Obtención de residuos de segunda generación a partir de posos de café mediante carbonización hidrotermal. Posibilidades de uso agrícola y otros avances para su aplicación en una estrategia de economía circular

Abstract

Los posos de café (SCG) son un residuo de la industria agroalimentaria generado en grandes cantidades a nivel mundial. Su rica composición en fibra [62%, celulosa, hemicelulosa, lignina], grasa (13-18%), proteínas (14-17%) y cenizas (1.3%) hace de este residuo un material con potencial químico y biotecnológico que puede ser aprovechado dentro de un concepto de economía circular. Sin embargo, su alto contenido en compuestos tóxicos ha dificultado su uso en el campo agrícola. El objetivo de este trabajo ha sido enfocar la revalorización de los SCG mediante la carbonización hidrotermal (HTC) como proceso de transformación principal y, a partir de los subproductos generados (hidrochar y licor), explorar las posibles aplicaciones basadas en su caracterización; esto con mayor énfasis en el hidrochar. La HTC generó hidrochars con propiedades diferentes a los SCG. Se obtuvo productos sólidos de segunda generación con mayor cantidad de C fijado, N, H, relación C/N, superficie específica y polifenoles totales. Por el contrario, otras propiedades se vieron reducidas: pH, CE25, P y K asimilables, tamaño de partícula, materia volátil y cenizas. La aplicación de un proceso de desgrasado, combinado o no, con un lavado con etanol previo a la HTC no tuvo un impacto en la reducción significativa (p <0.05) del contenido de polifenoles totales ni en la mejora de la estructura de las partículas, pero podrían ser utilizados con otros fines de explotación. Por otro lado, el análisis de los licores de HTC mostró una composición mayoritaria en azúcares reductores, ácidos grasos de cadena corta (AGCC) y otros compuestos de carácter tóxico. Las características y propiedades de ambos subproductos de la HTC se vieron altamente influenciadas (se acentúan) por la temperatura aplicada en el proceso. Para las distintas aplicaciones de los hidrochars de SCG en el campo agrícola, se utilizó como referencia un suelo de cultivo mediterráneo y plantas de lechuga (Lactuca sativa var. longifolia). La evaluación de dos de estos bio-productos (H175, H185) como enmienda orgánica de suelos a dosis de 1% y 2.5% dio como resultado una ligera mejora en las propiedades fisicoquímicas del suelo pero que no fue significativa respecto a los SCG. Destacó el aporte de carbono orgánico y la movilización de elementos nutrientes con el aumento de la dosis, sin embargo, se evidenció una limitación de la biomasa incluso a la dosis más baja (1%) debido al mayor carácter fitotóxico de los hidrochars respecto a los SCG. En base a la capacidad movilizadora de elementos en el suelo, se realizó una primera evaluación de estos bio-productos como agentes de biofortificación mediante la funcionalización de dos hidrochars (H160, H200) con Zn y Fe. Los resultados revelaron que existe un mejor equilibrio entre el incremento del contenido mineral y el crecimiento de la planta cuando los bio-quelatos son aplicados al suelo en dosis fijas (0.5%) en comparación con dosis variadas que dependen de una concentración mineral establecida. A pesar de que todavía se observó una cierto grado de fitotoxicidad, los contenidos de Zn y Fe en planta aumentaron hasta en un 90% (H160-Zn) y 288% (H200- Fe), respectivamente, en comparación con lechugas no biofortificadas. Posteriormente la activación de los hidrochars previo a su funcionalización, provocó un aumento de la capacidad de adsorción de Zn (758%, H160) y Fe (230%, H160) al mismo tiempo que una reducción del contenido de polifenoles totales (46-73%). Este hecho permitió reducir la dosis ensayada para efectos de biofortificación (0.2%) obteniendo como resultado una supresión total de la fitotoxicidad. Los contenidos tanto de Zn como de Fe se triplicaron en comparación con lechugas no biofortificadas. Este efecto se vió reflejado de manera proporcional también en el porcentaje de ingesta diaria recomendada (IDR) de cada micronutriente. Por último, en todos los ensayos de biofortificación realizados, se evidenció la creación de una reserva mineral en el suelo que podría ser utilizada en futuros ciclos de cultivos. En términos generales, los hidrochars de SCG exhibieron un gran potencial para ser utilizados en el campo agrícola como agentes de biofortificación; esto siempre y cuando sean utilizados en dosis subtóxicas (≤ 0.2%) y pasen por un proceso de activación previo que garantice un buen aporte del micronutriente ensayado. Los licores también mostraron un atractivo potencial de fermentación para la obtención de compuestos de alto valor biológico. Las técnicas ensayadas en esta tesis doctoral están sujetas a ensayos de optimización y/o modificación con el fin de obtener el mejor aprovechamiento.

