Assessment and optimization of chemical industrial processes from a life cycle perspective

During the PhD program in chemistry, curriculum in environmental chemistry, at the University of Bologna the sustainability of industry was investigated through the application of the LCA methodology. The efforts were focused on the chemical sector in order to investigate reactions dealing with the Green Chemistry and Green Engineering principles, evaluating their sustainability in comparison with traditional pathways by a life cycle perspective. The environmental benefits associated with a reduction in the synthesis steps and the use of renewable feedstock were assessed through a holistic approach selecting two case studies with high relevance from an industrial point of view: the synthesis of acrylonitrile and the production of acrolein. The current approach wants to represent a standardized application of LCA methodology to the chemical sector, which could be extended to several case studies, and also an improvement of the current databases, since the lack of data to fill the inventories of the chemical productions represent a huge limitation, difficult to overcome and that can affects negatively the results of the studies. Results emerged from the analyses confirms that the sustainability in the chemical sector should be evaluated from a cradle-to-gate approach, considering all the stages and flows involved in each pathways in order to avoid shifting the environmental burdens from a steps to another. Moreover, if possible, LCA should be supported by other tools able to investigate the other two dimensions of sustainability represented by the social and economic issues.

Life cycle assessment per manufatti in plastica: Il caso di contenitori per rifiuti sanitari

Per lo svolgimento della tesi ci si è rivolti ad un'azienda particolarmente conosciuta per la sua attenzione alle tematiche ambientali: la Mengozzi Rifiuti Sanitari S.p.A.. L'impianto, sito a Forlì, comprende una sezione dedicata alla gestione di contenitori in materiale plastico per rifiuti sanitari e una sezione per la termovalorizzazione di questi. Si è incentrato lo studio sulla prima parte dell'impianto che si occupa della produzione, del trasporto verso la struttura in cui è utilizzato, del ritorno in azienda e del riuso per più cicli previa sanificazione fino al riciclo per lo stampaggio di nuovi contenitori. Si è pensato di prendere in considerazione i bidoni che sono gestiti dalla Mengozzi S.p.A. e se ne è svolta un'analisi LCA comparativa tra il contenitore effettivamente in carico all'azienda e un altro ipotetico con le medesime caratteristiche strutturali ma gestito diversamente (incenerito dopo un solo utilizzo). Essendo il contenitore di plastica si è inoltre svolta una comparazione tra 2 materiali termoplastici di massa aventi caratteristiche molto simili, quali sono il polietilene ad alta densità (HDPE) e il polipropilene (PP). Il software che è stato utilizzato per condurre l'analisi è SimaPro 7.3 e il metodo lo svizzero IMPACT 2002+. Nello svolgimento si sono considerati 12 bidoni monouso che hanno in pratica la stessa funzione dell'unico bidone sanificato dopo ogni utilizzo e infine riciclato. Dall'analisi è emerso (come facilmente ipotizzabile) che il bidone riusato genera un impatto ambientale nettamente minore rispetto a quello monouso mentre non vi è apprezzabile differenza tra differente tipologia di materiale termoplastico costituente il bidone stesso: L'importanza della scelta della più adeguata modalità di gestione del fine vita e del materiale di composizione in termini ambientali è più marcata a causa di un'attenzione sempre crescente verso le tematiche di sostenibilità.

L'impronta ambientale di prodotto come strumento di trasparenza verso il mercato: l'applicazione alla filiera tessile del distretto di Prato

Obiettivo di questo studio è fornire le prestazioni ambientali della lana riciclata e l’individuazione delle aree di miglioramento all'interno del ciclo di vita per poi verificare se gli impatti ambientali di questo prodotto, a parità di caratteristiche tecniche, siano inferiori rispetto al processo di realizzazione di lana vergine. è stata usata la metodologia PEF per lo studio LCA. Lo studio si è esteso anche ai filati di lana rigenerata.

