Optimización de la sostenibilidad medioambiental y económica de productos hortícolas mediante el análisis de ciclo de vida

[SPA] Esta tesis doctoral se presenta bajo la modalidad de compendio de publicaciones. La huella de carbono global procedente de los sistemas agroalimentarios representa entre el 21 % y el 37 % (según metodología de cálculo) del total de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) a nivel mundial. Si los patrones de consumo actuales se mantienen y no se implementan acciones de mitigación, se espera un incremento de la presión ambiental de los sistemas agroalimentarios en las próximas décadas. Con una previsión de aumento de la población mundial hasta los 10 mil millones de habitantes para el año 2050 y un crecimiento medio de la economía en ese periodo entre 2,5 % y el 3,0 %, se espera que la demanda de alimentos aumente en un 70 %. Las emisiones netas totales GEI per cápita en la Unión Europea (UE-27) en 2013 se situaron en torno a las 8.04 toneladas de CO2 equivalente (tCO₂eq/habitante), de las cuales aproximadamente 3 tCO2eq correspondieron a sistemas alimentarios, aportando la producción agrícola un 67,3 %. Los insumos utilizados en la producción agrícola, como combustibles, fertilizantes y fitosanitarios son los mayores responsables de la mayoría de los impactos ambientales. Diversos estudios han identificado la fertilización como el mayor contribuyente a la huella ambiental. Las emisiones derivadas del uso del de fertilizantes contribuyen en mayor medida a las categorías de acidificación y a la eutrofización de aguas dulces. Además, las prácticas agrícolas intensivas favorecen la degradación del suelo, mientras que el uso de fitosanitarios y fertilizantes puede contaminar los recursos hídricos y reducir la biodiversidad. En algunas regiones, el sector agrícola también está asociado con el agotamiento de los recursos hídricos. En cuanto a la demanda de energía en la producción de alimentos, el consumo promedio por ciudadano europeo equivale a 23,6 GJ de energía embebida. La mayor presión proviene de la producción agrícola, que contribuye con un 33,4 %. Sin embargo, los procesos industriales posteriores a la cosecha, como la manipulación o procesado de alimentos (28,0 %), la distribución (10,7 %) y el envasado (9,5 %), representan casi la mitad de la energía total requerida por este sector. En lo que respecta al envasado, la industria alimentaria contribuye significativamente a la contaminación global debido a la gran cantidad de residuos de envases, predominando los de un solo uso. Principalmente se utilizan polímeros plásticos en la industria alimentaria por sus ventajas de bajo costo, peso ligero, flexibilidad y buenas propiedades de barrera mecánica. En la Unión Europea, el papel y el cartón (40,3 %) y los plásticos (19,0 %) representan las mayores proporciones de residuos de envases. Otro problema que requiere atención es la pérdida y desperdicio de alimentos a lo largo de la cadena de suministro, con estimaciones de alrededor de un tercio de la producción total de alimentos, lo que equivale a 1,3 mil millones de toneladas anuales a nivel mundial. La mayor parte del desperdicio alimentario ocurre en los hogares, donde los consumidores contribuyen con el 53 % del total, representando 43 millones de toneladas de alimentos anualmente. A nivel europeo, el coste asociado del desperdicio alimentario fue de 132 billones €, de los cuales un 60 % se les atribuye a los hogares. A nivel mundial, la huella de carbono de la pérdida y desperdicio de alimentos representa entre el 8 y el 10 % de las emisiones totales de GEI antropogénicos. En Europa, la huella de carbono asociada con el desperdicio de frutas y hortalizas es particularmente significativa debido su alto volumen, resultando en aproximadamente 130 millones de toneladas de CO2eq. La reducción del desperdicio alimentario representa una oportunidad significativa para que los participantes en la cadena de suministro logren una reducción de los costes y una reducción del impacto medioambiental. Por todo ello, esta tesis tiene como objetivo analizar la sostenibilidad ambiental y económica de diferentes productos hortícolas, con el fin de proponer soluciones con un enfoque holístico. Además, esta investigación busca cumplir