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Methodological framework for life cycle assessment in the pharmaceutical sector

Siegert, Marc-William

FG Technischer Umweltschutz / Sustainable Engineering

Besides their indisputable positive health effects, pharmaceutical residues in the environment are identified to also have potential adverse effects on wildlife and human beings. They may enter environmental compartments (e.g. surface water bodies) through different pathways, such as excretion and a subsequent insufficient waste water treatment. Manufacturing predominantly in low-cost countries with inadequate environmental regulations and an increased use of pharmaceuticals on a global scale further aggravates the environmental relevance of the pharmaceutical sector. To comprehensively identify potential environmental impacts of pharmaceuticals and to establish measures to effectively reduce them, a life cycle perspective is imperative. For this purpose, life cycle assessment (LCA) is the predominant methodology since it is internationally standardized and widely applied among different sectors. Due to its broad use, however, individual methodological specifications are also necessary for particular product groups which can be formulated as Product Category Rules (PCR) according to ISO 14025 and ISO/TS 14027. For pharmaceuticals, such harmonized specifications do not exist which leads to a high level of methodological inconsistency between existing LCA studies. Moreover, case studies from the pharmaceutical sector often focus on manufacturing processes, whereas the use and end-of-life (EoL) stage are excluded from the assessment. The goal of this thesis is therefore to develop a scientifically robust, comprehensive and yet applicable methodological framework to guide LCAs of pharmaceutical products and processes and, in the long term, to harmonize and thus facilitate the future application of the LCA methodology in the pharmaceutical sector. To this end, two research questions are formulated: How should a LCA framework for pharmaceutical products be outlined to provide methodological guidance on sector-specific questions and challenges (RQ.1) and how can life cycle stages beyond the manufacturing stage of pharmaceuticals be modeled (RQ.2)? First, a review on existing generic LCA standards and guidelines on PCR development, sector-specific LCA guidelines, PCRs and LCA case studies on pharmaceutical products is conducted to identify methodological differences, similarities and open gaps. Furthermore, the review provides a structural basis for the framework development. Based on this, either new rules are drafted (e.g. a classification scheme of pharmaceutical products based on their functionality, the definition of product system, system boundaries and functional unit (FU), guidance on impact assessment) or existing methodological specifications are adopted if there is already a high consensus on these rules among literature (e.g. regarding general data quality requirements). As one major gap in existing studies, the exclusion of the use and EoL stage is identified which is of particular importance since most of the pharmaceutical emissions are expected to occur here. Therefore, a life cycle inventory model is developed to estimate emissions of Active Pharmaceutical Ingredients (API) during and after use of a pharmaceutical. To this end, API flows and emissions for different galenic formulations are compiled and quantification approaches as well as potential data sources are presented. All results are finally applied in a case study on an ibuprofen analgesic from cradle to grave. The LCA study reveals that the manufacturing stage is the largest contributor to all environmental impacts, whereas the share of the use and EoL stage to the overall environmental impacts is insignificant. Even though a systematic review of the framework´s applicability and completeness are beyond the scope of the case study, it discloses some methodological and practical challenges, such as the general comparability of pharmaceuticals, how positive effects of pharmaceuticals could be integrated into the damage-oriented LCA, the expansion of system boundaries to include Research and Development (R&D) activities and other processes along the healthcare pathway or the transferability of the rules to veterinary medicine. The most limiting factor is indubitably the availability of consistent data. This affects not only the life cycle inventory but also calculations on an impact assessment level. Therefore, future research should focus on both, the further development of the framework as well as provision of comprehensive data. Yet, the methodological framework presented in this thesis significantly refines the LCA methodology for pharmaceuticals and allows a more comprehensive environmental assessment from cradle to grave with only few data which are usually publicly available. Hence, current environmental assessment approaches for pharmaceuticals are expanded by a more holistic perspective.
