Challenges of modelling sunscreen formulations in a life cycle software

Abstract

Sun protection with cosmetic products is a tool to maintain skin health when exposed to harmfulultraviolet (UV) radiation. UV protection actives can be classified in two groups, organic andinorganic UV filters. Additionally, UV filter (sun protection factor, SPF) boosting substances areknown. Synthetic organic sunscreens are widely used but are in discussion with environmentand health-related concerns. For inorganic UV filters like zinc oxide, for which less concernsare raised, a fair amount of it must be used to get satisfying SPF levels. This makes the skinappear white when applied, which is not desired by consumers and that calls for alternatives.Colloidal lignin particles (CLP) meet this cause as natural and ecological alternative.To assess the ecological effect of a sunscreen agent with lignin as SPF boosting substancethis thesis tackles the challenges in conducting an anticipatory life cycle assessment (LCA). Abasic sunscreen agent with an SPF of 30 containing a zinc oxide based UV filter (ZnO onlysunscreen) is set as benchmark. It is compared to a sunscreen agent with partially substitutedzinc oxide UV filter by a lignin particle SPF booster (CLP-ZnO sunscreen) derived from characteristicsof the production after organosolv pretreatment in a low technology readiness level(TRL), showing on the one hand results in terms of environmental and toxicological aspects(hot spot and sensitivity analysis), and on the other hand challenges and possibilities along theway also in regard to the new ‘safe and sustainable by design’ (SSbD) framework. The LCAwas conducted within the software SimaPro from ‘cradle-to-gate’ with a lot of adaptions to theinitially planned product system models. The lignin particle UV filter booster is obtained fromnatural sources in the wood pulping industry, and the CLP sunscreen agent was modelledbased on an early pilot study, whereas the zinc oxide based UV filter represents one of thetechnologically mature synthesized materials. The ‘CLP-ZnO sunscreen’ with CLP in a pilotscale TRL and a correspondingly high energy consumption and inefficient resource utilisationis one of the product systems which is compared to the benchmark to estimate the need foroptimisation. Another product system was set up with an optimised heat energy demand(OED), ‘CLP-ZnO sunscreen, OED’ which was brought to a level at which the climate changeimpacts are equal to those of the ZnO only sunscreen. Other parameters were not changedfor the product system, but some of them were considered in scenarios or further discussed.Looking at the use and the end-of-life phase of a technology which is used by topicalapplication on skin and then released into aquatic environments in large quantities is crucialfor assessing its benignity for human and ecosystem health. Due to lack of sufficient data forthis assessment, the first big challenge could not be overcome within the LCA calculationframework. Even without implementation of a lot of possible advances of the CLP technology,the negative ecotoxicity and human non-carcinogenic impacts are lower for both of the CLPsunscreens than for the ZnO only sunscreen. For the impact category land use, sunscreenagents with renewable raw materials have higher impacts than synthetically produced orminerally sourced raw materials by nature. Looking at the sunscreens with equal amounts ofcoconut oil, the CLP sunscreens seem to exceed the impacts from the ZnO only sunscreen,but this has to be put into perspective with lignin being a possible side product from the woodpulping industry. Water use, for the CLP sunscreens and ZnO only sunscreen with an equalamount of coconut oil lies within a similar range. Sensitivity analysis showed that there areseveral options to optimise environmental impacts of the sunscreen, like changing processparameters, energy sources or transport vehicles. But one has to be careful not to shiftecological impact areas. A Monte Carlo simulation showed that uncertainties are exceedinglyhigh, which calls for more precise future studies. Nevertheless, results show that lignin is apromising material for more environmentally and human friendly sunscreen formulations.