con el Objetivo de Desarrollo Sostenible nº 12, centrado en la producción y el consumo sostenibles. Esto incluye promover prácticas sostenibles, reducir el desperdicio y asegurar el uso responsable de los recursos. Asimismo, esta investigación se alinea con los objetivos del Pacto Verde Europeo de la Comisión Europea, que establece una reducción del 55 % en las emisiones de GEI para 2030 y alcanzar la neutralidad de carbono para 2050. Para alcanzar estos objetivos, se adoptó un enfoque de pensamiento basado en el ciclo de vida. En esta tesis se emplearon dos herramientas metodológicas clave: principalmente se utilizó la herramienta de Análisis de Ciclo de Vida (ACV) ambiental y se complementó con la Evaluación de Costes de Ciclo de Vida (ECCV) ambiental, siguiendo las normas ISO 14040/44. Estas metodologías permiten identificar oportunidades de mejora, detectar los puntos críticos tanto ambientales como económicos, y encontrar situaciones que beneficien al consumidor y sector agroalimentario. El modelado de la ACV ambiental se realizó con el software SimaPro y se utilizaron principalmente las bases de datos de inventarios genéricos de Ecoinvent, ELCD y Agribalyse. En la presente tesis se llevaron a cabo cinco estudios que han dado lugar a 5 publicaciones (Q1 en JCR) que se describen a continuación. En un primer lugar, se evaluaron escenarios alternativos en la postcosecha de hortalizas frescas, concretamente en coliflor y brócoli, donde se consideró la materia prima para la producción de envases, la energía requerida en la industria de manipulación, el fin de vida de los residuos orgánicos y el transporte desde la mencionada industria hasta la puerta del supermercado (Capítulo I). En el escenario base contemplado, donde se utilizó exclusivamente la red eléctrica española como fuente energética y un transporte nacional en camiones diésel convencionales, la huella de carbono fue de 0,24 kg CO2eq/kg para la coliflor y 0,29 kg CO2eq/kg para la mezcla de brásicas, representando esta etapa postcosecha, entre el 41,3 % y el 44,6 % del impacto total desde la producción agrícola hasta el mercado. El envase secundario (la caja de cartón) fue el principal factor contribuyente al impacto ambiental, seguido por el transporte nacional, y el consumo de electricidad. Sin embargo, la huella ambiental logró reducirse en un 90 % al reemplazar la caja de cartón de un solo uso por una caja de plástico reutilizable, implantar combustibles alternativos como el gas natural comprimido y camiones híbridos para el transporte por carretera, utilizando el transporte multimodal para distribuciones internacionales y, en términos energéticos, la integración de fuentes renovables en el consumo eléctrico, incluyendo paneles fotovoltaicos y sistemas de refrigeración por absorción. Respecto a los residuos orgánicos generados por la industria, se evaluaron alternativas al compostaje, destacando que la alimentación animal generó los mayores ahorros ambientales, seguida por la producción de biogás. E n un segundo trabajo, se estudió la sostenibilidad ambiental y económica de hortalizas de IV gama y precocinadas, abordando desde la cuna hasta la puerta del supermercado, se encontraron diferencias significativas (Capítulo II). Las hortalizas de IV gama presentaron una huella de carbono de 0,72 kg CO2eq/kg, mientras que las precocinadas alcanzaron 0,86 kg CO2eq/kg. Esto se atribuyó a mayores recursos necesarios por unidad funcional en las hortalizas precocinadas, como el consumo adicional de electricidad para el escaldado y el tratamiento térmico, el uso de salsas y un mayor embalaje. Los principales puntos críticos ambientales estuvieron dominados por las etapas previas al procesado (“upstream”), específicamente la producción de hortalizas y envases, seguida por la etapa central o “core” dominada por el consumo de electricidad. En la evaluación económica, los costos fueron similares para ambos productos. Integrando el estudio ambiental y económico bajo el término de eco-eficiencia, se encontró que el impacto ambiental por euro gastado fue ligeramente menor para las hortalizas de IV gama (0,27 kg CO2eq/€) en comparación con las hortalizas precocinadas (0,28 kg CO2eq/€). La etapa de distribución fue la más eco-eficiente en ambos productos, mientras