Life cycle assessment comparativa di processi di estrazione di poliidrossialcanoati da colture batteriche

I materiali plastici trovano ampie applicazioni in ogni aspetto della vita e delle attività industriali. La maggior parte delle plastiche convenzionali non sono biodegradabili e il loro accumulo è una minaccia per il pianeta. I biopolimeri presentano vantaggi quali: la riduzione del consumo delle risorse e la riduzione delle emissioni CO2, offrendo un importante contributo allo sviluppo sostenibile. Tra i biopolimeri più interessanti troviamo il poliidrossibutirrato (PHB), l’oggetto di questo studio, che è il più noto dei poliidrossialcanoati. Questo polimero biodegradabile mostra molte somiglianze con il polipropilene. La tesi consiste nell’applicazione del Life Cycle Assessment a processi di estrazione del PHB da colture batteriche. In essa sono valutate le prestazioni ambientali di 4 possibili processi alternativi, sviluppati dal CIRI EA, che utilizzano il dimetilcarbonato (DMC) e di 3 processi che utilizzano solventi alogenati (cloroformio, diclorometano, dicloroetano). Per quanto riguarda i processi che utilizzano come solvente di estrazione il DMC, due sono gli aspetti indagati e per i quali differiscono le alternative: la biomassa di partenza (secca o umida), e il metodo di separazione del polimero dal solvente (per evaporazione del DMC oppure per precipitazione). I dati primari di tutti gli scenari sono di laboratorio per cui è stato necessario realizzare un up scaling industriale di tutti i processi. L’up scaling è stato realizzato in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria Civile Chimica Ambientale e dei Materiali. La valutazione delle prestazioni ambientali è stata fatta rispetto a tutte le categorie d’impatto raccomandate dall’Handbook della Commissione Europea, di queste solo alcune sono state analizzate nel dettaglio. Tutti i risultati mostrano un andamento simile, in cui gli impatti dei processi che utilizzano DMC sono inferiori a quelli dei solventi alogenati. Fra i processi che impiegano DMC, l’alternativa più interessante appare quella che impiega biomassa di partenza secca e raccolta del PHB per precipitazione.

Analisi del ciclo di vita applicato alla produzione dell'anidride maleica mediante vie alternative di sintesi industriale

Nel campo dell’industria chimica la ricerca si è mossa in direzione di rendere i processi più sostenibili. Ciò viene effettuato considerando le linee guida della green chemistry. In questo contesto si colloca la metodologia LCA che valuta l’impatto ambientale associato ad un processo o un prodotto, comprendendo tutto il suo ciclo di vita. Nel presente lavoro di tesi si studia l’applicazione della LCA alla sintesi industriale di anidride maleica (AM), che viene ottenuta tramite reazione di ossidazione del benzene o dell’n-butano. Nello studio si sono modellate tre diverse vie di sintesi dell’AM considerando il processo di produzione che parte da benzene e il processo di produzione da butano con due diversi tipi di reattore: il letto fisso e il letto fluido (processo ALMA). Negli scenari si considerano le fasi di produzione dei reagenti e si è modellata la fase della reazione di ossidazione e l’incenerimento dei sottoprodotti e del reagente non convertito. Confrontando i tre processi, emerge che al processo che parte da benzene sono associati gli impatti globali maggiori mentre il processo ALMA ha un minore carico ambientale. Il processo da benzene risulta avere maggiori impatti per le categorie Cambiamento climatico, Formazione di particolato e Consumo dei metalli. Il processo da butano a tecnologia a letto fisso presenta invece maggiori impatti per le categorie Tossicità umana e Consumo di combustibili fossili, dovuti alla maggiore richiesta energetica effettuata dal processo di ossidazione del butano con tecnologia a letto fisso e alla richiesta di combustibile ausiliario per la fase di incenerimento. Tale risultato emerge anche dall’analisi effettuata con il Cumulative Energy Demand. Al processo ALMA sono associati gli impatti inferiori in assoluto, nonostante abbia una resa inferiore al processo che utilizza il letto fisso. I risultati dell’analisi LCA sono stati confermati dall’analisi delle incertezze, realizzata con il metodo statistico Monte Carlo.

Life cycle assessment e analisi economica dell'utilizzo di pneumatici fuori uso nelle linee ferroviarie

La presente tesi si propone di determinare quale sia la situazione del mercato italiano e spagnolo sui pneumatici fuori uso (PFU) e quale sia il migliore metodo di costruzione degli elementi elastici da PFU. I risultati dell'analisi di mercato mostrano che l'introduzione del principio di responsabilità del produttore, introdotto in Italia solo nel 2011, sta portando ottimi risultati, e il problema di raccolta degli PFU è in via di risoluzione. Gli studi dinamici documentano che gli under rail paid (URP) costruiti da PFU rispettano tutte le necessità tecniche per l'utilizzo nelle linee ferroviarie sia convenzionali che ad alta velocità. Invece il Life Cycle Assessment (LCA) dimostra che il processo di costruzione degli URP da PFU decostruiti impatta meno rispetto a quello dei PFU triturati. I risultati del Life Cycle Cost (LCC) fanno propendere per un utilizzo degli URP nelle vie ferroviarie in quanto si ha una diminuzione dei costi di manutenzione.

