Use of by-products generated in the processing of coffee berries: A review

Authors

  • Marcelo Paiva Foresti Junior Universidade Federal de Lavras/UFLA, Departamento de Engenharia Ambiental/DAM. Lavras,MG, Brasil. https://orcid.org/0000-0002-6000-0913
  • Juliano Curi de Siqueira Universidade de São Paulo/EESC-USP, Departamento de Hidráulica e Saneamento/SHS, Escola de Engenharia de São Carlos. São Carlos, SP, Brasil. https://orcid.org/0000-0002-6346-8917
  • Aline dos Reis Souza Universidade Federal de Lavras/UFLA, Departamento de Engenharia Ambiental/DAM. Lavras,MG, Brasil. https://orcid.org/0000-0002-9643-3614
  • Mateus Pimentel de Matos Universidade Federal de Lavras/UFLA, Departamento de Engenharia Ambiental/DAM. Lavras,MG, Brasil. https://orcid.org/0000-0001-8384-7466
  • Ronaldo Fia Universidade Federal de Lavras/UFLA, Departamento de Engenharia Ambiental/DAM. Lavras,MG, Brasil. https://orcid.org/0000-0001-6824-0869

DOI:

https://doi.org/10.25186/.v18i.2101

Abstract

Coffee production plays an essential role in the Brazilian economy, and a large production centre is located in Minas Gerais. In recent years, there has been an increase in coffee cultivation, consequently generating coffee wastewater (CW) and solid waste (skin, pulp, parchment, and dregs) during the processing stage. Thus, the present review study seeks to characterize these by-products from the coffee production chain and present their possible applications in agribusiness and other sectors towards a circular economy, mainly related to reuse as fertilizer or energy and biomaterial recovery. CW treatment is complex given the high concentrations of organic matter, phenols, and nutrients, especially potassium. Still, its use as a liquid fertilizer is highly recommended as it can increase crop yield. In this regard, CW should be applied to soil according to nutritional criteria, with potassium as the reference chemical element. The wastewater production and its potential for soil contamination can be reduced by applying biological, physical, or chemical treatment along with recirculation routes during the washing/peeling/pulping of coffee berries. Moreover, the solid waste from coffee production can be used for energy generation, wastewater treatment (as an organic filter material or biochar), and as organic fertilizer (in natura or composted).

Key words: Coffee wastewater; fertigation; nutrients; recirculation; agro-industrial solid waste.

References

BALLADARES, E. et al. Neutralization and co-precipitation of heavy metals by lime addition to effluent from acid

plant in a copper smelter. Minerals Engineering, 122:122-129, 2018.

Use of by-products generated in the processing of coffee berries: A review BATTISTA, F. et al. Biodiesel, biogas and fermentable

sugars production from spent coffee grounds: A cascade biorefinery approach. Bioresource Technology, 342:125952, 2021.

BLINOVÁ, L. et al. Review: Utilization of waste from coffee production. Faculty of Materials Science and Technology in Trnava; Slovak University of Technology in Bratislava, 25(40):91-101, 2017.

BOMFIM, A. S. C. de. et al. Spent coffee grounds characterization and reuse in composting and soil amendment. Waste, 1(1):2-20, 2022.

BONDAM, A. F. et al. Phenolic compounds from coffee by-products: Extraction and application in the food and pharmaceutical industries. Trends in Food Science & Technology, 123:172-186, 2022.

BOSA, I. R. et al. Coffee straw mineralization applied to the soil surface. Emirates Journal of Food and Agriculture,

(5):380-385, 2019.

BRAHAM, J. E.; BRESSANI, R. Pulpa de cafe: Composición, tecnologia y utilización. Guatemala City, Guatemala: INCAP – Instituto de Nutrición le Centro América y Panamá, 1978. 152p.

BRANDÃO, V. dos S. et al. Tratamento de águas residuárias da suinocultura utilizando-se filtros orgânicos. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 4(3):327-333, 2000.

BRAZILIAN CONFEDERATION OF AGRICULTURE AND LIVESTOCK. Gross value of agricultural production (GPV) – Dec/2021. Data report. 2021. Available in: <https://brazilianfarmers.com/category/datareports>. Accessed on: May 24, 2023.

