo accademico e l’industria sono anche fondamentali per lo sviluppo di tecnologie e progetti all’avanguardia, come il progetto dell’IMI “CHEM21 (Chemical manufacturing methods for the 21st century pharmaceutical industries)”.25 Lo scopo di questo progetto è quello di lavorare per sviluppare metodologie più verdi, sviluppando alternative biologiche e chimiche sostenibili a materiali limitati, come i metalli preziosi. Molti dei temi del progetto sono trattati nei capitoli di questo libro.

1.5 Riassunto

La chimica verde, l’ingegneria verde e il design sostenibile devono essere considerati quando ci si muove verso processi più appropriati dal punto di vista ambientale. Il cambiamento dell’opinione pubblica, la legislazione e la disponibilità di risorse sono tutti fattori che guidano il cambiamento. L’implementazione di REACH e lo sviluppo di “SIN-Lists” di prodotti chimici che mirano a limitare l’uso di molti prodotti chimici ha implicazioni di ampia portata per le industrie manifatturiere. La disponibilità limitata di molte risorse significa che dobbiamo sviluppare sistemi a ciclo chiuso e andare verso un’economia circolare. Il concetto di bioraffineria permette la conversione della biomassa in prodotti chimici ed energia utili, riducendo la nostra dipendenza dalle risorse fossili. Ci sono molte iniziative in tutto il mondo che cercano di aiutare l’innovazione nel campo della chimica verde e sostenibile e di educare la prossima generazione di scienziati.