L’approccio del ciclo di vita applicato a sistemi di gestione ambientale: il caso dell’aeroporto Falcone – Borsellino di Palermo

La tesi tratta l’analisi preliminare dell’Organization Environmental Footprint (OEF) dell’ente gestore dell’aeroporto Falcone - Borsellino di Palermo (GES.A.P.). Viene inoltre sviluppato un nuovo metodo per la classificazione degli aspetti ambientali utilizzabile all’interno del Sistema di Gestione Ambientale (SGA) attualmente utilizzato dall’ente GES.A.P. Dopo un'introduzione sulle ragioni che hanno portato allo sviluppo di questi strumenti, vengono approfondite le fasi necessarie per la loro applicazione, specificate nella guida metodologica sull’OEF e nella norma ISO 14001. I dati raccolti per il calcolo dell’OEF sono stati inseriti in un modello dell’organizzazione creato con il software GaBi7 al fine di stimare gli impatti ambientali dell’organizzazione negli anni analizzati. In questo lavoro viene effettuata un’analisi del metodo EMRG (Environmental Management Research Group) utilizzato per l’individuazione e la classificazione degli aspetti ambientali nell’ambito del SGA (certificato ISO 14001:2004) di GESAP e delle innovazioni introdotte nella versione 2015 della norma ISO 14001. Viene suggerito un metodo alternativo basato sull’integrazione dei risultati di un'analisi Life Cicle Assessment (LCA), svolta tramite l’OEF, con la metodologia EMRG, attualmente impiegata, al fine di avviare il processo di transizione del SGA verso l’aggiornamento-consegna richiesto dalla ISO14001:2015. Dall’applicazione del metodo viene ricavata una nuova gerarchia degli aspetti ambientali di GESAP utilizzabile per l’implementazione del suo SGA.

The course of chronic and recurrent low back pain in the general population

Using latent class analysis (LCA), a previous study on patients attending primary care identified four courses of low back pain (LBP) over the subsequent 6 months. To date, no studies have used longitudinal pain recordings to examine the "natural" course of recurrent and chronic LBP in a population-based sample of individuals. This study examines the course of LBP in the general population and elaborates on the stability and criterion-related validity of the clusters derived. A random sample of 400 individuals reporting LBP in a population-based study was asked to complete a comprehensive questionnaire at the start and end of the year's survey, and 52 weekly pain diaries in between. The latter were analyzed using LCA. 305 individuals returned more than 50% of the diaries. Four clusters were identified (severe persistent, moderate persistent, mild persistent, and fluctuating). The clusters differed significantly with regards to pain and disability. Assessment of cluster stability showed that a considerable proportion of patients in the "fluctuating" group changed their classification over time. Three of the four clusters describing the typical course of pain matched the clusters described previously for patients in primary care. Due to the population-based design, this study achieves, for the first time, a close insight into the "natural" course of chronic and recurrent low back pain, including individuals that did not necessarily visit the general practitioner. The findings will help to understand better the nature of this pain in the general population.

Outcomes of antiretroviral therapy in the Swiss HIV Cohort Study: latent class analysis

An in-depth understanding of the different groups that make up the HIV-infected population should inform prevention and care. Using latent class analysis (LCA) we identified seven groups with similar socio-demographic and behavioral characteristics at enrolment in the Swiss HIV Cohort Study: older gay men, younger gay men, older heterosexual men, injection drug users, single migrants, migrant women in partnerships and heterosexual men and women. Outcomes of combination antiretroviral therapy (ART) were analyzed in 1,633 patients starting ART. Compared to older gay men, the probability of a virologic response to ART was reduced in single migrants, in older heterosexual men and in IDUs. Loss to follow-up was higher in single migrants and IDUs, and mortality was increased in older heterosexual men and IDUs. Socio-behavioral groups identified by LCA allow insights above what can be gleaned from traditional transmission groups, and may identify patients who could benefit from targeted interventions.

Variable ECG signs of ischemia during controlled occlusion of the left and right coronary artery in humans

Infarct size (IS) increases with vascular occlusion time, area at risk for infarction, lack of collateral supply, absence of preconditioning, and myocardial demand for O2 supply. ECG S-T segment elevation is used as a measure of severity of ischemia and a surrogate for IS. This study in 50 patients with coronary artery disease undergoing a first 120-s balloon occlusion of a stenosis sought to determine whether S-T segment elevation, corrected for the above-mentioned variables, in the left coronary artery (LCA group, n = 36) is different from that in the right coronary artery (RCA group, n = 14) territory. After consideration of all known determinants of IS, particularly mass at risk and collateral supply, the LCA territory is more sensitive than the RCA region to a 2-min period of myocardial ischemia.