CAMPOS, R. C. et al. New sustainable perspectives for “Coffee Wastewater” and other by-products: A critical

review. Future Foods, 24:100058, 2021.

CASTILHOS, R. M. V. et al. Distribution and characterization of humic substances in animal and plant vermicompost. Revista Brasileira de Ciência do Solo, 32:2669-2675, 2008.

CASTILLO, N. E. T. et al. Exploring the potential of coffee husk as caffeine bio-adsorbent: A mini-review. Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 3:100070, 2021.

CHING, S. L. et al. Influence of impregnation ratio on coffee ground activated carbon as landfill leachate adsorbent for removal of total iron and orthophosphate. Desalination, 279(1-3):225-234, 2011.

COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO - CONAB –1º Levantamento de Café – Safra 2022: Tabela de dados – Produção e análise de mercado de café. Data report. 2022. Available in: <https://www.conab.gov.br/info-agro/safras/cafe/boletim-da-safra-de-cafe>.

Access in: May 24, 2023.

COMPANHIA NACIONAL DE ABASTECIMENTO – CONAB. Boletim da safra de café 4º Levantamento de Café – Safra 2021: Tabela de dados – Produção e análise de mercado de café. Data report. 2021. Available in: <https://www.conab.gov.br/info-agro/safras/cafe/boletimda-

safra-de-cafe>. Access in: May 24, 2023.

CRUZ, S.; CORDOVIL, C. M. S. do. Espresso coffee residues as a nitrogen amendment for small-scale vegetable production. Journal of the Science of Food and Agriculture, 95(15):3059-3066, 2015.

CUNHA, F. F. et al. Uniformidade de distribuição em sistemas de irrigação por gotejamento utilizando água residuária da despolpa dos frutos do cafeeiro. Acta Scientiarum. Agronomy, 28(1):143147, 2006.

DAS, S. Review post-harvest processing of coffee: An overview. Coffee Science, 16:e161976, 2021.

DURÁN, C. A. A. et al. Café: Aspectos gerais e seu aproveitamento para além da bebida. Revista Virtual de Química, 9(1):107-134, 2017.

EUSTÁQUIO JÚNIOR, V. et al. Aeration system efficiency of the cascades in the coffee wastewater treatment. Coffee Science, 9(4):435-444, 2014.

FERNANDES, A. L. T. et al. Redução da adubação mineral do cafeeiro arábica com a utilização de palha de café. Coffee Science, 8(3):324-336, 2013.

FIA, R. et al. Coeficientes de degradação da matéria orgânica de água residuária da lavagem e descascamento dos frutos

do cafeeiro em condições anóxica e aeróbia. Engenharia na Agricultura, 15(1):45-54, 2007.

FIA, R. et al. Desempenho agronômico da Typha sp. e Aternanthera philoxeroides Mart utilizadas no tratamento de águas residuárias da lavagem e descascamento/despolpa dos frutos do cafeeiro em sistemas alagados construídos. Engenharia na Agricultura, 16(4):436-448, 2008.

FIA, R. et al. Desempenho de forrageiras em sistemas alagados de tratamento de águas residuárias do processamento do café. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 14(8):842-847, 2010a.

FORESTI JUNIOR. et al. FIA, F. R. L. et al. Remoção de compostos fenólicos em reatores anaeróbios de leito fixo com diferentes materiais

suporte. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 14(10):1079-1086, 2010b.

FIA, R. et al. Desempenho de filtros anaeróbios no tratamento de águas residuárias da lavagem e descascamento dos frutos do cafeeiro. Engenharia na Agricultura, 19(1):62-71, 2011.

GARCIA, G. de O. et al. Alterações químicas em três solos decorrentes da aplicação de águas residuárias da lavagem

e despolpa de frutos do cafeeiro conilon. Engenharia na Agricultura, 16(4):416-427, 2008.

GEBREEYESSUS, G. D. Towards the sustainable and circular bioeconomy: Insights on spent coffee grounds valorization. Science of The Total Environment, 833:155113, 2022.

GONZÁLEZ-MORENO, M. A. et al. Feasibility of vermicomposting of spent coffee grounds and silverskin from coffee industries: A laboratory study. Agronomy, 10(8):1125, 2020.

