عملية التصميم لأغراض الهندسة المستدامة: الحسابات وأفضل الممارسات

الهندسة المستدامة تمثل تحولاً أساسياً في كيفية التعامل مع تصميم العمليات، وإدماج الإدارة البيئية، والقدرة الاقتصادية على البقاء، والمسؤولية الاجتماعية في كل مرحلة من مراحل التنمية، وهندسة العمليات المستدامة تدمج مبادئ الاستدامة في تصميم العمليات وعمليات التصنيع، وتكيفها على النحو الأمثل، لتقليل الأثر البيئي في كل مرحلة من مراحل تطوير العمليات وتشغيلها، ولتصميم العملية تأثير كبير على استدامة العمليات الكيميائية، حيث أن أهم القرارات تتخذ في المراحل المبكرة من تطوير العمليات.

فهم تصميم العملية المستدامة

ويصف تصميم العمليات المستدامة المفاهيم أو الاستراتيجيات اللازمة لاستبدال عمليات الإنتاج غير الفعالة وغير المتجددة، وقد تطور هذا المجال تطورا كبيرا على مدى العقود العديدة الماضية، حيث انتقل من التركيز الضيق على مكافحة التلوث إلى نهج شامل ينظر في دورة حياة العمليات والمنتجات بأكملها، وبعد التغلب على رفضها في وقت سابق للآثار البيئية السلبية، عملت الصناعة الكيميائية على تعزيز قدرتها على الاستمرار، مع تركيز الجهود المبكرة على الحد من التلوث من فرادى العمليات، بينما تركز هذه الجهود اليوم على الحد من الآثار.

فالطرق الحالية لتصميم العمليات المستدامة تحل مشاكل كبيرة متعددة الجوانب، وتحاول النظر في الجوانب الاقتصادية والبيئية والاجتماعية، وفي إطار التنمية المستدامة، ينبغي النظر في الجوانب الاقتصادية، لا في الجوانب الاجتماعية (المأمونة، والخروج من المخاطر)، والبيئة (منع التلوث والرقابة التنظيمية)، والطاقة، والجوانب المادية والاقتصادية للأداء في العمليات والمنتجات، ويجب تقييمها، وتحقيق الحد الأمثل لها، والسيطرة عليها من أجل تحقيق أهداف الاستدامة، وهذا النهج المتعدد الأبعاد يكفل أن تكون الحلول مستدامة حقا بدلا من مجرد مجالات.

الحسابات الأساسية في تصميم العملية المستدامة

وتشكل الحسابات الدقيقة العمود الفقري لتصميم العمليات المستدامة، وتوفر الأساس الكمي اللازم لاتخاذ القرارات المستنيرة وتحقيق الاستخدام الأمثل، وهذه الحسابات تمكن المهندسين من فهم تدفقات الموارد، وتحديد أوجه القصور، وعمليات التصميم التي تقلل إلى أدنى حد من النفايات وتزيد من الإنتاجية إلى أقصى حد.

تحليل توازن المواد والطاقة

إن أرصدة المواد والطاقة أساسية للعديد من التخصصات الهندسية ولها دور رئيسي في القرارات المتعلقة بالتنمية المستدامة، إذ إن التوازن بين المواد والطاقة هو أساسا حساب كمي لإعادة توزيع المواد و/أو الطاقة التي تحدث عند حدوث أي شيء، وتستند هذه الحسابات إلى المبدأ الأساسي المتمثل في حفظ الكتلة والطاقة، الذي ينص على أنه لا يمكن خلق أو تدمير المادة والطاقة، ولا يمكن تحويلها إلا.

إن تحليل تدفق المواد والطاقة أداة فعالة تتيح لنا القدرة على اقتراح نظم مستدامة في عدة حالات، وتشمل المنهجية وضع مخطط بياني لتدفقات المواد والطاقة داخل النظام المستهدف، ووضع حدود النظام، وتطبيق مبادئ الحفظ لتتبع المدخلات والنواتج والتراكم داخل المنظومة، وفي كل حالة، يتيح تحديد النظام، وتحديد المدخلات والنواتج، والتكديس، فهما كميا للتدفقات المادية، التي تشكل الأساس اللازم لعملية تقييم الكفاءة.

وفيما يتعلق بالعمليات المستقرة للدول، يمكن التعبير عن معادلة التوازن المادي العام على أنها:

Input = الناتج + Accumulation ]

وبالنسبة للعمليات الثابتة التي لا يتراكم فيها التراكم، فإن هذا التبسيط يُدخل إلى الناتج = الناتج، وتُتبع موازين الطاقة مبادئ مماثلة، ولكنها تُستأثر بمختلف أشكال الطاقة، بما في ذلك الطاقة الجاهزة والطاقة الحركية والطاقة المحتملة والنقل الحراري، ويركز النص على المحاسبة المتعلقة بالمواد والطاقة في الدفعات والعمليات المستمرة، مع التركيز على وحدات العمليات العامة، وصحائف التدفق، وجداول الجداول الزمنية، وحسابات الأوراق المالية الموزعة، مع اتباع نهج موحد في عمليات إعادة النشاط وغير العملية.

تحليل تدفق المواد

ويعد تحليل تدفق المواد إجراء كميا لتحديد تدفق المواد والطاقة من خلال الاقتصاد، باستخدام منهجيات المدخلات/النواتج، بما في ذلك المعلومات المادية والاقتصادية على السواء، وتحليل تدفق المواد أداة لإدارة المواد تدعم الدراسة التفصيلية لتدفقات المدخلات وتجهيز المواد وإنتاجها في مختلف نظم الإنتاج، بما في ذلك التحديد الكمي والتقييم والتحسين والتخطيط الاستراتيجي.

ومن الأساليب التي تطبق على نطاق واسع في تحليل الداء الحضري تحليل التدفق المادي، وهو تقييم منتظم لحالة تغيرات تدفقات ومخزونات المواد في نظام محدد يستند إلى مبدأ التوازن الجماعي، ويوفر مرفق التمويل المتعدد الأطراف عدة فوائد رئيسية لتصميم العمليات المستدامة:

تحديد أوجه القصور في الموارد ونقاط توليد النفايات
تحديد كمية المدخلات والنواتج المادية عبر حدود المنظومة
تقييم إمكانية إعادة التدوير والاستعادة
تعقب المخزونات المادية والتغييرات التي تحدثها بمرور الوقت
دعم استراتيجيات الاقتصاد الدائري

ويتيح هذا البرنامج تحديد إمكانيات إعادة صياغة المواد والطاقة، فضلا عن مقارنة الكفاءة في العمليات الصناعية التي سبق إنشاؤها وتقييم إمكانية استرداد المواد الخام الثانوية في التعدين الحضري، مما يجعله أداة قيمة لتصميم عمليات تقلل من استهلاك المواد الخام إلى أدنى حد ممكن وتزيد من استرداد الموارد إلى أقصى حد.

