Treatment of waste derived from coffee and banana processing by biomethanization and composting

Uno de los problemas ambientales más graves de la sociedad actual es la generación de grandes volúmenes de sustancias residuales, de diversa procedencia y composición, cuya gestión adecuada es fundamental para minimizar los principales impactos derivados de su generación. En dicho contexto, la industria agroalimentaria se considera uno de los principales focos generadores de residuos orgánicos, cuya disposición en vertedero da lugar a la emisión de lixiviados y contaminantes gaseosos olorosos, que con frecuencia conllevan un importante rechazo social. En concreto, la industria dedicada al procesado del café (Coffea spp.), la cual presenta una demanda cada vez mayor a nivel mundial, genera grandes cantidades de pulpa y cáscara residuales, especialmente en los principales países productores, tales como Brasil y Colombia. Adicionalmente, el cultivo del plátano y banana (Musa spp.) es uno de los más frecuentes en los países de América Latina, entre otros, dando lugar a importantes cantidades de cáscara residual que, con frecuencia, se apila en torno a las principales zonas de producción. Actualmente, los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) planteados por la Organización de las Naciones Unidas, incluyen importantes retos relacionados con el desarrollo de sistemas de producción sostenible, así como el uso regulado de los recursos, requiriéndose una transición en los sistemas productivos para mejorar su sostenibilidad económica, ambiental y social. Así, la bioeconomía surge como una herramienta que promueve la consecución de los ODS antes del 2030, basándose en el aprovechamiento integral y sostenible de los diferentes recursos, siendo fundamental la valorización de la biomasa residual derivada de los principales procesos productivos. En este sentido la biorrefinería y los bioprocesos son herramientas muy prometedoras para desarrollar sistemas de producción sostenibles, destacando la digestión anaerobia y compostaje como tecnologías viables para el tratamiento y valorización de residuos orgánicos biodegradables. Así, con el objetivo de mejorar la sostenibilidad ambiental del tratamiento de los residuos orgánicos derivados del procesado del grano de café y del plátano, dos sectores agroindustriales de marcada importancia a nivel internacional, en esta Tesis Doctoral se evalúan diferentes rutas de tratamiento y valorización tras realizar dos revisiones bibliográficas recientemente publicadas, que demuestran la versatilidad de ambos tipos de residuos para ser aprovechados a través de diferentes vías. Si bien en la actualidad la alternativa más frecuente para su gestión es la disposición en vertedero o en las propias zonas de producción, en primer lugar, se han propuesto sendos aprovechamientos de biorrefinería para los mismos, incluyendo de forma concatenada algunos de los tratamientos más prometedores descritos en la bibliografía científica. Seguidamente, dada la importancia de la producción de combustibles renovables en la actualidad, se ha evaluado de forma experimental y a escala de laboratorio, la viabilidad de la biometanización de la pulpa de café, utilizando dos inóculos anaerobios diferentes: lodo granular y no granular, demostrándose la idoneidad del uso del primero de ellos, en condiciones mesófilas. Además, se ha estudiado el efecto producido en el rendimiento de la digestión anaerobia de la pulpa de café tras la extracción de biocomponentes como cafeína y polifenoles presentes en la misma, así como de su co-digestión con cáscara de plátano, por ser frecuente el cultivo combinado de ambos frutos en diversos países de América Latina. Es destacable que para la extracción de biocomponentes de la pulpa de café se han estudiado principalmente sistemas de extracción en el marco de la Química Verde, empleando agua como solvente y sistemas de extracción asistidos por ultrasonidos, bajo diferentes condiciones de operación en términos de temperatura, tiempo y potencia aplicada, que han sido modelizados exitosamente. En paralelo, se ha estudiado la biometanización de la cáscara de plátano y su combustión (esta última desde el punto de vista teórico), así como la producción de carbón activado y baterías recargables sostenibles para el almacenamiento de energía, a partir de la misma, obteniéndose resultados muy prometedores. Adicionalmente, se ha evaluado la viabilidad del co-compostaje de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) y la cáscara de plátano, realizando un seguimiento de sus características físico-químicas y respirométricas principales a lo largo del proceso y evaluando la mitigación de la emisión de olor derivada del mismo, lo cual no es frecuente en este tipo de estudios. La aplicación de un análisis quimiométrico mediante PCA (Principal Component Analysis) y regresión multivariante ha permitido realizar agrupamientos de las mezclas ensayadas en función del tiempo de compostaje, así como una primera aproximación para predecir la concentración de olor emitido a partir de las variables físico-químicas y respirométricas analizadas. Los