A multiscale methodology for the preliminary screening of alternative process designs from a sustainability viewpoint adopting molecular and process simulation along with data envelopment analysis

Research activity in chemical engineering is focused on the refinement of theories and techniques employed for the development of new tools aiming at solving issues directly related to the generation of goods and services supplied by chemical, biochemical and pharmaceutical industries. In this context, multiscale approaches revealed to be very useful, since they embrace theories from quantum mechanics at the nanoscale to classical mechanics at the macroscale, contemplating wide perspectives and enabling the adaptation of each theory to an abundance of disparate applications. Furthermore, the acknowledgment of sustainability among the cornerstones of future development led to a copious diffusion of sustainability evaluation methodologies, aiming to account for economic, social and environmental concerns among chemical processes assessments. Therefore, this thesis deals with the development of a multiscale framework for the preliminary screening of chemical process designs, promoting the adoption of various computational tools along with sustainability considerations. The purpose of this methodology resides in the fulfillment of an emblematic need for any production site, i.e. evaluating a production process considering possible modifications from different perspectives in order to identify as fast as possible the most efficient design including economic, social and environmental concerns. The reader will be guided through this topic following the chapters of this dissertation. In Chapter I, the concept of sustainability and sustainable development will be presented, followed by some applications starting from the wider panorama of institutions to the industry perspective, concluding with some relevant examples from chemical process engineering. Chapter II will describe each step to be performed in order to gain the sustainability evaluation of the process alternatives. From retrieving the promising process designs, to implementing each flowsheet in a process simulator, then calculating several indicators based on the sustainability pillars, which is followed by employing a mathematical tool (DEA) in order to select the most efficient designs and finally investigating how to enhance the sub-optimal alternatives through a retrofit analysis. Chapter III will deal with the application of different molecular simulation techniques in order to estimate the octanol-water partition coefficient (Kow), which is an essential parameter for the calculation of several sustainability indicators. Then the reader will encounter the three case studies shown in details in Chapter IV. The first one belongs to the pharmaceutical field and deals with the production of pioglitazone hydrochloride considering different synthesis routes from various patents. The second application regards the biochemical industry, optimizing the operating conditions of a reactor employed for the production of biodiesel from vegetable oil. The last one explores the synthesis of nanomaterials, evaluating several reaction parameters involved in the laboratory production of CdSe quantum dots from a sustainability viewpoint. Some concluding remarks and future perspectives will be included in the final Chapter V.

La ricerca scientifica nell’ambito dell’ingegneria chimica si è focalizzata sia sul perfezionamento delle teorie e delle tecniche utilizzate attualmente, che sullo sviluppo di nuovi strumenti atti a risolvere le problematiche ancora insolute relative alle produzioni di beni e servizi tipici delle industrie chimiche, biochimiche e farmaceutiche. In questo panorama, gli approcci multiscala si sono rivelati molto utili grazie alla loro peculiarità di coniugare aspetti che spaziano dalla quanto-meccanica tipica della nanoscala, alla meccanica classica dei materiali massivi, comprendendo prospettive molto ampie e adattando ogni teoria alle diverse applicazioni. Inoltre, il riconoscimento dei concetti legati alla sostenibilità come principi cardine per ottenere uno sviluppo sostenibile ha generato un prolifico incremento della diffusione di metodologie per considerare aspetti sociali e ambientali, a fianco delle tradizionali stime economiche, nel quadro più ampio delle valutazioni degli impianti chimici. Di conseguenza, questa tesi tratta dello sviluppo di una metodologia multiscala per la stima preliminare di diverse configurazioni impiantistiche, promuovendo l’adozione di strumenti computazionali differenti e comprendendo valutazioni di carattere economico, sociale e ambientale. Il fine ultimo che tale metodologia si prefigge risiede nella soddisfazione della necessità tipica di qualsiasi impianto di produzione, ovvero nella definizione di una metodologia di valutazione di vari parametri e configurazioni impiantistiche, utilizzando un’ottica sostenibile e fornendo risultati velocemente. Al lettore verranno fornite le adeguate informazioni sull’argomento in maniera progressiva attraverso i capitoli di questa tesi. Nel Chapter I saranno descritti il concetto di sostenibilità e di sviluppo sostenibile. Seguirà una trattazione riguardante la loro applicazione nella società odierna da diverse prospettive: a partire da quella più generalista delle istituzioni, fino a quella più particolare dell’industria, per concludere con una parte specifica sull’industria chimica, corredata di esempi di metodologie applicate a processi chimici. Il Chapter II descriverà i passaggi necessari ad ottenere la valutazione della sostenibilità delle alternative impiantistiche. Dal reperimento delle informazioni necessarie, all’implementazione dei modelli nei simulatori di processo, seguito dal calcolo degli indici rappresentativi dei pilastri della sostenibilità, i cui valori vengono successivamente valutati tramite un algoritmo matematico (DEA) per identificare la configurazione impiantistica ottimale. Infine è necessario analizzare le alternative inefficienti di modo da comprendere su quali variabili si debba intervenire per migliorarne le prestazioni attraverso una retrofit analisi. Il Chapter III affronterà l’utilizzo di diverse tecniche di simulazione molecolare per la stima del coefficiente di ripartizione ottanolo-acqua (Kow), che è un proprietà fondamentale per il calcolo di alcuni indici utilizzati. Il lettore troverà alcuni casi di studio descritti nel Chapter IV. Il primo appartiene al ramo della farmaceutica e si occupa della produzione del pioglitazone cloridrato attraverso l’utilizzo di diverse vie di sintesi appartenenti a numerosi brevetti. La seconda applicazione della metodologia riguarda l’industria biochimica e ottimizza le condizioni operative di un reattore utilizzato per la produzione di biodiesel a partire da olio vegetale. L’ultimo caso di studio esplora il mondo dei materiali nanostrutturati, valutando diversi parametri di reazione utilizzati per condurre la sintesi di CdSe quantum dot. L’ultimo Chapter V conterrà le valutazioni conclusive e le prospettive future.