حساب استهلاك الطاقة

وتعتبر حسابات استهلاك الطاقة حاسمة في تقييم استدامة تصميمات العمليات، ويجب أن تُحسب هذه الحسابات لشتى أشكال استخدام الطاقة، بما في ذلك:

Direct energy consumption:] Energy used directly in process operations such as heating, cooling, mixing, and separation
Indirect energy consumption:] Energy embedded in raw materials and facilities
Energy losses:] Heat losses, friction losses, and other inefficiencies
Energy recovery potential:] Opportunities for heat integration and waste heat recovery

إن الرأي الكلي، الذي يجمع بين تدفقات المواد والطاقة، معروف باسم التوازن في المواد الخاملة، مع التركيز على نوعية الطاقة والمواد التي يجري تحويلها، مما يوفر معنى أشمل لكفاءة النظم والأداء البيئي، ويتجاوز التحليلات السابقة المحاسبة البسيطة للطاقة للنظر في نوعية الطاقة وجدواها، ويوفر نظرة أعمق إلى كفاءة العمليات وفرص التحسين.

مقاييس الكفاءة في استخدام الموارد

ويوفر الرصيد المادي إطاراً لقياس كفاءة الموارد كمياً، حيث تشمل القياسات المتعلقة بكفاءة استخدام الموارد مثل العائد، والتحويل، والانتقائية، وتوليد النفايات، وهي كلها مستمدة مباشرة من حسابات ميزان المواد، وتشمل القياسات الرئيسية لتقييم تصميم العمليات المستدامة ما يلي:

Yield:] نسبة المنتج المرغوب المحصل عليه إلى الحد الأقصى النظري
Selectivity:] The ratio of desired product to total products formed
Conversion:] The fractionants converted to products
Atom economy:] The percentage of reactant atoms that end up in the desired product
E-factor:] The mass ratio of waste to desired product
Energy intensity:] Energy consumed per unit of product
Water intensity:] Water consumed per unit of product

وتوفر هذه القياسات مقاييس كمية لأداء العمليات وتتيح المقارنة بين مختلف بدائل التصميم، كما تساعد على تحديد الفرص المتاحة لتحسين وتتبع التقدم نحو تحقيق أهداف الاستدامة.

تقييم دورة الحياة في تصميم العملية

وقد برز تقييم دورة الحياة كأداة هامة لقياس الأداء البيئي لمنتج أو خدمة خلال دورة الحياة الكاملة، ويوفر التقييم القطري المشترك إطارا شاملا لتقييم الآثار البيئية للعمليات من الحفر إلى القبور، بما في ذلك استخراج المواد الخام، أو تصنيعها، أو استخدامها، والتخلص من النفايات أو إعادة تدويرها في نهاية العمر.

LCA Methodology and Application

ومع التقدم المحرز في فهم الاستدامة، أصبح إدماج الاستدامة في تصميم العمليات الكيميائية وتحقيق الحد الأمثل من الإنتاج والسيطرة عليه، بمثابة أبرز البحوث في هندسة نظم العمليات مؤخرا، مع تقييم الاستدامة بعد العملية التي أجريت لتحديد البديل عن التصميم الأكثر استدامة من خلال إجراء تقييم لدورة الحياة لتحديد المراحل الأكبر من المساهمة في دورة الحياة.

The LCA methodology typically consists of four main phases:

Goal and Scope definition:] Establishing the purpose of the study, system boundaries, functional unit, and level of detail
Life Cycle Inventory (LCI): ] Collecting data on all inputs and outputs associated with the system
]Life Cycle Impact Assessment (LCIA): Evaluating the potential environmental impacts based on the inventory data
الترجمة الشفوية: ] Analyzing results, identifying significant issues, and drawing conclusions

ويوفر تطبيق نظام التمويل المتعدد الأطراف تقديرا كميا لتدفقات المواد والطاقة، التي لا تعمل فقط كأساس لسوقيات النفط، بل تتيح أيضا إجراء تقييمات بيئية أكثر دقة وتفصيلا، ويمثل الجمع بين تحليل تدفق المواد والطاقة وتقييم دورة الحياة في إطار منظور التكافؤ الحضري نهجا متقدما لتقييم الاستدامة.

تحقيق الأهداف الإنمائية المستدامة

وقد استخدم مفهوم الاستدامة المطلقة لتحديد الأداء الذي حققته النظم الهندسية في الأهداف الإنمائية المستدامة السبعة عشر، التي اعتمدتها 193 دولة عضوا في الأمم المتحدة في عام 2015، وهي بمثابة مبدأ توجيهي لصانعي السياسات لمكافحة التحديات الحاسمة التي تواجه البشرية، ويُعد إطار لتصميم العمليات المستدامة بوضوح الأداء الذي تحقق في أهداف التنمية المستدامة، ويحسب باستخدام قياسات قياسية لدورة الحياة إلى جانب مفهوم " الحد الأقصى " .

ويكفل هذا التكامل أن تسهم تصميمات العمليات إسهاما إيجابيا في تحقيق أهداف الاستدامة العالمية، ومعالجة قضايا مثل العمل المناخي، والمياه النظيفة والمرافق الصحية، والطاقة النظيفة بأسعار معقولة، والاستهلاك والإنتاج المتسمين بالمسؤولية، ويمكن للمهندسين استخدام مقاييس المنحازة الخاصة بنظم التنمية المستدامة لتقييم الكيفية التي تدعم بها تصميماتهم أو تعوق التقدم نحو تحقيق هذه الأهداف العالمية.

عملية التكامل من أجل الاستدامة

وقد تم منذ السبعينات استحداث طريقة منهجية لتصميم العمليات الكيميائية المستدامة، حيث يجري إدماج أحد الأسر المعترف بها على نطاق واسع في العمليات، ويمثل تكامل العملية نهجا شاملا في تصميم العمليات يسعى إلى الاستفادة المثلى من الموارد في جميع نظم العمليات بدلا من الاستفادة إلى أقصى حد من الوحدات الفردية المنعزلة.

