Αξιοποίηση οικιακών διατροφικών απορριμμάτων και οργανικών αποβλήτων της βιομηχανίας τροφίμων στο πλαίσιο της κυκλικής οικονομίας

Abstract

Food waste prevention, management and utilisation has attracted much attention at international, European and national level, as it has been estimated that one third of globally produced food is wasted. Food waste arises from the entire value chain including primary production, processing, distribution, retail, preparation and consumption of food in restaurants, catering facilities and households. Unsustainable food production and poor management of food waste has negatively impacted the global economy, society and environment which has progressively led to the need to move towards a more circular economy.This thesis aims at investigating through a holistic approach the alternative utilisation pathways of household food waste (HFW) produced in Greece as well as the prospects for the utilisation of organic waste and wastewater coming from the Greek food processing industry in accordance with the principles of circular economy. To this end, a comprehensive literature review was conducted on existing legislative framework and recent research and technological advances on waste prevention, management and utilisation. Thus, the relevant European and national institutional framework and related policies on waste management (mainly biowaste) and energy (mainly bioenergy) were reviewed. Moreover, literature review on food waste definitions, food waste physicochemical characteristics, food waste quantitative data, data collection methods and scientific and technological trends on the prevention, recovery and management of food waste was conducted. In parallel, laboratory work was carried out in order to investigate the physicochemical characteristics, the biomethane potential and the bioethanol potential of HFW from Greek households after mild drying. Finally, research was carried out on the potentials for the utilisation of organic waste arising from important sectors of the food processing industry in Greece. Based on the research conducted, the European legislation (Circular Economy Package, Directive 2018/851) gives priority to food waste prevention which is in line with the currently employed prevention initiatives in municipal and regional level across EU. Furthermore, the pyramid of food waste management promotes the production of chemicals and biomaterials (reduction), followed by the recycling of food waste (recovery) and the optimal choice is the anaerobic digestion. In the same context, these trends are also being promoted by the European renewable energy policy.Laboratory research that was conducted in the laboratories of National Technical University of Athens revealed that through mild drying (~60 °C) the chemical content of HFW is maintained due to the inhibition of microorganisms’ and enzymes’ activity. It was proved that dried household food waste (d-HFW) constitute a valuable substrate for biogas production as well as bioethanol generation. HFW composition clearly affects methane yield with important parameters to be fats and oil content as well as total organic carbon; however, the correlation of volatile solids’ values with biogas production confirmed that selecting physicochemical parameters as indicators of biogas production should be critically considered. Results of the compositional analysis of HFW collected from five Greek households in the Prefecture of Attica for a period of twenty-eight days using the method of ‘food waste diary’, showed that HFW is mainly composed of fruits (> 50%) and vegetables (~ 30%) and that one-third of the total HFW weight could have been avoided. As confirmed by the bio-methane potential test for twenty samples, methane yield ranged from 248 to 464 L CH4/kg d-HFW (265 to 500 LCH4/kg VS d-HFW) which corresponds to 264 to 518 L CH4/kg TS (282 to 558 LCH4/kg VS) with the vast majority (> 70 %) of the methane produced during the first 20 days for all samples. In addition to biogas production, laboratory research has revealed that household food waste (after mild drying) is also a valuable raw material for the production of second-generation bioethanol. In particular, Non-Isothermal Simultaneous Saccharification and Fermentation (NSSF) was applied. The process involved enzymatic hydrolysis (6 h) of d-HFW (25 % w/v) through commercial amylases and cellulases followed by fermentation with Saccharomyces cerevisiae (8 h) resulting in ethanol production ranging from 11 g/L to 42,4 g/L. Ethanol production of different d-HFW samples ranged from 43 % to 97 % of the theoretically value. The achieved values are high in comparison with those mentioned int the literature.Finally, taking into account the latest technological and scientific advancements in the field of energy production from organic waste, the application of one-stage or two-stages anaerobic digestion with pre-treatment (biological and/or physicochemical) comprises a suitable and effective method for wastewater treatment that derive from the slaughtering industry, olive oil production and cheese production industries operating in Greece. Moreover, animal by-products can also be exploited for the extraction of substances and the subsequent manufacture of feedstuffs, cosmetics or medicinal products. In the same context in order to add value to the Greek fruits and vegetables processing sector, waste valorisation can be considered including technologies to recover valuable compounds such as carotenoids and mainly lycopene as well as various other phytochemicals such as sterols, tocopherols, total and simple polyphenols for the tomato processing industry. As to the peach and apricot processing industry, it constitutes one more area for developing, implementing and promoting potential exploitation practices such as the extraction of phenolic compounds, flavonoids and carotenoids. The operation of olive oil mills can focus on the production of precious products such as poly(hydroxyalkanoate) esters with applications in the field of biodegradable plastics, carotenoid pigments for application as food colorants and natural antioxidants or alternatively as a source of provitamin A and industrial enzymes such as lipases, laccases, peroxidases and pectinases. Finally, cheese whey from the Greek cheese making units can be utilised in the future for the production of organic acids, monocyte proteins, oils, and enzymes.To sum up, the use of household food waste as well as organic waste and wastewater that derive by the food processing industry in Greece provides a wealth of possibilities that can lead to energy production and new materials in line with the principles of bioeconomy and circular economy. However, the viability of the processes should be increased through the optimal and sequential exploitation of different types of materials in flexible biorefineries, promoting the transition from linear to circular economy, where the value of the products, materials and resources remains in the economy as much as possible.