resultados obtenidos en dichos innovadores trabajos de investigación pueden suponer un avance importante en la gestión de los residuos agroindustriales derivados del procesado de café y de plátano, con el objetivo de mejorar su sostenibilidad en el contexto de la biorrefinería y economía circular. One of the most severe environmental problems in today's society is the generation of large volumes of waste substances of diverse origin and composition, whose proper management is essential to minimize the main impacts derived from their generation. In this context, the agri-food industry is considered as one of the main generators of organic waste, whose disposal in landfill gives rise to the generation of leachate and odorous gaseous pollutants, which often lead to significant social rejection. Specifically, the industry dedicated to the primary processing of coffee fruit (Coffea spp.), whose demand is growing worldwide, generates large quantities of residual pulp and husk, especially in the main producing countries, such as Brazil and Colombia. In addition, the cultivation of banana and plantain (Musa spp.) is one of the most frequent in Latin American countries, giving rise to significant amounts of residual peel, often disposed around production areas. The Sustainable Development Goals (SDG) set by the United Nations include important challenges related to developing sustainable production systems and the regulated use of resources, requiring a transition in production systems to improve their economic, environmental, and social sustainability. Thus, bioeconomy emerges as a tool that promotes the achievement of the SDGs by 2030, based on the integral and sustainable use of the different resources, being essential the valorization of the residual biomass derived from the main production processes. In this sense, biorefinery and bioprocesses are promising tools for developing sustainable production systems, highlighting anaerobic digestion and composting as feasible technologies for treating and valorizing biodegradable organic waste. In order to improve the environmental sustainability of the treatment of organic wastes derived from the primary processing of coffee and banana, two agroindustrial sectors of considerable importance at an international level, different treatment and valorization routes have been evaluated following two recently published literature reviews, which demonstrate the versatility of both types of wastes to be used through different ways. Although, at present, the most frequent alternative for their management is disposal in landfills or the production areas themselves, firstly, biorefinery uses have been proposed for them, including in a concatenated manner the most promising treatments described in the scientific literature. Subsequently, given the importance of producing renewable fuels, the feasibility of the biomethanization of coffee pulp has been experimentally evaluated at laboratory scale, using two different anaerobic inoculums: granular and nongranular sludge, demonstrating the suitability of using the first one under mesophilic conditions. In addition, the effect produced on the yield of the anaerobic digestion of coffee pulp after the extraction of biocomponents such as caffeine, chlorogenic acid, and polyphenols present in the pulp, as well as its co-digestion with banana peel, have been studied since the combined cultivation of both fruits is frequent in several Latin American countries. Finally, it is noteworthy that for the extraction of biocomponents from coffee pulp, extraction systems have been studied mainly within the framework of Green Chemistry, using water as a solvent and ultrasound under different operating conditions in terms of temperature, time, and applied power, which have been successfully modeled. In parallel, the feasibility of the biomethanization of banana peel and its combustion (the latter from a theoretical point of view), as well as the production of activated carbon and sustainable batteries for energy storage have been evaluated, obtaining very promising results within the context of circular economy. Additionally, the feasibility of co-composting of the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) and banana peel has been studied, characterizing the product obtained in terms of its agronomic applicability as an organic amendment in croplands and evaluating the mitigation of odor emission derived from the process, which is not frequent in this type of studies. The application of a chemometric analysis by means of PCA (Principal Component Analysis) and multivariate regression has made it possible to group the tested mixtures as a function of composting time, as well as a first approximation to predict the concentration of odor emitted from the physical-chemical and respirometric variables analyzed. The results obtained in these innovative research studies might represent an important advance in the management of agro-industrial waste derived from the primary processing of coffee and banana, with the aim of improving its sustainability within the context of biorefinery and circular economy.