Oil based rheological additives substitution with natural biopolymers in skincare leave-on formulations : theoretical introduction, laboratorial synthesis and scale-up process towards industrial scale production

Planet Earth is nowadays facing a radical transformation, unparalleled in modern age and driven by human unceasing activities: climate change, rising sea levels, desertification of green areas and overproduction of non-degradable wastes represent only a small allusion on this concerning scenario. With this in mind, it’s easy to understand how humankind is summoned to rapidly force a change of course before reaching the tipping point; such a revolution is possible only by rethinking the core of our day-to-day lifestyle and focusing scientific and technological research on finding and improving novel alternatives to the actual fossil-based industry. In the middle of the intricate panorama sketched above, places the attempt to reduce the enormous usage of oil-based polymers that today defines both everyday life and industrial practice. Among polymeric materials, microplastics are particularly widespread: thanks to their tiny dimensions and versatility of use, they can be found in several application. Cosmetics, fertilizers, detergents, coatings and petrochemical products are only a taste of the magnitude of the application potential of these small particles. On the other hand, the same properties that allowed microplastics to become so diffused make them particularly impacting from the environmental point of view, especially for what concern their capability to escape wastewater treatment plants, finally reaching seas and their wildlife. This scenario is typical of microplastic materials coming from skincare and cleansing products: once the consumer washes his skin after the application of the product, these materials are hopelessly poured in domestic sewage, from which they can easily reach big waterways. As a result of this, several efforts are in progress at research and development level to substitute microplastic with bio-based polymers both in rinse-off and leave-on cosmetic formulations, without compromising the distinctive peculiarities of the final product. The present thesis project places right inside this effort, aiming for the revamping of two existing formulation, a moisturizing lotion and a nourishing body cream, interested by the presence of acrylate co-polymers as main rheological agents, and finally taking the revamped models from lab-scale to industrial scale production. Starting from a general overview on skincare market and a detailed characterization of emulsified products (Chapter 1), the discussion proceeds with the analysis of the acrylic thickeners actually in use and the most promising nature-based alternatives on the market (Chapter 2). Several laboratory trials were made to identify alternative formulations able to compete, in terms of physicochemical parameters, stability, texture and appearance, with the original formulas; such experimental path is deepened throughout Chapter 3 and Chapter 4. Once the best natural-thickened alternatives were identified, the project moved to the following section, dealing with the scale-up and industrialization of the process: the production was first taken from the laboratory scale to a 5kg pilot turboemulsor and finally reached the manufacturing scale thanks to a 50kg industrial turboemulsor. Chapter 5 details the scale-up process both from a theoretical and practical point of view, together with the comparison of the result obtained in the different experimental phases and the influence of the scale on the final properties of the emulsions. Finally, Chapter 6 concludes the thesis project by analysing the entire experimental path from a critical point of view, also considering the most promising feature developments for microplastic substitution in the cosmetic industry.