تحليل أقراصنة وتكامل الحرارة

وقد تركز تطوير تقنيات تكامل العمليات أساسا على توليف شبكة تبادل الحرارة في السبعينات، حيث نشر الدليل الأول للمستعملين في المعهد الدولي للكيمياء، حيث صُممت شبكة تبادل الحرارة لتحقيق الحد الأدنى من أهداف المرافق الساخنة والباردة لمصنع العمليات، وتحليل الأنابيب منهجية منهجية للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة في العمليات عن طريق تحقيق الحد الأمثل من التعافي من الحرارة بين المجاري الساخنة والباردة.

وتشمل الخطوات الرئيسية في تحليل الدبابيس ما يلي:

استخراج البيانات: تحديد جميع المجاري الساخنة (تحتاج إلى التبريد) والمجاري الباردة (التدفئة المطلوبة)
بناء منحنى مركب: وضع مخططات مخفضة الحرارة لتدفقات ساخنة وباردة
تحديد نقطة الوسط: إيجاد نقطة أقرب نهج بين منحنى مركب ساخن وبارد
تحديد الأهداف: تحديد الحد الأدنى من متطلبات التدفئة والتبريد
تصميم الشبكات: تطوير شبكات تبادل الحرارة لتحقيق الأهداف

ويؤدي تكامل العمليات إلى انخفاض استهلاك المرافق، مما يترجم إلى انخفاض تكلفة التشغيل وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، مما يجعل التكامل الحر واحدا من أكثر الاستراتيجيات فعالية من حيث التكلفة لتحسين استدامة العمليات، مما يوفر في كثير من الأحيان انتكاسات سريعة على الاستثمار ويقلل إلى حد كبير من الأثر البيئي.

الإدماج الجماعي والتقليل من المياه

ومنذ أواخر الثمانينات وحتى أوائل القرن الحادي والعشرين، تم توسيع نطاق تقنيات تكامل العمليات لمنع التلوث من خلال توليف شبكة تبادل المعلومات الجماعية والتكامل الجماعي، مما يسمح بالاستخدام الأدنى للعوامل الانفصالية الجماعية مثل المذيبات والمذيبات وما إلى ذلك، مترجما إلى انخفاض تصريف النفايات من محطات العمليات.

ومن الجدير بالذكر بعض الحالات المتخصصة في أعمال التكامل الجماهيري، مثل تكامل المياه والهيدروجين، حيث تتيح تقنيات تكامل العمليات تحديد الحد الأدنى من المياه العذبة وتدفقات المياه المستعملة بعد أن تُحدَّد أقصى إمكانات استردادها من بين مختلف عمليات استخدام المياه في المصنع، ويكتسي تكامل المياه أهمية خاصة في المناطق التي تُشغَّل فيها المياه وفي الصناعات التي ترتفع فيها استهلاك المياه.

وتشمل استراتيجيات تقليل المياه ما يلي:

إعادة الاستخدام المباشر: استخدام المياه من عملية واحدة مباشرة في عملية أخرى دون معالجة
إعادة استخدام الجيل: معالجة المياه لإزالة الملوثات قبل إعادة استخدامها
إعادة تدوير التجدد: معالجة المياه وإعادة استخدامها إلى نفس العملية
تحليل السلاسل التعاقبية: مضاهاة منهجية بين مصادر المياه والبالوعات استنادا إلى متطلبات الجودة

نهج البرمجة الرياضية

ومن النُهج المتميزة في إطار أسرة تكامل العمليات التحليل الدقيق وتقنيات البرمجة الرياضية، مع وجود مزايا وحدود لكل منها - يوفر التحليل الدقيق معلومات جيدة للمصممين، ولكن لديه قدرة محدودة على تحقيق أقصى قدر من التكلفة، في حين أن البرمجة الرياضية قادرة على التغلب على تلك القيود وعلى معالجة الحالات المعقدة، وإن كان يعاني من عدم توفير أفكار جيدة لمصممي العمليات.

وتشمل صيغ البرمجة الرياضية لتكامل العمليات عادة ما يلي:

متغيرات القرار التي تمثل معدلات التدفق ودرجات الحرارة وحجم المعدات
الوظائف الموضوعية التي تقلل إلى أدنى حد من التكلفة أو استهلاك الطاقة أو الأثر البيئي
القيود التي تكفل التوازنات الجماعية وأرصدة الطاقة، والقيود المفروضة على المعدات، ومتطلبات السلامة
خوارزميات تحقيق الحد الأمثل لإيجاد حلول مثالية أو شبه متكاملة

وتكمل أساليب التحليل والبرمجة الرياضية بعضها بعضاً في حل مختلف المشاكل الصناعية، وكثيراً ما تجمع النهج الحديثة بين المنهجيتين، باستخدام تحليل دقيق للرؤى الأولية والفرز، يليه تحقيق الاستخدام الأمثل للتصميم المفصل.

أدوات محاكاة العملية وبرمجيات

ويعد محاكاة عملية (التحالف الوطني للمناطق، والبرمجيات، والنظائر، والمؤسسة Aveva Pro/II - لتسمية عدد قليل) أداة تستخدم عالميا في التعليم والممارسة الصناعية يوميا في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك نماذج العمليات، وقواعد البيانات، والمذيبات الرقمية، وما إلى ذلك، والسماح بوضع النماذج و/أو محاكاة مجموعة واسعة من العمليات، وقد أصبح برنامج محاكاة العمليات على الوجه الأمثل للتصميمات العملية لا غنى عنه.

محاكاة الدولة والدينامية

وتدعم برامج المحاكاة المتقدمة للعمليات، مثل محاكاة عملية AVEVA، المحاكاة الثابتة والدينامية على السواء في بيئة واحدة، مما يتيح للمهندسين اختبار التكنولوجيات المنخفضة الكربون وتحقيق الحد الأمثل لها وحجمها في جميع مراحل دورة حياة العملية - من التصميم المفاهيمي إلى العمليات ووضع استراتيجية المراقبة، ويتيح هذا النهج المتكامل إجراء تحليل أكثر شمولاً واتخاذ قرارات أفضل طوال دورة حياة المشروع.