Multilevel Latent Class Models with Dirichlet Mixing Distribution

Latent class analysis (LCA) and latent class regression (LCR) are widely used for modeling multivariate categorical outcomes in social sciences and biomedical studies. Standard analyses assume data of different respondents to be mutually independent, excluding application of the methods to familial and other designs in which participants are clustered. In this paper, we develop multilevel latent class model, in which subpopulation mixing probabilities are treated as random effects that vary among clusters according to a common Dirichlet distribution. We apply the Expectation-Maximization (EM) algorithm for model fitting by maximum likelihood (ML). This approach works well, but is computationally intensive when either the number of classes or the cluster size is large. We propose a maximum pairwise likelihood (MPL) approach via a modified EM algorithm for this case. We also show that a simple latent class analysis, combined with robust standard errors, provides another consistent, robust, but less efficient inferential procedure. Simulation studies suggest that the three methods work well in finite samples, and that the MPL estimates often enjoy comparable precision as the ML estimates. We apply our methods to the analysis of comorbid symptoms in the Obsessive Compulsive Disorder study. Our models' random effects structure has more straightforward interpretation than those of competing methods, thus should usefully augment tools available for latent class analysis of multilevel data.

Novel TULP1 mutation causing leber congenital amaurosis or early onset retinal degeneration

PURPOSE: To report a large, consanguineous Algerian family affected with Leber congenital amaurosis (LCA) or early-onset retinal degeneration (EORD). METHODS: All accessible family members underwent a complete ophthalmic examination, and blood was obtained for DNA extraction. Homozygosity mapping was performed with markers flanking 12 loci associated with LCA. The 15 exons of TULP1 were sequenced. RESULTS: Seven of 30 examined family members were affected, including five with EORD and two with LCA. All patients had nystagmus, hemeralopia, mild myopia, and low visual acuity without photophobia. Fundus features were variable among EORD patients: typical spicular retinitis pigmentosa or clumped pigmented retinopathy with age-dependent macular involvement. A salt-and-pepper retinopathy with midperipheral retinal pigment epithelium (RPE) atrophy was present in the older patients with LCA, whereas the retina appeared virtually normal in the younger ones. Both scotopic and photopic electroretinograms were nondetectable. Fundus imaging revealed a perifoveal ring of increased fundus autofluorescence (FAF) in the proband, and optical coherence tomography disclosed a thinned retina, mainly due to photoreceptor loss. Linkage analysis identified a region of homozygosity on chromosome 6, region p21.3, and mutation screening revealed a novel 6-base in-frame duplication, in the TULP1 gene. CONCLUSIONS: Mutation in the TULP1 gene is a rare cause of LCA/EORD, with only 14 mutations reported so far. The observed intrafamilial phenotypic variability could be attributed to disease progression or possibly modifier alleles. This study provides the first description of FAF and quantitative reflectivity profiles in TULP1-related retinopathy.

Comparison of common dredging equipment air emissions

The purpose of this study is to provide a procedure to include emissions to the atmosphere resulting from the combustion of diesel fuel during dredging operations into the decision-making process of dredging equipment selection. The proposed procedure is demonstrated for typical dredging methods and data from the Illinois Waterway as performed by the U.S. Army Corps of Engineers, Rock Island District. The equipment included in this study is a 16-inch cutterhead pipeline dredge and a mechanical bucket dredge used during the 2005 dredging season on the Illinois Waterway. Considerable effort has been put forth to identify and reduce environmental impacts from dredging operations. Though environmental impacts of dredging have been studied no efforts have been applied to the evaluation of air emissions from comparable types of dredging equipment, as in this study. By identifying the type of dredging equipment with the lowest air emissions, when cost, site conditions, and equipment availability are comparable, adverse environmental impacts can be minimized without compromising the dredging project. A total of 48 scenarios were developed by varying the dredged material quantity, transport distance, and production rates. This produced an “envelope” of results applicable to a broad range of site conditions. Total diesel fuel consumed was calculated using standard cost estimating practices as defined in the U.S. Army Corps of Engineers Construction Equipment Ownership and Operating Expense Schedule (USACE, 2005). The diesel fuel usage was estimated for all equipment used to mobilize and/or operate each dredging crew for every scenario. A Limited Life Cycle Assessment (LCA) was used to estimate the air emissions from two comparable dredging operations utilizing SimaPro LCA software. An Environmental Impact Single Score (EISS) was the SimaPro output selected for comparison with the cost per CY of dredging, potential production rates, and transport distances to identify possible decision points. The total dredging time was estimated for each dredging crew and scenario. An average hourly cost for both dredging crews was calculated based on Rock Island District 2005 dredging season records (Graham 2007/08). The results from this study confirm commonly used rules of thumb in the dredging industry by indicating that mechanical bucket dredges are better suited for long transport distances and have lower air emissions and cost per CY for smaller quantities of dredged material. In addition, the results show that a cutterhead pipeline dredge would be preferable for moderate and large volumes of dredged material when no additional booster pumps are required. Finally, the results indicate that production rates can be a significant factor when evaluating the air emissions from comparable dredging equipment.