que la etapa "upstream" mostró el mayor impacto ambiental por euro gastado. El tercer trabajo amplió el enfoque de los dos trabajos anteriores, donde se calculó la monetización del impacto ambiental de hortalizas enteras frescas, hortalizas de IV gama y precocinadas (Capítulo III), revelando un costo de daño asociado de 0,16 €/kg en hortalizas enteras, 0,36 €/kg para IV gama y 0,41 €/kg para hortalizas precocinada. Los productos procesados tuvieron costos de daño más altos debido a que su impacto ambiental fue mayor en todas las categorías de impacto. Las categorías de impacto de combustibles fósiles, calentamiento global, material particulado fino y uso de la tierra fueron las que más contribuyeron a los costes externos (externalidades). Los costos totales para hortalizas enteras frescas fueron de 1,02 €/kg, mientras que para las cortadas y precocidas fueron de 2,99 €/kg y 3,43 €/kg, respectivamente. La contribución de las externalidades al coste total osciló entre el 12 % para las hortalizas precocinadas y el 16 % para las hortalizas frescas enteras. Para reducir el impacto ambiental de estos productos, y por tanto el costo del daño, se aconseja el uso de fertilizantes más sostenibles y el uso del uso racional del agua en la producción de estos cultivos, el uso de energía renovables durante su procesado y optar por vehículos que utilicen combustibles alternativos para su distribución, y mejorar la sostenibilidad ambiental de los envases mediante técnicas de eco-diseño. Por otro lado, esta tesis evaluó estrategias para minimizar el desperdicio alimentario en el hogar (Capítulo IV). Para ello, se plantearon diferentes formas de conservación, incluyendo el uso del embolsado utilizando bolsas biodegradables y diferentes temperaturas de refrigeración (5 °C y 7 °C) durante un máximo de 34 días en un frigorífico doméstico. Se realizó un ACV ambiental considerando toda la cadena de suministro del brócoli, de la cuna a la tumba, excluyendo la etapa de cocinado de éste. Además, se llevó a cabo una evaluación sensorial del producto para determinar el momento en que era descartado. La huella de carbono obtenida en el día 0, donde no se generaba desperdicio, fue de 0,81 kg CO2eq/kg, siendo la producción agrícola el principal contribuyente en todas las categorías de impacto (88,4 % a 94,3 %). Este resultado se originó principalmente por las emisiones asociadas con la producción de fertilizantes y el consumo de electricidad para riego. En cuanto al almacenamiento del brócoli, se obtuvo que, para periodos cortos de almacenamiento, dentro de los primeros 3 días, la huella ambiental fue más baja para el brócoli sin embolsar a 7 ºC. Esto se debió a la eliminación de la bolsa bioplástica y a una reducción en el consumo de electricidad para el enfriamiento, lo que resultó en una ligera disminución en la huella ambiental. Por otro lado, para periodos largos de almacenamiento, a partir del día 3, la huella más baja se observó en el brócoli embolsado a 5 ºC, lo que resultó en la menor cantidad de desperdicio durante todo el estudio. Reducir el desperdicio de alimentos a nivel doméstico tiene el potencial de disminuir significativamente el uso de recursos y, consecuentemente, el impacto ambiental global. Por último, dada la importancia del envase en el impacto medioambiental, la tesis abordó el estudio de la utilización de cajas reutilizables (Capítulo V). Para ello, se comparó el perfil ambiental de las cajas de un solo uso, como cartón y madera, frente a las cajas de plástico reutilizables, abordándose el trabajo desde la cuna hasta la tumba. Los resultados de este análisis demostraron que las cajas reutilizables tuvieron un impacto ambiental menor que las cajas de un solo uso para todas las categorías de impacto evaluadas. La huella de carbono obtenida por kilogramo de hortalizas transportadas fue de 6,02×10-3 kg CO2eq/kg para las cajas de plástico reutilizables, 5,88×10-2 kg CO2eq/kg para las cajas de madera y 1,86×10-1 kg CO2eq/kg para las cajas de cartón. Además, se realizó un análisis de sensibilidad para estudiar la influencia del número de rotaciones en los resultados obtenidos. De esta manera se determinó que se requiere un mínimo de 15 rotaciones para que las cajas de plástico reutilizables sean medioambientalmente