تركز المحاكاة الثابتة - الولايات على ما يلي:

أرصدة المواد والطاقة في ظروف التوازن
تحديد حجم المعدات وتقييم الأداء
العملية على الوجه الأمثل وتحليل الحساسية
التقييم الاقتصادي وتقدير التكاليف

عناوين المحاكاة الديناميكية:

إجراءات البدء والإغلاق
تصميم نظام المراقبة والتوحيد
الاستجابة للاضطرابات والاضطرابات
تحليل السلامة والسيناريوهات الطارئة

القدرات على المحاكاة على أساس الاستدامة

وتساعد عملية محاكاة نظام AVEVATM على توسيع نطاق الصناعة المستدامة مع عمليات الهيدروجين المبني، وعمليات مصادر الطاقة المتجددة، وحسابات غازات الدفيئة، وتدمج برامج المحاكاة الحديثة على نحو متزايد مقاييس وأدوات الاستدامة، مما يمكّن المهندسين من تقييم الأداء البيئي إلى جانب المعايير التقنية والاقتصادية التقليدية.

ويمكن للمهندسين تصميم واختبار أفضل العمليات الصناعية التي تكون عادة إنتاجاً كيميائياً كثيفاً للوقت والموارد، أو توليد الوقود والطاقة، أو توليد الكهرباء بواسطة الهيدروجين في بيئة افتراضية تعكس العالم الحقيقي، وهذه القدرة الافتراضية على وضع النماذج تخفض كثيراً وقت وتكاليف تطوير عمليات مستدامة، مع التقليل إلى أدنى حد من خطر الأخطاء الباهظة التكلفة أثناء التنفيذ.

مجموعة الأدوات المتكاملة للتصميم المستدام

وتمثل أداة متكاملة، هي برنامج " بروكواد " ، من أجل توليف العمليات المستدامة وتصميمها والابتكار، التطور نحو المنابر الشاملة التي تجمع بين جوانب متعددة من التصميم المستدام، وتوفر فعالية استجابة الولايات المتحدة لتحقيق الاستدامة البيئية للكيمياء، مع أداة تقييم متعددة الجوانب لعملية التنمية، درجات للمؤشرات المختارة في مجال الطاقة الاقتصادية.

وهذه الأدوات المتكاملة تمكن المهندسين من:

تقييم الأبعاد المتعددة للاستدامة في آن واحد
مقارنة تشكيلات العمليات البديلة بموضوعية
تحديد المفاضلات بين الأهداف المتنافسة
إيجاد حلول بديلة للمشاكل المتعددة الجوانب
توثيق أداء الاستدامة وإبلاغه

أفضل الممارسات للتصميم المستدام للعملية

ويتطلب تنفيذ أفضل الممارسات في تصميم العمليات المستدامة اتباع نهج منهجي يراعي العوامل البيئية والاقتصادية والاجتماعية في جميع مراحل عملية التصميم، وقد تم تطوير هذه الممارسات وصقلها من خلال عقود من الخبرة الصناعية والبحث الأكاديمي.

نهج التصميم الهرمي

ويساعد النهج الهرمي في تصميم العمليات على إدارة التعقيد ويكفل إدراج اعتبارات الاستدامة على كل مستوى:

Batch vs. Continuous:] Select the appropriate mode of operation based on production scale, product characteristics, and sustainability considerations
Input-Output Structure:] Define the overall process structure, including raw materials, products, and byproducts
Recycle Structure:] Identify opportunities for material and energy recycling within the process
نظام العزل: ] تصميم تسلسل فصل فعال للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك الطاقة وتوليد النفايات
Heat Integration:] Apply binch analysis and heat integration to minimize utility consumption
Equipment Design:] Size and specify equipment to meet performance requirements efficiently

ويكفل هذا النهج الهرمي اتخاذ القرارات الرئيسية التي تؤثر على الاستدامة في وقت مبكر من عملية التصميم عندما يكون لها أكبر أثر، وهي أقل تكلفة لتنفيذها.

استراتيجيات الحد من النفايات

(أ) تدنية النفايات تتبع ترتيباً هرمياً للنهج المفضلة، وغالباً ما يلخصها " ثلاث عمليات " أو يتوسع ليشمل استراتيجيات إضافية:

Reduce:] Minimize waste generation at the source through process optimization, improved selectivity, and efficient use of raw materials
Reuse:] Find applications for waste streams within the process or in other processes without significant treatment
Recycle:] Recover and reprocess materials for use in the same or different applications
Recover:] Extract valuable materials or energy from waste streams
Treat:] Process waste to reduce its environmental impact before disposal
Dispose:] Safely dispose of residual waste that cannot be reduced, reused, recycled, or recovered

ويمكن للتلقائية أن تكتشف وتصحح الأخطاء في الوقت الحقيقي، وتدنية النفايات المادية في كل منتج، وتسمح بعمليات إعادة تدوير متقدمة بحيث يمكن إعادة استخدام المواد في دورة الإنتاج، وتؤدي نظم التشغيل الآلي والمراقبة الحديثة دورا حاسما في تنفيذ استراتيجيات التقليل من النفايات بفعالية.

تكامل الموارد المتجددة

بيد أن إصلاح التكنولوجيات الأحفورية التي تستخدم تكنولوجيات متجددة قائمة على الكربون أمر ذو أهمية حيوية بالنسبة لتطوير عمليات كيميائية مستدامة في المستقبل، ينبغي تقييم الآثار التي تتجاوز تغير المناخ تقييماً دقيقاً لضمان استدامة هذا الانتقال إلى المواد الكيميائية المزيلة من الطاقة.

وتشمل الاستراتيجيات الرامية إلى إدماج الموارد المتجددة ما يلي:

Renewable feedstocks:] Using biomass, CO2, or other renewable carbon sources instead of fossil fuels
Renewable energy:] Powering processes with solar, wind, hydroelectric, or other renewable energy sources
Green chemistry principles:] Designing chemical syntheses that use and generate substances with minimal toxicity
Bio-based processes:] employing biological incentives and processes that operate under mild conditions

وتتصل بعض المكونات بمفاهيم توفير الطاقة أو كفاءة الطاقة، واستخدام الطاقة المتجددة، وما إلى ذلك، في حين تركز جوانب أخرى على نُهج إدارة المواد عن طريق تقليل الاحتياجات من المواد الوسيطة إلى أدنى حد لكل وحدة من المنتجات القيمة (المنتجات) وإعادة الاستخدام وإعادة التدوير والمواد المتجددة، وما إلى ذلك.

