Per la proficua frequentazione del corso è richiesta la conoscenza di:

• i fondamenti di chimica generale ed inorganica (struttura della materia, legami chimici, proprietà periodiche, stechiometria);

• le basi di chimica organica (principali gruppi funzionali, reattività, meccanismi elementari);

• i concetti di chimica fisica applicati alle soluzioni e alla termodinamica chimica;

• nozioni di base di biologia e biochimica (macromolecole naturali, metabolismo primario) per l’approccio alla valorizzazione delle biomasse.

Il corso di Tecnologie Chimiche Verdi affronta in modo sistematico la progettazione e l’ottimizzazione di processi per l’ottenimento di molecole complesse di origine naturale (fitocomposti, peptidi/oligomeri naturali, metaboliti secondari) con minimo impatto chimico lungo l’intero ciclo di processo. L’approccio privilegia operazioni di separazione/estrazione a basso dispendio di risorse e ad alta selettività—ATPS (Aqueous Two-Phase Systems), deep eutectic solvents/NADES, CO₂ supercritica, acqua subcritica, estrazioni micellari e microemulsioni integrate, quando opportuno, con intensificazione di processo (microonde, ultrasuoni) e configurazioni flow per migliorare resa, purezza e riproducibilità.

Gli studenti svilupperanno competenze nel design of experiments (DoE), nella valutazione delle metriche di sostenibilità (PMI/E-factor, consumo energetico, impatto idrico), nell’uso di linee guida per la selezione dei solventi e nell’applicazione di eco-design e LCA alle filiere estrattive. Particolare attenzione è rivolta alla riduzione di passaggi chimici ausiliari (es. derivatizzazioni/biotrasformazioni non strettamente necessarie), alla compatibilità con matrici biologiche e ai requisiti di qualità, sicurezza e conformità regolatoria in vista dello scale-up fino alla pre-validazione industriale. Obiettivo formativo: fornire strumenti teorico-applicativi per tradurre la biodiversità in intermedi bio-based mediante percorsi estrattivi green, efficienti e competitivi.

Il corso mira a fornire allo studente una solida preparazione teorico-pratica nell’ambito delle tecnologie estrattive innovative e sostenibili. In particolare, l’obiettivo è:

• sviluppare la capacità di comprendere i principi della chimica verde e applicarli alla progettazione di processi di estrazione e purificazione a ridotto impatto ambientale;

• acquisire competenze nell’impiego di solventi e tecniche innovative (ATPS, NADES, CO₂ supercritica, acqua subcritica, estrazioni micellari e microemulsioni, coacervazione), integrandole con strategie di intensificazione di processo (microonde, ultrasuoni, flow);

• formare alla valutazione critica della sostenibilità dei processi, mediante indicatori quantitativi (PMI, E-factor, bilanci energetici e idrici) e strumenti di eco-design e LCA;

• stimolare la capacità di applicare metodologie di ottimizzazione sperimentale (DoE) per il miglioramento di resa, selettività e riproducibilità;

• sviluppare consapevolezza sui requisiti di sicurezza, qualità e conformità regolatoria necessari per lo scale-up industriale;

• promuovere un approccio scientifico orientato alla valorizzazione della biodiversità come fonte di molecole bio-based, favorendo la transizione verso processi realmente green ed economicamente competitivi.

L’attività formativa prevede lezioni frontali, finalizzate a fornire i fondamenti teorici e metodologici della chimica verde applicata alle tecnologie estrattive, con costante richiamo a casi studio tratti da progetti di ricerca e applicazioni industriali. A queste si affiancano attività seminariali e discussioni guidate, utili a stimolare la capacità critica e l’interazione attiva degli studenti su tematiche emergenti (nuovi solventi, metriche di sostenibilità, normative). Sono inoltre previste esercitazioni pratiche e di laboratorio, dedicate alla progettazione e validazione di protocolli estrattivi mediante tecniche innovative (ATPS, NADES, CO₂ supercritica, microonde, ultrasuoni), nonché attività di elaborazione dati con l’applicazione del design of experiments (DoE) e strumenti di analisi statistica. Completano il percorso didattico la presentazione e la discussione di mini-progetti di gruppo, volti a integrare conoscenze teoriche e abilità applicative nello sviluppo di processi green trasferibili in ambito produttivo.

La verifica dell’apprendimento avviene mediante prova orale, finalizzata ad accertare la comprensione dei principi teorici e la capacità di applicarli in contesti pratici. L’esame comprende la discussione di casi studio e l’analisi critica di protocolli estrattivi, con attenzione agli aspetti di sostenibilità, ottimizzazione sperimentale (DoE) e valutazione delle metriche di impatto ambientale.

A completamento, lo studente dovrà presentare un elaborato individuale, che dimostri la capacità di integrare le conoscenze acquisite nello sviluppo di un processo green applicabile a matrici reali.

La valutazione terrà conto della correttezza tecnico-scientifica, della chiarezza espositiva, della capacità di collegare teoria e applicazione e dell’approccio critico nell’impostazione dei processi.

Redazione e presentazione dell’elaborato individuale.

• Fondamenti di chimica verde e sostenibilità (6 h)
  Principi della green chemistry; metriche di sostenibilità (PMI, E-factor, energia, acqua); eco-design e LCA.

• Materie prime naturali e biomasse (4 h)
  Fitocomposti, metaboliti secondari, peptidi naturali; valorizzazione di sottoprodotti e scarti agro-industriali.

• Tecniche estrattive convenzionali e loro limiti (4 h)
  Macerazione, Soxhlet, distillazione, solventi organici: criticità energetiche e ambientali.

• Tecniche estrattive innovative e green (12 h)
  ATPS, DES/NADES, CO₂ supercritica, acqua subcritica, estrazioni micellari/microemulsioni/coacervazione; intensificazione con microonde, ultrasuoni e flow.

• Sicurezza, qualità e regolamentazione (6 h)
  Normative di riferimento (REACH, EFSA, FDA), sicurezza chimico-biologica, requisiti di qualità per prodotti bio-based.

• Esercitazioni – 20 h

• Design of Experiments (DoE) applicato a processi estrattivi (10 h)
  Pianificazione sperimentale, analisi dei dati, interpretazione dei risultati.

• Analisi critica di casi studio (6 h)
  Discussione guidata di articoli scientifici e protocolli industriali.

• Simulazioni di processi green (4 h)
  Confronto tra metodiche convenzionali e innovative con calcolo di indicatori di sostenibilità.

• Laboratorio – 20 h

• Esperienze pratiche su tecniche estrattive innovative (12 h)
  Preparazione e utilizzo di NADES, estrazioni ATPS, prove con microonde e ultrasuoni.

• Valutazione sperimentale di parametri di sostenibilità (4 h)
  Bilanci di massa ed energia, confronto PMI/E-factor.

• Mini-progetto individuale (4 h)
  Sviluppo e documentazione di un protocollo estrattivo green su una matrice modello.

Liquid-Phase Extraction Edited By Colin F. Poole - Elsevier
BIOTECHNOLOGY IN THE CHEMICAL INDUSTRY - (Towards a Green and Sustainable Future) Pratima Bajpai - ELSEVIER