mejores que las cajas de un solo uso. En resumen, esta tesis pone de manifiesto la utilidad de la metodología del concepto de ciclo de vida como herramienta útil para evaluar los impactos ambientales y económicos de los productos hortofrutícolas, permitiendo calcular las cargas ambientales, identificar las etapas críticas y determinar las categorías ambientales más afectadas. Como conclusión, estos resultados proporcionan pautas para mejorar la sostenibilidad ambiental y económica del sector hortofrutícola, subrayando la necesidad de adoptar prácticas agrícolas sostenibles, optimizar el uso de recursos en la cadena de suministro de alimentos y promover políticas que minimicen el desperdicio y el impacto ambiental, alineándose con los objetivos del Pacto Verde Europeo y los Objetivos de Desarrollo Sostenible.[ENG] This doctoral dissertation has been presented in the form of thesis by publication. The global carbon footprint from agri-food systems is estimated to account for a range of 21 to 37% of total global greenhouse gas (GHG) emissions. However, it is anticipated that the global GHG emissions derived from food production will increase in the coming years if mitigation actions are not taken. This rise is caused by global population growth (which is expected to reach over 9.6 billion by 2050) and economic expansion at a global average between 2.5-3.0% over the next decade, leading to a 70% increase in demand for food production driven by dietary changes and income growth. The total net GHG emissions per capita in the European Union (EU-27) in 2013 were around 8.04 tonnes of CO2 equivalent (tCO₂eq) per inhabitant, of which approximately 3 tCO₂eq were attributable to food systems, with agricultural production contributing 67.3%. The inputs used in agricultural production, such as fuels, fertilisers and pesticides, are responsible for the majority of environmental impacts. Several studies have identified fertilisation as the largest contributor to the environmental footprint. Emissions from fertiliser use contribute mostly to acidification and freshwater eutrophication impact categories. Furthermore, intensive agricultural practices promote soil degradation, while the use of pesticides and fertilisers can pollute water resources and reduce biodiversity. In some regions, the agricultural sector is also associated with water depletion due to excessive irrigation practices. In terms of energy demand in food production, the average consumption per European citizen is equivalent to 23.6 GJ of embedded energy. The greatest pressure comes from agricultural production, which contributes 33.4%. However, post-harvest industrial processes, such as food handling or processing (28.0%), distribution (10.7%) and packaging (9.5%), account for almost half of the total energy required by this sector. In terms of packaging, the food industry contributes significantly to global pollution due to the large amount of packaging waste, dominated by single-use packaging. Polymers are mainly used in the food industry because of their advantages: low cost, light weight, flexibility and good mechanical barrier properties. In the European Union, paper and board (40.3%) and plastics (19.0%) account for the largest proportions of packaging waste. Another problem that requires urgent attention is the problem of food loss and waste (FLW) along the supply chain. It is estimated that approximately one third of total food production is wastage, equivalent to 1.3 billion tonnes per year globally. Most food waste (FW) occurs in households, which consumers accounting for 53% of the total, accounting for 43 million tonnes of food annually. The associated cost of food waste at European level was €132 billion, of which 60% was attributed to households. Globally, the carbon footprint of FLW represents 8-10% of total anthropogenic GHG emissions. In Europe, the carbon footprint associated with fruit and vegetable waste is particularly significant due to the high volume of waste, resulting in approximately 130 million tonnes of CO2eq. Reducing food waste represents a significant opportunity for supply chain stakeholders to achieve cost savings and reduced environmental impact Therefore, this doctoral thesis aims to analyse the environmental