Spent coffee grounds (SCG) are a residue of the agri-food industry generated in large quantities worldwide. Its rich composition in fiber [62%, cellulose, hemicellulose, lignin], fat (13-18%), protein (14-17%) and ash (1.3%) makes this residue a material with chemical and biotechnological potential that can be used within a concept of circular economy. However, its high content of toxic compounds has made its use in the agricultural field difficult. The objective of this work has been to focus on the revaluation of SCG through hydrothermal carbonization (HTC) as the main transformation process and, from the byproducts generated (hydrochar and liquor), explore the possible applications based on their characterization; this with greater emphasis on the hydrochar. The HTC generated hydrochars with different properties than the SCG. Second generation solid products with a higher amount of fixed C, N, H, C/N ratio, specific surface area and total polyphenols were obtained. On the contrary, other properties were reduced: pH, EC25, assimilable P and K, particle size, volatile matter, and ashes. The application of a defatting process combined or not with an ethanol wash prior to HTC did not have an impact on the significant reduction (p <0.05) of the total polyphenol content or on the improvement of the particles structure. but they could be used for other exploitation purposes. On the other hand, the analysis of the HTC liquors showed a majority composition of reducing sugars, short-chain fatty acids (SCFA) and other toxic compounds. The characteristics and properties of both HTC by-products were highly influenced (they are accentuated) by the temperature applied in the process. For the different applications of SCG hydrochars in the agricultural field, a Mediterranean cultivated soil and lettuce plants (Lactuca sativa var. longifolia) were used as reference. The evaluation of two of these bio-products (H175, H185) as organic soil amendment at doses of 1% and 2.5% resulted in a slight improvement in the physicochemical properties of the soil, but it was not significant with respect to the SCG. The contribution of organic carbon and the mobilization of nutrient elements with the increase of the dose stood out, however, a limitation of the biomass was evidenced even at the lowest dose (1%) due to the greater phytotoxic nature of the hydrochars with respect to the SCG. Based on the mobilizing capacity of elements in the soil, a first evaluation of these bioproducts as biofortification agents was carried out through the functionalization of two hydrochars (H160, H200) with Zn and Fe. The results revealed that there is a better balance between the increase of mineral content and plant growth when bio-chelates are applied to the soil in fixed doses (0.5%) compared to varied doses that depend on an established mineral concentration. Although a certain degree of phytotoxicity was still observed, plant Zn and Fe contents increased by up to 90% (H160-Zn) and 288% (H200- Fe), respectively, compared to non-biofortified lettuces. Subsequently, the activation of the hydrochars prior to their functionalization, caused an increase in the adsorption capacity of Zn (758%, H160) and Fe (230%, H160) and at the same time a reduction of the content of total polyphenols (46-73%). This fact made it possible to reduce the dose tested for biofortification effects (0.2%), obtaining as a result a total suppression of phytotoxicity. Both Zn and Fe contents tripled compared to nonbiofortified lettuces. This effect was also proportionally reflected in the percentage of recommended daily intake (RDI) of each micronutrient. Finally, in all the biofortification tests carried out, the creation of a mineral reserve in the soil that could be used in future crop cycles was evidenced. In general terms, SCG hydrochars exhibited great potential to be used in the agricultural field as biofortification agents as long as they are used in subtoxic doses (≤ 0.2%) and go through a prior activation process that guarantees a good contribution of the tested micronutrient. The liquors also showed attractive fermentation potential for the obtention of high biological value compounds. The techniques tested in this doctoral thesis are subject to optimization and/or modification tests in order to obtain the best use and yield.