Η πρόληψη στη δημιουργία διατροφικών απορριμμάτων καθώς και η διαχείριση και αξιοποίησή τους έχουν συγκεντρώσει έντονο ενδιαφέρον σε διεθνές, ευρωπαϊκό αλλά και εθνικό επίπεδο, καθώς έχει διαπιστωθεί ότι το ένα τρίτο των τροφίμων που παράγονται παγκοσμίως χάνεται ή σπαταλάται. Πρόκειται για απόβλητα που προκύπτουν από διαδικασίες που καλύπτουν όλο το μήκος της αξιακής αλυσίδας δηλαδή από την πρωτογενή παραγωγή, τη μεταποίηση, τη διανομή, τη διάθεση σε καταστήματα, την προετοιμασία και κατανάλωση τροφής σε εστιατόρια και σε εγκαταστάσεις εστίασης, αλλά και στο σπίτι. Ο αρνητικός αντίκτυπος που έχει η μη-βιώσιμη διαχείριση των διατροφικών απορριμμάτων στην κοινωνία, στην οικονομία και στο περιβάλλον οδήγησε στην ανάγκη μετάβασης στην κυκλική οικονομία για την αποδοτικότερη χρήση των πόρων. Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μία ολιστική μελέτη των δυνατοτήτων αξιοποίησης των οικιακών διατροφικών απορριμμάτων που παράγονται στην Ελλάδα, καθώς και των προοπτικών αξιοποίησης οργανικών αποβλήτων της ελληνικής βιομηχανίας μεταποίησης τροφίμων σε συμφωνία με τις αρχές της κυκλικής οικονομίας. Αρχικά, βάσει εκτενούς βιβλιογραφικής έρευνας στις διαφορετικές όψεις του θέματος (νομοθετική, ερευνητική, τεχνολογική) μελετήθηκε και καταγράφηκε το σχετικό ευρωπαϊκό και εθνικό θεσμικό πλαίσιο για τη διαχείριση των αποβλήτων και την ενέργεια, με έμφαση στα βιοαπόβλητα και τη βιοενέργεια. Παράλληλα, συγκεντρώθηκαν οι ορισμοί που χρησιμοποιούνται σε ευρωπαϊκό και εθνικό επίπεδο για τα διατροφικά απορρίμματα καθώς και οι τεχνικές πληροφορίες σχετικά με τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά, τα ποσοτικά στοιχεία, τις μεθόδους συλλογής δεδομένων και τις δράσεις πρόληψης για τα διατροφικά απορρίμματα. Καταγράφηκαν οι σύγχρονες επιστημονικές και τεχνολογικές τάσεις και τα ευρωπαϊκά έργα σχετικά με την πρόληψη, αξιοποίηση και διαχείριση των διατροφικών απορριμμάτων. Επιπλέον, εκπονήθηκε εργαστηριακή έρευνα κατά την οποία μελετήθηκαν τα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά των οικιακών διατροφικών απορριμμάτων ελληνικών νοικοκυριών καθώς και η δυνατότητα παραγωγής βιοαερίου και βιοαιθανόλης των εν λόγω απορριμμάτων ύστερα από εφαρμογή ήπιας ξήρανσης. Τέλος, η έρευνα επεκτάθηκε στις δυνατότητες αξιοποίησης των οργανικών αποβλήτων που προκύπτουν από σημαντικούς κλάδους της Ελληνικής βιομηχανίας μεταποίησης τροφίμων. Μελετήθηκαν οι τρόποι λειτουργίας και διαχείρισης των αποβλήτων στις διαφορετικές ελληνικές βιομηχανίες και λαμβάνοντας υπόψη, τις σύγχρονες τεχνολογικές και επιστημονικές εξελίξεις στους επιμέρους κλάδους αλλά και τις κατευθύνσεις της κυκλικής οικονομίας, παρατίθενται διαπιστώσεις και προτάσεις για την αξιοποίηση των οργανικών αποβλήτων. Με βάση την έρευνα διαπιστώθηκε η προτεραιοποίηση της πρόληψης στη