and economic sustainability of different horticultural products to suggest sustainable alternatives with a holistic approach. Furthermore, this research aims to comply with Sustainable Development Goal (SDG) 12, which focuses on sustainable production and consumption. This includes promoting sustainable practices, reducing waste and ensuring responsible use of resources. Furthermore, this research aligns with the objectives of the European Commission's European Green Deal, which sets a 55% reduction in GHG emissions by 2030 and to achieve carbon neutrality by 2050. To achieve these goals, a life cycle thinking approach was adopted. Two tools were employed in this thesis: mainly the environmental Life Cycle Assessment (E-LCA) and complemented with the environmental Life Cycle Costing (E- LCC), both were carried out in accordance with ISO 14040/44 standards. These methodologies allow to identify opportunities for improvement, to detect environmental and economic hotspots, and to find situations that benefit the consumer and the agri-food sector. The modelling of the environmental E-LCA was carried out using SimaPro software, with the following databases being mainly used: Ecoinvent, ELCD and Agribalyse. Five studies were conducted in the present thesis, resulting in 5 JCR publications (Q1 in JCR) which are described below. Firstly, different alternative scenarios were evaluated in the post-harvest stage of fresh vegetables (cauliflower and broccoli), where in the scope were considered: raw material for packaging production, the energy required in the handling industry, the end-of-life (EoL) of organic waste and the transport from the handling industry to the market gate (Chapter I). In the base scenario, using for energy the Spanish grid, conventional diesel trucks for national distribution and biowaste composting, the carbon footprint was 0.24 kg CO2eq/kg for cauliflower and 0.29 kg CO2eq/kg for the brassica mix. This post-harvest stage represented between 41.3% and 44.6% of the total impact from agricultural production to the market. Secondary packaging (the cardboard box) was the main contributor to the environmental impact, followed by transport to the market, and electricity consumption. However, the carbon footprint was significantly reduced by 90% through the replacement of single-use cardboard boxes with a reusable plastic crate (RPCs), the implementation of alternative fuels such as compressed natural gas (CNG) and hybrid trucks for road transport, the utilization of multimoda transport for international distributions and, in terms of energy, the integration of renewable sources into the Spanish electricity grid, including photovoltaic panels and absorption cooling systems. Furthermore, alternative methods to composting were considered for organic waste generated by the fresh vegetable industry. It was found that animal feed represented the most environmentally beneficial option, followed by biogas production. Secondly, the environmental and economic sustainability of fresh-cut and pre-cooked vegetables (cradle-to-market) was carried out, founding significant differences (Chapter II). Fresh-cut vegetables had a carbon footprint of 0.72 kg CO2eq/kg, while pre-cooked vegetables had a carbon footprint of 0.86 kg CO2eq/kg. This was attributed to the higher resource requirements per functional unit (FU) for pre-cooked vegetables, such as additional electricity consumption for heat treatment, use of sauces and higher packaging. The main environmental hotspots were dominated by the upstream stages, specifically the production of vegetables and packaging, followed by the core stage dominated by electricity consumption. In the economic assessment, costs were similar for both products. By integrating E-LCA and E-LCC in one term eco-efficiency, it was found that the environmental impact per euro spent was slightly lower for fresh-cut vegetables (0.27 kg CO2eq/€) compared to pre-cooked vegetables (0.28 kg CO2eq/€) The distribution stage was found to be the most eco-efficient for both products, while the upstream stage showed the highest environmental impact per euro spent. In a third study, the approach of two previous studies were extended, where the monetisation of the environmental impact of whole fresh, fresh-cut