Neben ihren unbestreitbaren positiven Effekten auf die Gesundheit können Pharmazeutika in der Umwelt auch potentiell nachteilige Effekte auf die Tierwelt oder Menschen haben. Sie können dabei auf unterschiedliche Weise in Umweltkompartimente (z.B. Oberflächengewässer) eingetragen werden, beispielsweise durch eine unzulängliche Abwasserbehandlung nach der Ausscheidung. Die Herstellung in Niedriglohnländern mit unzureichender Umweltgesetzgebung sowie ein gestiegener weltweiter Verbrauch von Pharmazeutika verschärfen die ökologische Relevanz des Pharmasektors zusätzlich. Um potentielle Umweltwirkungen von Pharmazeutika identifizieren und reduzieren zu können ist eine lebenswegbezogene Perspektive unerlässlich. Die vorherrschende Methode für diesen Anwendungszweck ist die Ökobilanzierung (engl.: Life Cycle Assessment, LCA), da sie international standardisiert ist und bereits sektorübergreifend verwendet wird. Aufgrund dieser breiten Anwendung der Methodik werden allerdings auch individuelle methodische Anpassungen für spezifische Produktgruppen notwendig, die als Produktkategorieregeln (PKR) (engl.: Product Category Rules, PCR) gemäß ISO 14025 und ISO/TS 14027 ausgestaltet sein können. Für Pharmazeutika existieren solche harmonisierten Spezifikationen bislang nicht, was zu methodischen Inkonsistenzen zwischen bestehenden Ökobilanz-Studien führt. Darüber hinaus fokussieren sich Fallstudien aus dem Pharmasektor häufig auf die Herstellungsprozesse wobei die Nutzung und End-of-Life-Phase (EoL) nicht in die Bewertung mit einbezogen werden. Das Ziel dieser Arbeit ist daher, einen wissenschaftlich robusten, umfassenden und anwendungsorientierten methodischen Rahmen für die Erstellung von Ökobilanzen pharmazeutischer Produkte und Prozesse zu entwickeln und somit langfristig die zukünftige Anwendung der Ökobilanzmethodik im Pharmasektor zu harmonisieren und zu unterstützen. Hierzu wurden zwei Forschungsfragen formuliert: Wie sollte ein Rahmenwerk für Ökobilanzen gestaltet sein, um methodische Hilfestellung bei sektorspezifischen Fragestellungen und Herausforderungen zu leisten (Forschungsfrage 1), und wie können Lebenswegabschnitte von Pharmazeutika jenseits der Herstellungsphase modelliert werden (Forschungsfrage 2)? Um methodische Unterschiede und Gemeinsamkeiten sowie Forschungslücken zu identifizieren wurden zunächst bestehende generische Ökobilanzstandard, Leitfäden zur PKR-Entwicklung, sektorspezifische Ökobilanzleitfäden, bestehende PKR und Ökobilanz-Fallstudien zu pharmazeutischen Produkten ausgewertet. Diese Auswertung diente außerdem als strukturelle Basis für die Entwicklung des methodischen Rahmens. Basierend darauf wurden entweder neue Ökobilanzregeln abgeleitet (z.B. Vorgaben für eine Klassifizierung von Pharmazeutika aufgrund ihrer therapeutischen Funktion sowie die Definition des Produktsystems, der Systemgrenzen und der funktionellen Einheit (engl.: functional unit, FU)) oder bestehende methodische Festlegungen übernommen, sofern gemäß der einschlägigen Literatur bereits Konsens zu diesen Regeln besteht (z.B. Anforderungen an Datenqualität). Als eine der größten Lücken wurde die Vernachlässigung der Nutzung und EoL Phase identifiziert. Dies ist relevant, da pharmazeutischer Substanzen am häufigsten während der Nutzung oder EoL-Phase in die Umwelt emittiert werden. Daher wurde ein Sachbilanzmodell entwickelt, um die Emissionen von pharmazeutischen Wirkstoffen (engl.: Active pharmaceutical ingredient, API) während und nach der Verwendung von Arzneimitteln abzuschätzen. Zu diesem Zweck wurden Wirkstoffflüsse und -emissionen für verschiedene Darreichungsformen zusammengestellt und Berechnungsansätze sowie potentielle Datenquellen ermittelt. Alle Ergebnisse wurden schließlich in einer Ökobilanz-Fallstudie zu einem ibuprofenhaltigen Analgetikum von der Wiege bis zur Bahre (engl.: Cradle to grave) angewandt. Dabei wurde deutlich, dass die Herstellungsphase den größten Beitrag zu sämtlichen Umweltwirkungspotentialen leistet, wohingegen der Anteil der Nutzung und EoL Phase nicht signifikant ist. Auch wenn in der Fallstudie keine systematische Auswertung der Anwendbarkeit und Vollständigkeit des methodischen Rahmens erfolgte, so wurden einige methodische und praktische Herausforderungen verdeutlicht, wie beispielsweise die Frage nach einer generellen Vergleichbarkeit von Pharmazeutika, die Möglichkeit zur Integration positiver Effekte von Pharmazeutika in eine schadensorientierte Bewertungsmethodik wie die Ökobilanzierung, die Erweiterung der Systemgrenzen um Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten (F&E) (engl.: Research and development, R&D) sowie andere Elemente des gesamten Behandlungspfades und die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf die Veterinärmedizin. Ein entscheidender Faktor ist zweifelsohne die Verfügbarkeit von konsistenten Daten. Dies hat nicht nur einen Einfluss auf die Sachbilanz, sondern auch auf Berechnungen im Rahmen der Wirkungsabschätzung. Daher sollten sich zukünftige Forschungsaktivitäten sowohl auf die Weiterentwicklung des methodischen Rahmens als auch die Bereitstellung umfassender Daten konzentrieren. Dennoch schärft der in dieser Arbeit dargestellte methodische Rahmen die Ökobilanz-Methodik für Pharmazeutika deutlich und ermöglicht dadurch eine umfassende ökologische Bewertung von der Wiege bis zur Bahre mit wenigen öffentlich zugänglichen Daten. Dadurch werden bestehende Ansätze zur ökologischen Bewertung von Pharmazeutika um eine ganzheitlichere Perspektive erweitert.