Environmental assessment of valuable products from agri-food waste: examples on caffeine, polyphenols and organic fertilizers

Abstract

Els residus agroalimentaris representen una preocupació ambiental important, ja que contribueixen a les emissions de gasos amb efecte d’hivernacle i a la pèrdua de biodiversitat. Aquesta recerca doctoral utilitza l’Avaluació del Cicle de Vida (ACV) per avaluar dues vies de valorització: (1) l’extracció de compostos bioactius (polifenols, àcid clorogènic i cafeïna) a partir de marro de cafè (SCG), i (2) la producció de fertilitzants orgànics (composts, biofertilitzants i bioestimulants) a partir de residus agrícoles.

Els resultats experimentals van indicar que els solvents supramoleculars van ser més selectius per a la cafeïna, els seus impactes ambientals van ser superiors als dels mètodes basats en aigua. L’etanol al 20% va resultar ser el solvent més favorable des del punt de vista ambiental, superant els solvents eutèctics profunds (DES), tot i que aquests van aconseguir un rendiment d’extracció més alt.

En la comparació de fertilitzants orgànics, el digestat va ser el més eficient climàticament per al nitrogen i el potassi, el vermicompost va oferir millors resultats per al fòsfor, i el biochar va contribuir a mitigar l’acidificació i els impactes sobre l’ús del sòl. En canvi, el té de compost i l’hidrolitzat de peix, com a bioestimulants, es van associar a majors càrregues ambientals.

La recerca posa de manifest que la valorització dels residus agroalimentaris pot afavorir la circularitat, però que l’ACV és clau per identificar solucions veritablement sostenibles.

Los residuos agroalimentarios representan una importante preocupación medioambiental, ya que contribuyen a las emisiones de gases de efecto invernadero y a la pérdida de biodiversidad. Esta investigación doctoral emplea la evaluación del ciclo de vida para analizar dos vías de valorización: (1) la extracción de compuestos bioactivos (polifenoles, ácido clorogénico y cafeína) a partir de posos de café (SCG), y (2) la producción de fertilizantes orgánicos (compost, biofertilizantes y bioestimulantes) a partir de residuos agrícolas.

Los resultados experimentales indicaron que, aunque los disolventes supramoleculares fueron más selectivos para la cafeína, sus impactos ambientales superaron a los de los métodos a base de agua. El etanol al 20% resultó ser el disolvente más favorable desde el punto de vista ambiental, superando a los disolventes eutécticos profundos (DES), aunque estos últimos lograron un mayor rendimiento de extracción.

En la comparación de fertilizantes organicos, el digestato fue el más eficiente para nitrógeno y potasio, el vermicompost mostró mejores resultados para el fósforo, y el biochar contribuyó a mitigar la acidificación y los impactos sobre el uso del suelo. Por otro lado, el té de compost y el hidrolizado de pescado, utilizados como bioestimulantes, se asociaron a mayores cargas ambientales.

La investigación destaca que la valorización de residuos agroalimentarios puede contribuir a la circularidad, pero que la LCA es esencial para identificar soluciones verdaderamente sostenibles.

Agri-food waste represents a major environmental concern, contributing to greenhouse gas emissions and biodiversity decline. This PhD research employs Life Cycle Assessment (LCA) to evaluate two valorization pathways: (1) extracting bioactive compounds (polyphenols, chlorogenic acid, and caffeine) from spent coffee grounds (SCG), and (2) producing organic fertilizers—composts, biofertilizers, and biostimulants—from agricultural residues. Experimental results indicated that although supramolecular solvents were more selective for caffeine, their environmental impacts exceeded those of water-based methods. Ethanol 20% proved to be the most environmentally favourable solvent, outperforming deep eutectic solvents (DES), although DES achieved a higher extraction yield.

In the comparison of organic fertilizers, digestate was the most climate-efficient for nitrogen and potassium, vermicompost performed best for phosphate, and biochar contributed to mitigating acidification and land use impacts. On the other hand, compost tea and fish hydrolysate biostimulants were linked to higher environmental burdens. The research underscores that agri-food waste valorization can promote circularity, but LCA is crucial to identify truly sustainable solutions.