Il Pianeta Terra è oggigiorno sottoposto ad una trasformazione senza precedenti nella storia moderna, sospinta dall’incessante e frenetica attività umana: fenomeni ben noti come il cambiamento climatico, l’innalzamento del livello dei mari, la rapida desertificazione di ampie regioni forestali e la sovrapproduzione di rifiuti non degradabili rappresentano soltanto alcuni dei problemi che caratterizzano il nostro tempo. In relazione a quanto sopra, è facile comprendere come il genere umano sia chiamato a forzare rapidamente un cambio di rotta, prima di incorrere in danni irreparabili; un tale cambiamento è però possibile soltanto rivoluzionando la nostra quotidianità e concentrando la ricerca tecnico-scientifica sullo sviluppo di un’industria alternativa a quella odierna, tutt’ora basata sull’utilizzo di materie prime di origine fossile. A giocare un ruolo fondamentale all’interno del complesso scenario appena descritto è il tentativo di ridurre l’utilizzo di polimeri plastici, materiali estremamente diffusi sia a livello industriale che domestico ed ottenuti attraverso complessi processi di trasformazione di materie fossili. All’interno di tale classe di materiali figurano le cosiddette microplastiche, particolarmente diffuse grazie alle loro ridottissime dimensioni ed alla conseguente versatilità di utilizzo in campi come le industrie cosmetica, farmaceutica ed alimentare, nonché nella produzione di fertilizzanti e prodotti petrolchimici. D’altro canto, quelle stesse proprietà che hanno permesso ai materiali microplastici di permeare svariate aree della produzione industriale, rendono tali particelle particolarmente impattanti a livello ambientale, specialmente a causa della loro capacità di oltrepassare gli impianti di trattamento delle acque reflue, raggiungendo così i principali corsi d’acqua ed infine i mari e la fauna che ivi dimora. Quanto appena descritto è tipico di quei residui microplastici provenienti da prodotti di cosmesi e detergenza personale: nel momento in cui il consumatore risciacqua la pelle dopo l’utilizzo del prodotto in questione, le particelle microplastiche vengono irrimediabilmente sversate nello scarico domestico, dal quale raggiungeranno poi indisturbate i principali corsi d’acqua. Alla luce di ciò, diversi progetti di ricerca nel mondo cosmetico sono oggi finalizzati alla sostituzione di materiali microplastici con polimeri di originale naturale, al fine di ridurre l’impatto ambientale proveniente dalla produzione e dall’utilizzo di tali prodotti, cercando nel mentre di non alterarne le caratteristiche distintive. Il presente progetto di tesi punta ad inserirsi proprio all’interno del panorama appena descritto, attraverso il rinnovamento di due emulsioni cosmetiche già in commercio, nello specifico una lozione idratante ed una crema corpo nutriente. Tali formulazioni sono accomunate dalla presenza di co-polimeri acrilici, materiali microplastici utilizzati come principali agenti reologici in entrambi i prodotti: l’obiettivo del progetto è perciò quello di rimpiazzare tali additivi di origine fossile con controparti di origine naturale, per poi portare il processo produttivo sino alla scala industriale. Partendo dunque da una rapida introduzione sul mercato globale dei prodotti per la cosmesi della pelle, il Capitolo 1 verterà sulla caratterizzazione dettagliata delle emulsioni e del loro utilizzo in ambito cosmetico; procedendo oltre, verrà poi analizzato l’attuale vasto utilizzo di polimeri acrilici come agenti ispessenti nell’industria cosmetica (Capitolo 2) ed i più promettenti sostituti di origine naturale. A questo punto, una volta analizzate le peculiarità delle due formulazioni in analisi e fissati i parametri di interesse dello studio (Capitolo 3), sarà possibile seguire il percorso sperimentale che, partendo dalla selezione delle materie prime meglio performanti, ha condotto alla sintesi di varianti prive di polimeri acrilici ed alla loro conseguente ottimizzazione (Capitolo 4). Identificati dunque i campioni adatti al passaggio di scala, il Capitolo 5 sarà dedicato alla descrizione del processo di scale-up, suddiviso in due fasi successive: dapprima saranno presentate le modalità di produzione ed i risultati ottenuti in un turboemulsore da 5kg, considerato in questo caso come “scala pilota” del progetto, per poi spostare l’attenzione sulla scala produttiva successiva, quella industriale (qui rappresentata da un turboemulsore verticale da 50kg). A corredo del capitolo, saranno presentati ed analizzati nel dettaglio tutti i risultati ottenuti, così da comprendere se il passaggio di scala possa effettivamente definirsi riuscito. Infine, il Capitolo 6 conclude il lavoro di tesi sopra presentato analizzando l’intero progetto da un punto di vista critico e presentando alcuni spunti di particolare rilievo ai fini della rimozione di materie microplastiche da diverse classi di prodotti ad uso cosmetico.