and pre-cooked vegetables was also calculated (Chapter III), resulting in associated damage cost of 0.16 €/kg for whole vegetables, 0.36 €/kg for fresh-cut vegetables and 0.41 €/kg for pre-cooked vegetables. The damage costs associated with processed products were higher than whole vegetables. This was because the environmental impact of processed products was higher in all impact categories. The impact categories of fossil fuels, global warming, fine particulate matter and land use contributed the most to damage costs (externalities). The total costs for whole vegetables were 1.02 €/kg, while for cut and pre-cooked vegetables they were 2.99 €/kg and 3.43 €/kg, respectively. The contribution of damage costs to the total costs ranged from 12% for pre-cooked vegetables to 16% for whole fresh vegetables. On the other hand, this thesis evaluated strategies to minimise FW at the household stage (Chapter IV). For this purpose, a number of different methods for storing fresh broccoli were considered. These included the use of biodegradable bags for bagging, and the use of different refrigeration temperatures (5 °C and 7 °C) for up to 34 days in a domestic refrigerator. An environmental LCA was conducted considering the entire broccoli supply chain, (cradle-to-grave), excluding the cooking of the broccoli. Furthermore, a sensory evaluation of the product was conducted to determine the moment at which it was discarded. The carbon footprint obtained on day 0, where no waste was generated, was 0.81 kg CO2eq/kg, with agricultural production being the main contributor in all impact categories (88.4% to 94.3%). This result is predominantly attributable to emissions associated with fertilisation and electricity consumption for irrigation Regarding broccoli storage, it was found that for short storage periods, within the first 3 days, the lowest environmental footprint was observed for unbagged broccoli at 7 °C. This was due to the avoidance of the bioplastic bag and a reduction of electricity consumption for cooling, which resulted in a slight decrease in the environmental footprint. On the other hand, for long storage periods, from day 3 onwards, the lowest footprint was observed for broccoli bagged at 5 °C, resulting in the least amount of waste during the entire study. Reducing FW at the household level has the potential to significantly reduce resource use and, consequently, the overall environmental impact. Finally, given the importance of packaging, the environmental profile of single-use crates, such as cardboard and wood, was compared with RPCs from cradle-to-grave (Chapter V). The results of this analysis showed that RPCs had a lower environmental impact than single-use crates for all impact categories assessed. The carbon footprint obtained per kilogram transported vegetable was 6.02×10-3 kg CO2eq/kg for RPCs, 5.88×10-2 kg CO2eq/kg for wooden boxes and 1.86×10-1 kg CO2eq/kg for cardboard boxes. In addition, a sensitivity analysis was carried out to study the influence of the number of rotations on the results obtained. It was determined that for the RPCs to be more environmentally friendly than the single-use crates, a minimum of 15 rotations was required. In summary, this thesis highlights the usefulness of the life cycle thinking methodology as a useful tool to assess the environmental and economic impacts of horticultural products, allowing the calculation of the environmental impacts, identify the hotspots stages and determine the most affected environmental categories. In conclusion, these results provide guidelines for improving the environmental and economic sustainability of the horticultural sector, emphasizing the need to adopt sustainable agricultural practices, optimise the use of resources in the food supply chain (FSC) and promote policies that minimise waste and environmental impacts, in line with the objectives of the European Green Pact and the SDG.13

Author

• Rasines Elena, Laura

• Producción de alimentos
• Análisis de Ciclo de Vida (ACV)
• Calidad
• Eco-eficiencia
• Energías renovables
• Sistemas agroalimentarios
• Huella de carbono
• Impacto ambiental
• Sostenibilidad medioambiental

Identifier

hdl:10317/17774

OAI identifier oai:identifier

oai:repositorio.upct.es:10317/17774