تكثيف العملية

ويهدف تكثيف العملية إلى تحقيق تحسينات كبيرة في كفاءة العمليات، والسلامة، والاستدامة من خلال المعدات والأساليب المبتكرة، وتشمل النهج الرئيسية ما يلي:

مفاعلات متعددة الوظائف: ] Combining reaction and separation in a single unit
Microreactors:] Using small-scale reactors with enhanced heat and mass transfer
[الطعن التفاعلي: ] أداء رد الفعل والانفصال في آن واحد
Membrane processes:] Using selective membranes for efficient separations
Alternative energy sources:] employing microwave, ultrasound, or other non-conventional energy inputs

ويمكن أن يؤدي تكثيف العملية إلى انخفاض آثار المعدات، وانخفاض تكاليف رأس المال، وتحسين السلامة، وانخفاض الأثر البيئي، غير أنه يلزم إجراء تحليل دقيق لضمان أن يؤدي تكثيف المعدات إلى تحسين الاستدامة عموماً بشكل حقيقي بدلاً من إيجاد مشاكل جديدة.

الرصد والتحسين المستمرين

ويمكن لنظم المراقبة الآلية أن ترصد وتكيف استخدام الطاقة في الوقت الحقيقي، وأن تُحدِّد استهلاك الكهرباء والحرارة وغيرها من أشكال الطاقة، مما يقلل من الأثر البيئي للعمليات الصناعية، ولكنه يوفر أيضا وفورات كبيرة في التكاليف للمشاريع التجارية.

وتشمل برامج الرصد والتحسين الفعالة ما يلي:

Key Performance Indicators (KPIs):] Establishing metrics to track sustainability performance
رصد الوقت الحقيقي: ] باستخدام أجهزة الاستشعار وتحليل البيانات لتتبع أداء العمليات باستمرار
Benchmarking:] Comparing performance against industry standards and best practices
Root cause analysis:] Investigating deviations and identifying underlying causes
استمرار ثقافة التحسين: ] تشجيع جميع الموظفين على تحديد التحسينات وتنفيذها

وينبغي أن تعمل نُهج مراقبة العمليات على عدم الاستقرار غير المتوقع عندما تصبح العملية غير مستقرة بمرور الوقت و/أو بسبب التغيرات في تركيبة التغذية ومعدل التدفق ودرجة الحرارة والضغط، وينبغي أن تكون قادرة على إجراء عمليات انتقال إلى ظروف تشغيلية مختلفة مرغوب فيها، وأن تفي الدول بمتطلبات الشركات والمستهلكين والاقتصادات والعمليات ومواصفات المنتجات واللوائح البيئية الجديدة والسلامة وإدارة الأحداث المزمنة المنخفضة الجرعات، وما إلى ذلك.

طرق وأدوات الحساب المتطورة

ويعتمد تصميم العمليات المستدامة الحديثة على أساليب حساب متطورة وأدوات حاسوبية تمكن المهندسين من تحليل النظم المعقدة وتحقيق الأهداف المتعددة في نفس الوقت.

الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض

وتُحل المشكلة المتعددة الجوانب باستخدام طريقة " إيسيلون " المحدودة للحصول على الحدود المثلى في باريتو التي تكشف عن المفاضلة بين الأبعاد البيئية والاقتصادية لمشكلة تصميم العمليات المستدامة، وتسلم الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب بأن تصميم العمليات المستدامة ينطوي على تحقيق التوازن بين الأهداف المتنافسة مثل تقليل التكاليف والأثر البيئي ومخاطر السلامة، مع تحقيق أقصى قدر من جودة المنتجات وجنيها.

وتشمل النهج المشتركة لتحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب ما يلي:

Weighted sum method:] Combining multiple objectives into a single objective using weighting factors
Epsilon constraint method:] Optimizing one objective while constraining others
Pareto optimization:] Identifying the set of non-dominated solutions
برمجة غوال: ] التقليل إلى أدنى حد من الانحرافات عن قيم مستهدفة محددة
Evolutionary algorithms:] Using nature-inspired methods to explore the solution space

وهذه الأساليب تمكن صانعي القرار من فهم المفاضلات واختيار الحلول التي تتلاءم على أفضل وجه مع أولوياتهم ومعوقاتهم.

البنية التحتية الخارقة

وتمثل أداة عامة، هي " سوبر - أو " ، لتوليف العمليات استنادا إلى الهيكل الخارق النهج المتقدم لتصميم العمليات، وتشمل زيادة الهيكلة إلى الحد الأمثل إيجاد تمثيل شامل لجميع التشكيلات الممكنة للعمليات واستخدام الاستخدام الأمثل لالرياضيات لتحديد أفضل التصميم.

ويشمل النهج القائم على البنية الأساسية عادة ما يلي:

تحديد هيكل خارق يشمل جميع البدائل العملية الممكنة
وضع نماذج رياضية لكل عملية من عمليات الوحدة وربطها
إنشاء وظيفة موضوعية وقيود
حل مشكلة الاستخدام الأمثل الناجمة عن ذلك باستخدام الخوارزميات المناسبة
تحليل الحل الأمثل والحساسية إزاء المعايير

وقد أصبحت أساليب مثل تحسين الهياكل الأساسية، وتكامل العمليات، وتكثيف العمليات، ضمن وسائل أخرى، وتطبيقاتها على التصميم المستدام لنظم الطاقة وتوليفها مجالاً بحثياً نشطاً، وهذا النهج ذو قيمة خاصة بالنسبة للنظم المعقدة التي لا يكون فيها الشكل الأمثل واضحاً، وحيث تتفاعل اعتبارات الاستدامة مع العوامل التقنية والاقتصادية بطرق غير مقصودة.

تسوية البيانات وتحليل الأخطاء

وتستخدم تقنيات تسوية البيانات، التي كثيرا ما تستخدم في الهندسة الكيميائية، أساليب إحصائية لتعديل البيانات المقاسة بحيث تفي بالقيود التي يفرضها التوازن المادي، والتي لا تحسن فقط دقة تقديرات تدفق المواد، بل تحدد أيضا أخطاء القياس المحتملة أو التسربات في النظام.

