Integrated process development and techno-economic optimization for the valorization of industrial potato peel waste

Abstract

One third of produced food is discarded, along with millions of tons of potato peel waste. As the peels contain bioactive polyphenols used across several industries, their recovery has increasingly been studied to reduce market prices and improve potato processors’ profitability. While current extraction studies either neglect techno-economic feasibility or lack process development and optimization, this Thesis compared novel ultrasound-assisted extraction (UAE) and conventional heat reflux extraction (HRE) along with two pretreatment options (wet, dry), and optimized the process for techno-economic performance. Design of experiments coupled with techno-economic analysis optimized the key factors affecting profitability and selectivity as follows: drying and milling pretreatments, two HRE steps with 10-min residence time each at 60 °C, L/S ratio of 8 ml/g, and 50 % ethanol-water solvent. After a washing step, the process recovered 96 % of extractable polyphenols, comprising 0.73, 0.16, and 0.76 mg/gdb of chlorogenic acid, caffeic acid, and α-chaconine, with a total phenolic content of 4.82 mgGAE/gdb. The estimated production cost was 12 €/kgextract. Low L/S ratio was identified as critical for process economics, while a biorefinery approach, producing polyphenols, biochar, and fertilizer, may further improve viability. UAE remained less practical, requiring further optimization against techno-economic indicators and selectivity. Although pilot experiments and purification process development remained uninvestigated, the designed process appeared technically and economically feasible and could therefore recover valuable components from industrial potato peel waste while simultaneously contributing to the circular economy and reduction of food waste.

Kolmasosa tuotetusta ruoasta hävitetään, mukaan lukien miljoonia tonneja perunankuorta. Koska kuoret sisältävät useilla eri teollisuudenaloilla hyödynnettäviä bioaktiivisia polyfenoleja, niiden talteenottoa on tutkittu yhä enemmän markkinahinnan alentamiseksi ja perunajalostajien kannattavuuden parantamiseksi. Nykyiset uuttotutkimukset eivät kuitenkaan huomioi teknis-taloudellista kannattavuutta, tai sisällä prosessinkehitystä ja optimointia. Tässä opinnäytetyössä verrattiin modernia (ultraääni-avusteinen, UAE) ja perinteistä (kuumarefluksi, HRE) uuttomenetelmää sekä kahta esikäsittelymenetelmää (märkä, kuiva), ja optimoitiin prosessi teknis-taloudellisesta näkökulmasta. Koesuunnittelu (DoE), yhdistettynä teknis-taloudelliseen analyysiin, optimoi prosessin kannattavuuteen ja selektiivisyyteen vaikuttavat avaintekijät seuraavasti: kuivaus ja jauhatus esikäsittelyinä, kaksi HRE-vaihetta 10 minuutin viipymäajoilla, 60 °C, L/S suhde 8 ml/g, ja 50 % etanoli-vesiliuotin. Pesuvaiheen jälkeen uuttuvien polyfenolien saanto oli 96 %, sisältäen 0.73, 0.16, ja 0.76 mg/gdb klorogeenihappoa, kahvihappoa, ja α-kakoniinia, kokonaisfenolipitoisuuden ollessa 4.82 mgGAE/gdb. Tuotantokustannusarvio oli 12 €/kgekstrakti. Matala L/S suhde tunnistettiin merkittäväksi prosessitalouden kannalta, ja polyfenoleja, biohiiltä, ja biolannoitetta tuottava biojalostamokonsepti voi edelleen parantaa kannattavuutta. UAE osoittautui vähemmän käytännölliseksi, vaatien lisäoptimointia teknistaloudellisten indikaattoreiden ja selektiivisyyden osalta. Vaikka pilotointia ja tuotteen puhdistusprosessin kehitystä ei tutkittu, suunniteltu prosessi vaikutti teknis-taloudellisesti toteuttamiskelpoiselta mahdollistaen arvokkaiden yhdisteiden talteenoton teollisuuden perunankuorijätteestä, edistäen samalla kiertotaloutta ja vähentäen ruokajätettä.