Sonnenschutz mit kosmetischen Produkten ist eine Möglichkeit, um die Hautgesundheit trotz schädlicher ultravioletter (UV) Strahlung zu bewahren. UV-Filter können in zwei Klassen eingeteilt werden, organische und anorganische. Zusätzlich sind UV-Schutz (Sonnenschutzfaktor, SPF) verstärkende Substanzen bekannt. Synthetisch hergestellte organische UV-Filter sind verbreitet, stehen jedoch wegen Umweltbelastung und Gesundheitsbedenken in Diskussion. Von anorganischen UV-Filtern wie Zinkoxid, zu denen weniger Bedenken bekannt sind, muss eine beachtliche Menge benutzt werden, um den erwünschten SPF zu erreichen, dadurch erscheint die eingecremte Haut weiß, was von Nutzern unerwünscht ist. Kolloidale Lignin-Partikel (CLP) erfüllen die Funktion als natürliche und ökologische Alternative. Um die ökologische Wirkung eines Sonnenschutzmittels mit Lignin als UV-Filter zu untersuchen, stellt sich diese Arbeit den Herausforderungen einer vorausschauenden Ökobilanz (ex ante LCA). Als Benchmark wird ein einfach aufgebautes, zinkoxidhaltiges Produkt (ZnO only sunscreen) verwendet und verglichen mit einem, bei dem der Zinkoxid UV-Filter teilweise durch CLP ersetzt wird (CLP-ZnO sunscreen). Es wird auf Basis der Ergebnisse einer Pilotanlage (nach Organosolv Aufschluss) modelliert, um einerseits Umwelt- und Toxikologieaspektezu bearbeiten (Hot-Spot- und Sensitivitätsanalyse) und andererseits, um Herausforderungen und Möglichkeiten im Zuge der Untersuchung, auch im Hinblick auf die neue „Safe and Sustainable by Design“ (SSbD) Richtlinie, aufzuzeigen. Die Ökobilanz wurde mittels der Software SimaPro in einem „cradle-to-gate“-Ansatz mit einigen Kompromissen zu den ursprünglichgeplanten Produktsystemen durchgeführt. Der Lignin-SPF-Verstärker kommt hierbei aus der holzverarbeitenden Industrie und das CLP-Produkt wurde auf Basis von Daten aus Pilotversuchen in einem frühen Entwicklungsstadium modelliert. Der zinkoxidhaltige UV-Filter stellt eine ausgereifte Technologie mit synthetischen Zusatzstoffen dar. „CLP-ZnO sunscreen“ mit CLP aus einer Produktion mit entsprechend hohem Wärme-Energie-Bedarf und ineffizienterNutzung von Rohmaterialien aus dem pilotskalierten Aufbau ist eines der Produktsysteme, das mit dem Benchmark-System verglichen wird, um den Optimierungsbedarf abzuschätzen. Ein weiteres Produktsystem mit optimiertem Energiebedarf (OED) wurde erstellt, „CLP-ZnO sunscreen, OED“, bei dem der Bedarf so festgelegt wurde, dass das Ergebnis inder Wirkungskategorie Klimaänderung jenem von „ZnO only sunscreen“ entspricht. Mögliche weitere Adaptierungen wurden entweder in Szenarien abgebildet, oder separat diskutiert. Für Produkte, die durch Auftragen auf die Haut verwendet werden und zu einem großen Anteil in aquatische Lebensräume gelangen, ist es essenziell, die Nutzungs- und „End-of-Life“-Phase hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die menschliche Gesundheit und die Ökosysteme zu untersuchen. Aus Mangel an belastbaren Daten konnte dieser Punkt im Rahmen der Ökobilanzberechnungen nicht erfüllt werden. Auch ohne weitere Optimierungen des CLPHerstellungsprozessessind die negativen Auswirkungen auf Ökotoxizität und nichtcancerogeneHumantoxizität für die CLP-haltigen Sonnenschutzmittel niedriger als für dasBenchmark-Produkt mit Zinkoxid und ohne CLP. Die Landnutzung ist für nachwachsende Rohstoffe naturgemäß höher als bei synthetisch hergestellten oder mineralischen Produkten. Die CLP-haltigen Sonnenschutzmittel scheinen bei gleichem Kokosfettanteil höhereAuswirkungen zu haben, was jedoch in Relation gesetzt werden muss, da CLP auch als Nebenprodukt der holzverarbeitenden Industrie gewonnen werden können. Der Wasserverbrauch liegt bei gleichem Kokosfettanteil in einem ähnlichen Bereich. Sensitivitätsanalysen haben gezeigt, dass es einige Optionen zur Verbesserung von Umwelteinflüssen der Sonnencreme, wie Änderung der Prozessparameter, Energiequellen oder Transportmöglichkeiten, gibt. Dabei dürfen Problemfelder in Bezug auf dieUmweltwirkung nicht verschoben werden. Eine Monte-Carlo-Simulation zeigte, dass Unsicherheiten in den Ergebnissen außerordentlich hoch ausfallen, daher ist für zukünftige Untersuchungen auf eine präzisere Datenbasis zu achten. Nichtsdestotrotz haben die Ergebnisse insgesamt gezeigt, dass Lignin ein vielversprechendes Material für umwelt- undmenschenfreundlichere Sonnenschutzmittel ist.