δημιουργία διατροφικών απορριμμάτων τόσο από το σύγχρονο νομοθετικό πλαίσιο για τα απόβλητα (Δέσμη Μέτρων Κυκλικής Οικονομίας, Οδηγία 2018/851) όσο και από τις πρωτοβουλίες σε επίπεδο πόλεων και δήμων σε παγκόσμιο επίπεδο. Ακόμη, στην κατεύθυνση της μείωσης και αξιοποίησης των διατροφικών απορριμμάτων προωθείται η παραγωγή χημικών και βιο-υλικών (μείωση) και ακολουθεί η ανακύκλωση των διατροφικών απορριμμάτων (αξιοποίηση) με βέλτιστη επιλογή την αναερόβια χώνευση. Στο ίδιο πλαίσιο οι τάσεις αυτές προωθούνται και από την ευρωπαϊκή πολιτική στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπου, σύμφωνα με την Οδηγία 2015/1513/ΕΚ, η συνεισφορά των βιοκαυσίμων που προέρχονται από βιοαπόβλητα και παρόμοια απόβλητα που προκύπτουν κατά τη μεταποίηση θα προσμετράται εις διπλούν στην επίτευξη των ενεργειακών στόχων. Όπως αποδείχθηκε από την πρωτότυπη εργαστηριακή έρευνα που πραγματοποιήθηκε στα εργαστήρια του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου και αλλού, μέσω της απομάκρυνσης της υγρασίας των οικιακών διατροφικών απορριμμάτων με την εφαρμογή ήπιας ξήρανσης (~60 °C), επιτυγχάνεται η συντήρηση των χαρακτηριστικών των ΟΔΑ λόγω της αναστολής της δράσεως των μικροοργανισμών και των ενζύμων. Αποδείχθηκε ότι τα οικιακά διατροφικά απορρίμματα που παράγονται από τον πρωτότυπο οικιακό ξηραντήρα (ξ-ΟΔΑ) αποτελούν ένα ικανοποιητικό υπόστρωμα για την παραγωγή βιοαερίου και βιοαιθανόλης. Όπως διαπιστώθηκε, η διαφορετικότητα της σύστασης μεταβάλλει την απόδοση σε μεθάνιο με σημαντικές παραμέτρους την περιεκτικότητά τους σε λίπη και ελαία, καθώς και σε ολικό οργανικό άνθρακα. Ωστόσο, η παρούσα έρευνα και η αξιολόγηση των αποτελεσμάτων των μετρήσεων των πτητικών στερεών πιστοποιούν ότι η χρήση των μετρούμενων εργαστηριακών παραμέτρων των ΟΔΑ ως δεικτών πρόβλεψης της παραγωγής βιοαερίου θα πρέπει να γίνεται με κριτική ματιά. Η έρευνα με τη μέθοδο του ημερολογίου καταγραφής κατέδειξε την υψηλή περιεκτικότητα σε απορρίμματα φρούτων (>50 %) και λαχανικών (~30 %) στην ποιοτική σύσταση των ΟΔΑ, οδηγώντας συγχρόνως στη διαπίστωση ότι το ένα τρίτο του συνολικού βάρους των ΟΔΑ που παράχθηκαν από πέντε ελληνικές οικογένειες σε διάστημα είκοσι οκτώ ημερών θα μπορούσε να είχε αποφευχθεί. Από τη διεξαγωγή των δοκιμών μεθανογόνου δυναμικού σε είκοσι δείγματα ξ-ΟΔΑ, το εύρος των αποδόσεων σε μεθάνιο κυμάνθηκε από 264 έως 518 L CH4/kg TS (282 έως 558 L CH4/kg VS). Το δε πιο σημαντικό μέρος (> 70 %) του παραχθέντος μεθανίου αναπτύχθηκε εξ ολοκλήρου στη διάρκεια των πρώτων είκοσι ημερών για όλα τα δείγματα. Επιπρόσθετα, διαφάνηκε ότι τα οικιακά διατροφικά απορρίμματα (ύστερα από ήπια ξήρανση) αποτελούν μια ενδιαφέρουσα πρώτη ύλη για παραγωγή βιοαιθανόλης δεύτερης γενιάς, με την εφαρμογή της μη-ισοθερμοκρασιακής ταυτόχρονης σακχαροποίησης και ζύμωσης. Συγκεκριμένα, ενζυμική υδρόλυση (6 h) με εμπορικές αμυλάσες και κυτταρινάσες στα είκοσι δείγματα ξ-ΟΔΑ (συγκέντρωση 25 % w/v) ακολουθούμενη από ζύμωση (8 h) με χρήση του ζυμομύκητα Saccharomyces Cerevisiae, οδήγησε σε παραγωγή αιθανόλης στα διαφορετικά δείγματα που κυμάνθηκε από 11 g/L σε 42,4 g/L. Οι επιτευχθείσες τιμές βρίσκονται σε υψηλά επίπεδα σε σχέση με τις αναφορές στη διεθνή βιβλιογραφία. Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη τις διεθνείς τεχνολογικές και επιστημονικές εξελίξεις στον τομέα της αξιοποίησης των οργανικών αποβλήτων για παραγωγή ενέργειας, η εφαρμογή της αναερόβιας χώνευσης ενός ή δύο σταδίων σε συνδυασμό με κατάλληλες μεθόδους προεπεξεργασίας (βιολογικών ή/και φυσικοχημικών) προτείνεται ως μία βιώσιμη λύση για τη διαχείριση των υγρών αποβλήτων και την ταυτόχρονη παραγωγή ενέργειας από τις ελληνικές μονάδες μεταποίησης κρέατος, παραγωγής ελαιόλαδου και παραγωγής τυροκομικών προϊόντων. Ακόμη, η ανάπτυξη νέων προϊόντων από οργανικά απόβλητα που προέρχονται από ελληνικές βιομηχανίες μεταποίησης τροφίμων θα μπορούσε να οδηγήσει στο μέλλον στη δημιουργία προστιθέμενης αξίας για τους εν λόγω κλάδους. Συγκεκριμένα, η αξιοποίηση ζωικών υποπροϊόντων μεσαίας και χαμηλής επικινδυνότητας θα μπορούσε να οδηγήσει σε παραγωγή βιοενεργών πεπτιδίων, πρωτεϊνικών προϊόντων και ως πηγή φωσφορικών. Από τη μεταποίηση τομάτας θα μπορούσε να αξιοποιηθεί η υψηλή περιεκτικότητά της σε καροτενοειδή και κυρίως λυκοπένιο, καθώς και διάφορα άλλα φυτοχημικά όπως στερόλες, τοκοφερόλες, ολικές και απλές πολυφαινόλες. Από τη μεταποίηση ροδάκινων και βερίκοκων, τα προς αξιοποίηση συστατικά είναι τα φαινολικά συστατικά, φλαβονοειδή και καροτενοειδή. Επιπρόσθετα, η αξιοποίηση των οργανικών αποβλήτων από ελληνικές μονάδες παραγωγής ελαιόλαδου θα μπορούσε να οδηγήσει στην παραγωγή πολύτιμων προϊόντων όπως είναι οι πολυ(υδροξυαλκανοϊκοί) εστέρες με εφαρμογές στο πεδίο των βιοαποδομήσιμων πλαστικών, οι καροτενοειδείς χρωστικές για εφαρμογή ως χρωστικές τροφίμων και φυσικά αντιοξειδωτικά ή εναλλακτικά ως πηγή προβιταμίνης Α και τα βιομηχανικά ένζυμα όπως λιπάσες, λακκάσες, περοξειδάσες και πηκτινάσες. Τέλος, ενδιαφέρον παρουσιάζει και η αξιοποίηση του ορού γάλακτος στο μέλλον για παραγωγή οργανικών οξέων, μονοκυτταρικών πρωτεϊνών, ελαίων, και ενζύμων. Συνοψίζοντας, η αξιοποίηση των οικιακών διατροφικών απορριμμάτων και των οργανικών αποβλήτων της βιομηχανίας μεταποίησης τροφίμων στην Ελλάδα περιλαμβάνει μια πληθώρα εναλλακτικών δυνατοτήτων που μπορούν να οδηγήσουν στην παραγωγή ενέργειας και νέων υλικών. Προκειμένου να καθίσταται βιώσιμη η αξιοποίηση αυτή, θα πρέπει να προωθηθεί η βέλτιστη και διαδοχική αξιοποίηση διαφορετικών τύπων διατροφικών απορριμμάτων σε ευέλικτα βιοδιυλιστήρια προωθώντας τη μετάπτωση από τη γραμμική στην κυκλική βιοοικονομία.