HALL, R. D.; TREVISAN, F.; VOS, R. C. H. de. Coffee berry and green bean chemistry – Opportunities for improving cup quality and crop circularity. Food Research International, 151:110825, 2022.

HANC, A. et al. Conversion of spent coffee grounds into vermicompost. Bioresource Technology, 341:125925, 2021.

HOSEINI, M. et al. Coffee by-products derived resources. A review. Biomass and Bioenergy, 148:106009, 2021.

IJANU, E. M.; KAMARUDDIN, M. A.; NORASHIDDIN, F. A. Coffee processing wastewater treatment: A critical review on current treatment technologies with a proposed alternative. Applied Water Science, 10:11, 2020.

INTERNATIONAL COFFEE ORGANIZATION - ICO . Processamento no campo. 2022. Available in: < https://www.ico.org/pt/field_processing_p.asp>. Access in: May 25, 2023.

JAYACHANDRA, T.; VENUGOPAL, C.; APPAIAH, K. A. A. Utilization of phytotoxic agro waste: coffee cherry husk through pretreatment by the ascomycetes fungi Mycotypha for biomethanation. Energy for Sustainable Development, 15(1):104-108, 2011.

JORDÃO, E. P.; PESSÔA, C. A. Tratamento de esgotos domésticos. 4. ed. Rio de Janeiro: ABES – Associação Brasileira de Engenharia Sanitária, 2005. 932p.

JÓŹWIAK, T. et al. The use of spent coffee grounds and spent green tea leaves for the removal of cationic dyes from aqueous solutions. Scientific Reports, 11:9584, 2021.

KONDO, M. M. et al. Processos fenton e foto-fenton no tratamento de águas residuárias dos frutos do cafeeiro. Coffee Science, 9(4):506-515, 2014.

LO MONACO, P. A. et al. Características químicas do solo após fertirrigação do cafeeiro com águas residuárias da lavagem e descascamento de seus frutos. IRRIGA – Brazilian Journal of Irrigation and Drainage, 14(3):348-364, 2009.

LO MONACO, P. A. et al. Avaliação do efeito da irrigação no estado nutricional do cafeeiro após fertirrigação com água

residuária. Coffee Science, 6(1):75-82, 2011.

LO MONACO, P. A. et al. Avaliação da relação C/N e da qualidade do composto produzido em leiras de compostagem de carcaça e diferentes camas de criatório de frangos. Engenharia na Agricultura, 21(6):563-573, 2013.

MAGALHÃES, M. A.; LO MONACO, P. A. V.; MATOS, A. T. de. Uso de filtros orgânicos na remoção de óleos e graxas presentes na água

residuária de suinocultura. Engenharia na Agricultura, 21(4):387-395, 2013.

MAHMOUD, E.; ATABANI, A. E.; BADRUDDIN, I. A. Valorization of spent coffee grounds for biogas production: A circular bioeconomy approach for a biorefinery. Fuel, 328:125296, 2022.

MALTA, M. R. et al. Qualidade sensorial do café de lavouras em conversão para o sistema de produção orgânico.

Bragantia, 67(3):775-783, 2008.

MARQUES, M. V. A. et al. Potencial, economia de água e adubação com a aplicação de efluente do tratamento preliminar de esgoto doméstico na fertirrigação de capimelefante. HOLOS, 2:52-64, 2017.

MATOS, A. T. de.; MAGALHÃES, M. A.; FUNAKAGA, D. C. Remoção de sólidos em suspensão na água residuária da despolpa de frutos do cafeeiro em filtros constituídos por pergaminho de grãos de café submetido a compressões. Engenharia Agrícola, 26(2):610-616,

MATOS, A. T. de; MAGALHÃES, M. A.; SARMENTO, A. P. Perda de carga em filtros orgânicos utilizados no tratamento de água residuária de suinoculturas. Engenharia Agrícola, 30(3):527-537, 2010.

Use of by-products generated in the processing of coffee berries: A review MATOS, A. T. et al. Alteração de atributos químicos no

solo de rampas utilizadas no tratamento de águas residuárias. Revista Brasileira de Engenharia Agrícola e Ambiental, 9(3):406-412, 2005.

MATOS, A. T. et al. Tratamento da água para reuso no descascamento/despolpa dos frutos do cafeeiro. Engenharia na Agricultura, 15(2):173-178, 2007a.