Life cycle assessment of trayless dining

Universities in the United States are applying more sustainable approaches to their dining service operations. "The increase in social consciousness and environmental stewardship on college campuses has spurred an array of new and innovative sustainability programs"(ARAMARK Higher Education 2008). University residence dining is typically cafeteria style, with students using trays to carry food. Studies report that food served without trays substantially reduces food waste and water and electrical consumption associated with washing trays. Commonly, these reported results are estimates and not measurements taken under actual operating conditions. This study utilizes measurements recorded under actual dining service conditions in student residence halls at Michigan Technological University to develop the following: 1) operational-specific data on the issues and potential savings associated with a conversion to trayless dining and 2) life cycle assessment (LCA) cost and environmental impact analyses comparing dining with and without trays. For the LCA, the entire life cycle of the system is considered, from the manufacturing to the usage and disposal phases. The study shows that trayless dining reduces food waste because diners carry less food. The total savings for the diner shifts when not using trays for the standard academic year (205 days), with an average number of 700 diners, is 7,032 pounds of food waste from the pre-rinse area (33% reduction) and 3,157 pounds of food waste from the pan washing area (39% reduction). In addition, for each day of the study, the diners consumed more food during the trayless portion of the experiment. One possible explanation for the increased food consumption during this short duration study could be that the diners found it more convenient to eat the extra food on their plate rather than carrying it back for disposal. The trayless dining experiment shows a reduction in dishwasher water, steam, and electrical consumption for each day of the study. The average reduction of dishwasher water, steam, and electrical consumption over the duration of the study were 10.7%, 9.5%, and 6.4% respectively. Trayless dining implementation would result in a decrease of 4,305 gallons of consumption and wastewater discharge, 2.87 mm BTU of steam consumption, and 158 kWh of electrical consumption for the dinner shift over the academic year. Results of the LCA indicate a total savings of $190.4 when trays are not used during the dinner shift. Trayless dining requires zero CO2 eq and cumulative energy demand in the manufacturing stage, reductions of 1005 kg CO2 eq and 861 MJ eq in the usage phase, and reductions of 6458 kg CO2 eq and 1821 MJ eq in the end of the life cycle.

Life cycle assessment of biofuels produced by the new integrated hydropyrolysis-hydroconversion (IH2) process

Biofuels are alternative fuels that have the promise of reducing reliance on imported fossil fuels and decreasing emission of greenhouse gases from energy consumption. This thesis analyses the environmental impacts focusing on the greenhouse gas (GHG) emissions associated with the production and delivery of biofuel using the new Integrated Hydropyrolysis and Hydroconversion (IH2) process. The IH2 process is an innovative process for the conversion of woody biomass into hydrocarbon liquid transportation fuels in the range of gasoline and diesel. A cradle-to-grave life cycle assessment (LCA) was used to calculate the greenhouse gas emissions associated with diverse feedstocks production systems and delivery to the IH2 facility plus producing and using these new renewable liquid fuels. The biomass feedstocks analyzed include algae (microalgae), bagasse from a sugar cane-producing locations such as Brazil or extreme southern US, corn stover from Midwest US locations, and forest feedstocks from a northern Wisconsin location. The life cycle greenhouse gas (GHG) emissions savings of 58%–98% were calculated for IH2 gasoline and diesel production and combustion use in vehicles compared to fossil fuels. The range of savings is due to different biomass feedstocks and transportation modes and distances. Different scenarios were conducted to understand the uncertainties in certain input data to the LCA model, particularly in the feedstock production section, the IH2 biofuel production section, and transportation sections.