ومن الضروري تحقيق المصالحة بين البيانات من أجل ما يلي:

تحسين دقة قياسات العمليات
كشف أخطاء القياس وتشخيصها
تحديد تسريبات العمليات أو المجاري غير المقننة
توفير بيانات موثوقة بشأن تحسين العمليات
دعم الامتثال التنظيمي والإبلاغ

وتستخدم هذه التقنية القياسات الزائدة ومبادئ الحفظ لتقدير القيم الحقيقية الأكثر احتمالا لمتغيرات العمليات، مما يُعزى إلى عدم اليقين في القياس والأخطاء المنهجية.

الاقتصاد العلماني والإيكولوجيا الصناعية

ويمثل الاقتصاد الدائري تحولا أساسيا من نموذج " التخلص من المؤثرات " التقليدي إلى نظام تجديدي يُحتفظ فيه بالموارد في الاستخدام لأطول فترة ممكنة، يستخرج من القيمة القصوى قبل الانتعاش والتجدد.

مبادئ الاقتصاد العلماني في تصميم العملية

ومع تزايد انتصاب الاقتصاد الدائري في جميع أنحاء العالم، تبذل السلطات المحلية جهودا لوضع استراتيجيات تعميمية على المستوى الحضري، مع وضع ورصد هذه الاستراتيجيات التي تتطلب معلومات كمية مفصلة عن تدفقات المواد والطاقة، التي يمكن الحصول عليها من خلال تحليل لليأس الحضري.

وتشمل المبادئ الرئيسية للاقتصاد الدائري لتصميم العمليات ما يلي:

Design out waste:] Elimin waste and pollution through careful design
Keep products and materials in use:] Design for durability, reuse, remanufacturing, and recycling
Regenerate natural systems:] Return valuable nutrients to the soil and other ecosystems
Usese renewable energy:] Power processes with renewable energy sources
Think in systems:] Consider the broader context and interconnections

ويتطلب الانتقال إلى الاقتصاد الدائري المستدام وضع استراتيجيات شاملة لا تهدف فقط إلى تخفيض نواتج النظام من خلال إعادة صياغة المواد، بل تهدف أيضا إلى خفض مدخلاته من خلال خفض استخدام الموارد وزيادة كفاءتها.

السمبيوس الصناعي

ويستلزم التنافر الصناعي إنشاء شبكات تصبح فيها النفايات أو المنتجات الثانوية من عملية ما مواد خام بالنسبة لعملية أخرى، مما يخفف من النظم الإيكولوجية الطبيعية حيث تصبح النفايات من كائن ما غذاءً آخر، ويمكن لهذا النهج أن يحسن كثيراً كفاءة الموارد ويقلل من الأثر البيئي على المجموعة الصناعية أو على المستوى الإقليمي.

ويتطلب التنافر الصناعي الناجح ما يلي:

القرب الجغرافي من المرافق المشاركة
مجاري النفايات المتوافقة والاحتياجات المادية
القدرة الاقتصادية على البقاء في التبادلات المادية
الأطر التنظيمية التي تيسر التبادلات بدلاً من أن تعوقها
الثقة والتعاون فيما بين المنظمات المشاركة
الهياكل الأساسية لجمع المواد وتخزينها ونقلها

ويؤدي تحليل تدفق المواد دورا حاسما في تحديد الفرص المتاحة للنسيج الصناعي عن طريق رسم خرائط لتدفقات المواد وتحديد المباريات المحتملة بين مولدات النفايات والمستعملين المحتملين.

مفاهيم التنقية الأحيائية

وهناك ثلاثة مجالات تكنولوجية (مرتبطة بعضها ببعض) تؤثر على استدامة الأرض، وهي العمليات الكيميائية المرتبطة باحتجاز ثاني أكسيد الكربون واستخدامه، وعمليات التكرير الأحيائي، وإزالة المياه، يتم اختيارها لإبراز الآراء، وكذلك الحاجة إلى مواصلة تطوير الأدوات التي تقدم لها خدمات الحاسوب، وتمثل المواصفات الحيوية تطبيقا هاما لمبادئ تصميم العمليات المستدامة، وتحويل الكتلة الأحيائية إلى مجموعة من المنتجات القيمة، بما في ذلك الوقود والمواد الكيميائية والمواد والطاقة.

وتشمل اعتبارات تصميم التنقية الأحيائية ما يلي:

اختيار المواد الغذائية واستدامة سلسلة الإمداد
اختيار تكنولوجيا التحويل (الكيميائية، أو الكيميائية الحرارية، أو الهجينة)
حافظة المنتجات على النحو الأمثل لتحقيق أقصى قدر من القيمة
التكامل مع الهياكل الأساسية والصناعات القائمة
تكامل المياه والطاقة للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك الموارد
تقييم الأثر البيئي في دورة الحياة الكاملة

التحديات والاتجاهات المستقبلية

وفي حين أحرز تقدم كبير في تصميم العمليات المستدامة، لا تزال هناك تحديات عديدة تتطلب مواصلة البحث والتطوير.

القيود الحالية

وتستخدم هذه الأساليب آخر التطورات في هندسة نظم العمليات، ولكنها تتأخر في استخدامها للتقدم في الهندسة المستدامة، مع وجود المزيد من العمل اللازم للنظر في الآثار على طول حدود دورة الحياة الكاملة، ولضمان ألا تتجاوز التصميمات المستدامة قدرة الطبيعة على توفير السلع والخدمات اللازمة للنظم الإيكولوجية.

وتشمل التحديات الرئيسية ما يلي:

System boundary definition:] Determining appropriate boundaries for analysis without making the problem intractable
Data availability and quality:] Obtaining reliable data for environmental impacts and resource flows
Uncertainty management:] Dealing with uncertainty in future conditions, technology performance, and environmental impacts
Multi-scale integration:] Connecting process-level decisions with supply chain and global-scale impacts
Social dimension:] Adequate incorporating social sustainability aspects into quantitative design methods

وتتمثل أكبر العقبات في اختلاف الأفق الزمني، واختلال حدود النظام، ونوعية البيانات وتوافرها، ونقص تمثيل العمليات الصناعية، وهذه التحديات حادة بوجه خاص عند محاولة الخلط بين نُهج نموذجية مختلفة أو الاندماج عبر مختلف مستويات التحليل.