MATOS, A. T. et al. Efeito da concentração de coagulantes e do pH da solução na turbidez da água, em recirculação, utilizada no processamento dos frutos do cafeeiro. Engenharia Agrícola, 27(2):544-551, 2007b.

MATOS, A. T.; LO MONACO, P. A.; SILVA, J. S. Tratamento de águas residuárias. In: SILVA, J. S. (Ed.). Secagem e armazenagem de café: Tecnologias e custos. Viçosa, MG: Jard Editora Ltda., cap.6, p. 149-162, 2001.

MATOS, A. T. Poluição ambiental: Impactos no meio físico. Viçosa: Editora UFV, 2010. 264 p.

MATOS, A. T.; MATOS, M. P. Disposição de águas residuárias no solo e em sistemas alagados construídos. Viçosa: Editora UFV, 2017. 371p.

MORELI, A. P. et al. Análise de alternativa para a redução do consumo de água na unidade de processamento dos frutos do cafeeiro via úmida. In: CONGRESSO DE ENGENHARIA AGRÍCOLA - CONBEA. A engenharia agrícola e desenvolvimento das propriedades

familiares. Vitória, ES: Incaper, 2010. 8p.

MUNIRWAN, R. P. et al. Utilization of coffee husk ash for soil stabilization: A systematic review. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C, 128:103252, 2022.

MURTHY, P. S.; NAIDU, M. Sustainable management of coffee industry by-products and value addition: A review. Resources, Conservation and Recycling, 66:45-58, 2012.

NAMANE, A. et al. Determination of the adsorption capacity of activated carbon made from coffee grounds by chemical activation with ZnCl2 and H3PO4. Journal of Hazardous Materials, 119(1-3):189-194, 2005.

NGUYEN, V. et al. Biochar derived from the spent coffee ground for ammonium adsorption from aqueous solution.

Case Studies in Chemical and Environmental Engineering, 4:100141, 2021.

OLIVEIRA, G. A. et al. Biochar obtained from spent coffee grounds: Evaluation of adsorption properties and its application in a voltammetric sensor for lead (II) ions. Microchemical Journal, 165:106114, 2021.

PEREIRA, G. V. de M. et al. Exploring the impacts of postharvest processing on the aroma formation of coffee

beans: A review. Food Chemistry, 272:441-451, 2019.

PICCOLO, M. A. et al. Produção de forragem verde hidropônica de milho, utilizando substratos orgânicos e água residuária de bovinos. Ceres, 60(4):544-551, 2013.

PIN, B. V. R. da. et al. Energetic use of biogas from the anaerobic digestion of coffee wastewater in southern Minas Gerais, Brazil. Renewable Energy, 146:2084-2094, 2020.

PRADO, M. A. C.; CAMPOS, C. M. M.; SILVA, J. F. da. Estudo da variação da concentração de metano no biogás produzido a partir das águas residuárias do café. Ciência e Agrotecnologia, 34(2):475-484, 2010.

PRASAD, H. et al. Lime treatment of wastewater in a plywood industry to achieve the zero liquid discharge. Journal of Cleaner Production, 240:118176, 2019.

PREZOTTI, L. C. et al. Teores de nutrientes nas águas residuárias do café e características químicas do

solo após sua aplicação. Vitória, ES: Incaper, 2012. 24p.

PROTÁSIO, T. P. de. et al. Correlações canônicas entre as características químicas e energéticas de resíduos lignocelulósicos. CERNE, 18(3):433-439, 2012.

REFFAS, A. et al. Carbons prepared from coffee grounds by H3PO4 activation: Characterization and adsorption of methylene blue and Nylosan Red N-2RBL. Journal of Hazardous Materials, 175(1-3):779-788, 2010.

RIBEIRO, J. P. et al. Effect of industrial and domestic ash from biomass combustion, and spent coffee grounds, on soil fertility and plant growth: Experiments at field conditions. Environmental Science and Pollution Research, 24:15270-15277, 2017.

RIBEIRO, M. S. et al. Efeitos de águas residuárias de café no crescimento vegetativo de cafeeiros em seu primeiro ano.

Engenharia Agrícola, 29(4):569-577, 2009.