الفرص الناشئة

وتوجد فرص أمام المجتمع الهندسي لنظم العمليات لا لتطوير الأساليب والأدوات المرتبطة بها فحسب، بل أيضا للإسهام في تحقيق التنمية المستدامة من خلال حلول مبتكرة، وتشمل عدة اتجاهات واعدة للتنمية في المستقبل ما يلي:

Artificial intelligence and machine learning:] Using AI to optimize complex processes, predict performance, and identify patterns in large datasets
التوائم الرقمية: ] Creating virtual replicas of processes for realtime optimization and predictive maintenance
Advanced materials:] Developing new incentives, sorbents, and membranes that enable more efficient and selective processes
Modular and distributed processing:] Designing flexible, scalable systems that can be deployed closer to feedstock sources or markets
Integration with renewable energy:] Designing processes that can operate flexibly with changing renewable energy supplies

ومع اعتماد اتفاق باريس في عام 2015، أصبح من الضروري أن تُصنَّع الصناعة الكيميائية، التي تمثل نحو 10 في المائة من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون البشرية المنشأ على الصعيد العالمي، أن تنتقل تدريجياً إلى مسارات إنتاج أكثر استدامة، مما يجعل من الأهمية بمكان النظر في القياسات البيئية عند تحليل العمليات الحالية القائمة على الكربون الأحفوري وتصميم مسارات إنتاج كيميائية بديلة أنظف.

دور التعليم والتدريب

والهدف من برنامج إنغ دي هو وضع حلول مستدامة للصناعة، مثل تقنيات و/أو مواد جديدة للعمليات تقلل إلى أدنى حد من الأثر الإيكولوجي، مع وجود طلب كبير على مهندسي العمليات المتعلمين والمتخصصين على نحو عال للمساعدة في الانتقال إلى عمليات الإنتاج المستدامة.

كما يتم تدريس عملية التكامل على نطاق واسع في البرامج الجامعية وتطبيقها من خلال دورات التصميم ومشروع التصميم الرئيسي في جميع أنحاء العالم، ويؤدي التعليم والتدريب دورا حاسما في تطوير الجيل القادم من المهندسين الذين يمكنهم تصميم وتنفيذ عمليات مستدامة، ويتطلب ذلك ما يلي:

إدماج مبادئ الاستدامة في جميع المناهج الهندسية
توفير الخبرة العملية بالأدوات والأساليب الحديثة
تطوير المهارات المتعددة التخصصات للتصدي للتحديات المعقدة في مجال الاستدامة
تعزيز التفكير في النظم ومنظورات دورة الحياة
تشجيع الابتكار وحل المشاكل الخلاقة

مبادئ توجيهية عملية للتنفيذ

ويتطلب التنفيذ الناجح لتصميم العمليات المستدامة اتباع نهج منظم يراعي العوامل التقنية والاقتصادية والبيئية والتنظيمية.

تخطيط المشاريع وتنفيذها

ويشمل النهج المنهجي لمشاريع تصميم العمليات المستدامة ما يلي:

Define objectives and scope:] clearly articulate sustainability goals and project boundaries
Assemble multidisciplinary team:] Include expertise in process engineering, environmental science, economics and operations
إجراء تقييم خط الأساس: ] فهم الأداء الحالي وتحديد فرص التحسين
Generate and screen alternatives:] Develop multiple design options and eliminate clearly inferior alternatives
Detailed analysis:] Perform rigorous technical, economic, and environmental analysis of promising alternatives
Optimization:] Use appropriate tools to optimize selected designs
تقييم المخاطر: ] تحديد وتقييم المخاطر التقنية والاقتصادية والبيئية
تخطيط التنفيذ: ] وضع خطط تفصيلية للتشييد والتكليف والتشغيل
الرصد والتحقق: ] Establish systems to track performance and verify sustainability benefits

مشاركة أصحاب المصلحة

ويتطلب نجاح تصميم العمليات المستدامة المشاركة مع مختلف أصحاب المصلحة، بما في ذلك:

Internal stakeholders:] Management, operations, maintenance, safety, and environmental personnel
أصحاب المصلحة الخارجيون: ] المنظمون وأعضاء المجتمع المحلي والعملاء والموردون والمستثمرون
الخبراء التقنيون: ] Consultants, technology supplierss, and research institutions

وتشمل المشاركة الفعالة لأصحاب المصلحة تبادلا واضحا للأهداف، وتبادل المعلومات على نحو شفاف، والنظر في مختلف المنظورات، والتعاون في حل المشاكل.

الوثائق وإدارة المعارف

ومن الضروري توفير الوثائق الشاملة لما يلي:

:: تحديد الأساس المنطقي للتصميمات والقرارات
تيسير الموافقة التنظيمية والسماح
عمليات الدعم والصيانة
تحسين مستمر
تبادل الدروس المستفادة في المنظمة
بيان أداء الاستدامة لأصحاب المصلحة

ويمكن أن تساعد نظم إدارة المعارف الحديثة على تنظيم المعلومات الواسعة النطاق التي تولدت أثناء مشاريع تصميم العمليات المستدامة وتيسير الوصول إليها.

تطبيقات دراسة الحالات الإفرادية

وتظهر تطبيقات العالم الحقيقي كيف تطبق مبادئ وحسابات تصميم العمليات المستدامة في مختلف الصناعات.

كابينة الكربون واستخدامه

ويطبق هذا النهج على تصميم متجانس ثاني أكسيد الكربون في عملية الميثانول، حيث يكون الأداء الاقتصادي والقائم على الأهداف الإنمائية للألفية هو الأهداف المثلى، مما يبين أن التصميم الأمثل بيئياً يقلل من الأثر على الـ 13 من الأهداف الإنمائية للألفية (العمل غير المادي) مقارنة إلى حد كبير بنظير الأحفوري المعتاد، ومع ذلك يتم ذلك على حساب تردي الفئات الأخرى.

وتبين هذه الحالة أهمية التقييم الشامل للاستدامة الذي ينظر في فئات التأثير المتعددة بدلاً من التركيز فقط على تغير المناخ، وتوضح كيف يمكن للتفاؤل المتعدد الجوانب أن يكشف عن المفاضلات ويساعد صانعي القرار على اختيار التصميمات التي تتلاءم مع أولوياتهم على أفضل وجه.

تدهور المياه

ويمثل تحلية المياه مجالاً آخر من مجالات التطبيق الهامة التي تتسم فيها مبادئ تصميم العمليات المستدامة بأهمية حاسمة، وتشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:

كفاءة الطاقة في عمليات إزالة الملح
إدارة التخلص من المركزات
التكامل مع مصادر الطاقة المتجددة
التقليل إلى أدنى حد من استخدام المواد الكيميائية وتصريفها
التأثيرات البيئية لدورة الحياة

وتعد حسابات ميزان المواد والطاقة أساسية لتحقيق أقصى قدر من عمليات إزالة الملوحة، في حين يساعد التقييم القطري المشترك على ضمان استدامة الحلول حقا عند النظر في النظام الكامل.

إنتاج الوقود الأحيائي

أما وزارة الطاقة البيئية لإنتاج الديزل الأحيائي، واستخدام الطاقة المتجددة في تصنيع الأغذية، وآثار الربط الشبكي بين إنتاج الأسمنت وبعض الصناعات، فتُقدم كدراسات حالة، ويبين إنتاج الوقود الأحيائي مدى تعقيد تصميم العمليات المستدامة، حيث يجب النظر بعناية في الاستدامة الوسيطة وكفاءة التحويل واستخدام المنتجات المشتركة وتأثيرات دورة الحياة.

وتشمل عمليات الوقود الأحيائي الناجحة عادة ما يلي:

مصادر المواد الوسيطة المستدامة التي لا تتنافس مع إنتاج الأغذية
كفاءة التحويل العالية من خلال ظروف العمليات المثلى
الاستخدام القيم للمنتجات المشتركة والمنتجات الثانوية
دمج مسارات الحرارة والمواد للتقليل إلى أدنى حد من استهلاك المرافق
صافي رصيد الطاقة الإيجابي وخفض غازات الدفيئة

الاعتبارات التنظيمية والسياساتية

ويجب أن يُنقّب تصميم العمليات المستدامة من منظور تنظيمي متزايد التعقيد، مع الاستجابة أيضاً لمبادرات الاستدامة الطوعية والضغوط السوقية.

النظام البيئي

وتشمل الأطر التنظيمية الرئيسية التي تؤثر على تصميم العمليات المستدامة ما يلي:

Air quality regulations:] Limits on emissions of criteria pollutants, hazardous air pollutants, and greenhouse gases
Water quality regulations:] Discharge limits for conventional and toxic pollutants
Waste management regulations:] requirements for hazardous and non-hazardous waste handling and disposal
لوائح السلامة الكيميائية: ] تسجيل المواد الكيميائية وتقييمها والإذن بها
Energy efficiency standards:] requirements or incentives for energy-efficient operations

وينبغي أن يهدف تصميم العمليات المستدامة إلى تجاوز المتطلبات التنظيمية الدنيا، وتوقع الأنظمة المستقبلية، وإظهار القيادة البيئية.

المبادرات والمعايير الطوعية

وتشارك منظمات كثيرة في مبادرات الاستدامة الطوعية مثل:

ISO 14001 Environmental Management Systems
ISO 50001 Energy Management Systems
برنامج الرعاية المسؤول للصناعة الكيميائية
الأهداف العلمية لخفض غازات الدفيئة
معايير الاستدامة الخاصة بالصناعة والتصديقات

وتوفر هذه المبادرات أطراً لتحسين منهجي وتظهر الالتزام بالاستدامة لدى أصحاب المصلحة.

الحوافز الاقتصادية

ويمكن أن تدعم مختلف الآليات الاقتصادية تصميم العمليات المستدامة:

تسعير الكربون من خلال الضرائب أو نظم الحد الأقصى والتجارة
ائتمانات وإعانات الطاقة المتجددة
الحوافز الضريبية لتحسين كفاءة الطاقة
السندات الخضراء وآليات التمويل المستدام
تسعير بريميوم للمنتجات المستدامة

ويمكن فهم هذه الحوافز والاستفادة منها أن يحسن من القدرة الاقتصادية لتصميمات العمليات المستدامة.

الخلاصة والتوقعات المستقبلية

ويمثل تصميم العمليات المستدامة قدرة حاسمة على التصدي للتحديات البيئية في القرن الحادي والعشرين مع الحفاظ على الرخاء الاقتصادي، ويمثل هدف هندسة نظم العمليات المستدامة تحديات هائلة نظرا للطابع المعقد للنظم الصناعية والإيكولوجية والاقتصادية والمجتمعية المتفاعلة، غير أن الأدوات والأساليب وأفضل الممارسات التي نوقشت في هذه المادة توفر أساسا صلبا لمواجهة هذه التحديات.

ويستمر تطور الميدان بسرعة، مدفوعاً بالتقدم المحرز في القدرات الحاسوبية، وزيادة الوعي البيئي، وزيادة الضغوط التنظيمية والسوقية من أجل الاستدامة، وسيكون النهج النظمي الذي يتيح تجميع وتصميم وتحليل العمليات المستدامة القائمة على النماذج فرصاً للتصدي للتحديات أمراً أساسياً لوضع الحلول المبتكرة اللازمة لمستقبل مستدام.

ويتطلب النجاح في تصميم العمليات المستدامة إدماج تخصصات متعددة، والنظر في أهداف متعددة، والتفكير عبر نطاقات متعددة من الجزيئات إلى العالم، ويتطلب تحليلا كميا صارما إلى جانب التحليل الإبداعي لحل المشاكل والتفكير في النظم، والأهم من ذلك أنه يتطلب التزاما من المهندسين والمديرين وصانعي السياسات والمجتمع ككل بإعطاء الأولوية للاستدامة إلى جانب الأهداف التقنية والاقتصادية التقليدية.

وفي الوقت الذي نمضي فيه قدما، ستصبح مبادئ وممارسات تصميم العمليات المستدامة محورية بصورة متزايدة في التعليم والممارسة الهندسيين، ويجب أن يكون الجيل القادم من المهندسين مجهزا ليس بالمهارات التقنية فحسب، بل أيضا بالمنظور الأوسع نطاقا والالتزام اللازمين لإنشاء عمليات تخدم حقا احتياجات الأجيال الحالية والمقبلة مع احترام الحدود الكواكبية.

For more information on sustainable engineering practices, visit the American Institute of Chemical Engineers Sustainability Resources. Additional guidance on life cycle assessment can be found at the ]U.S. EPA Sustainable Materials Management page. The