RIGUEIRA, R. J. A. de. et al. Alteração nas características físicas, químicas e bioquímicas da água no processo de lavagem, despolpa e desmucilagem de frutos do cafeeiro. Engenharia na Agricultura, 18(2):131-139, 2010.

ROSSMANN, M. et al. Performance of constructed wetlands in the treatment of aerated coffee processing wastewater: Removal of nutrients and phenolic compounds. Ecological Engineering, 49:264-269, 2012.

ROSSMANN, M. et al. Effect of influent aeration on removal of organic matter from coffee processing wastewater

in constructed wetlands. Journal of Environmental Management, 128:912-919, 2013.

SABOGAL-OTÁLORA, A. M.; PALOMO-HERNÁNDEZ, L. F.; PIÑEROS-CASTRO, Y. Sugar production from husk coffee using combined pretreatments. Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 176:108966, 2022.

SEDIYAMA, M. A. N. et al. Uso de fertilizantes orgânicos no cultivo de alface americana (lactuca sativa l.) ‘kaiser’.

Revista Brasileira de Agropecuária Sustentável, 6(2):66-74, 2016.

SILVA, V. G. da. et al. Monitoring of physical, chemical, and biological parameters of a hibrid anaerobic reactor (HAR) in

pilot scale, treating wastewater from wet coffee production. Ciência e Agrotecnologia, 34(1):204-211, 2010.

SOARES, S. F. et al. Produção de café cereja descascado com gasto mínimo de água. Informe Agropecuário, 36(285):50-58, 2015.

SRISANG, S. et al. Charcoal briquette production from waste in the coffee production process using hydrothermal and torrefaction techniques: A comparative study with carbonization technique. Journal of Cleaner Production, 372:133744, 2022.

TEIXEIRA, D. L.; MATOS, A. T.; ROSSMANN, M. Ácido fólico no tratamento de água residuária do café processado por via úmida. Coffee Science, 7(1):91-98, 2012.

TEIXEIRA, D. L.; MATOS, A. T.; MELO, E. de C. Gradiente de pressão estática do ar forçado em camadas de resíduos orgânicos misturados com diferentes proporções de cama de frango. Engenharia Agrícola, 36(2):309-317, 2016.

UNITED STATES DEPARTMENT OF AGRICULTURE - USDA. Brazil’s Momentum as a global agricultural supplier faces

headwinds. 2022. Available in: <https://www.ers.usda.gov/amber-waves/2022/september/brazil-s-momentum-as-a-globalagricultural-

supplier-faces-headwinds>. Access in: May 24, 2023.

VALE, A. T. do. et al. Caracterização energética e rendimento da carbonização de resíduos de grãos de café (coffea arabica, L) e de madeira (Cedrelinga catenaeformis), duke. CERNE, 13(4):416-420, 2007.

VILLANUEVA-RODRÍGUEZ, M. et al. Discoloration and organic matter removal from coffee wastewater by electrochemical advanced oxidation processes. Water, Air, & Soil Pollution, 225:2204, 2014.

VÍTĚZ, T. et al. On the spent coffee grounds biogas production. Acta Universitatis Agriculturae et Silviculturae Mendelianae Brunensis, 64(4):1279-1282, 2016.

VON SPERLING, M. Introdução à qualidade das águas e ao tratamento de esgotos: Princípios do tratamento biológico de águas residuárias. 4. ed. Belo Horizonte: Editora UFMG, 2014. 472p.

WU, H. et al. Effect of processing on bioaccessibility and bioavailability of bioactive compounds in coffee beans. Food Bioscience, 46:101373, 2022.

YEN, P. et al. Removal of nano-sized polystyrene plastic from aqueous solutions using untreated coffee grounds. Chemosphere, 286:131863, 2022.

ZHANG, L.; SUN, X. Using cow dung and spent coffee grounds to enhance the two-stage co-composting of green waste. Bioresource Technology, 245:152-161, 2017

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Published

2023-07-17

How to Cite

FORESTI JUNIOR, M. P.; SIQUEIRA, J. C. de; SOUZA, A. dos R.; MATOS, M. P. de .; FIA, R. Use of by-products generated in the processing of coffee berries: A review. Coffee Science - ISSN 1984-3909, [S. l.], v. 18, p. e182101, 2023. DOI: 10.25186/.v18i.2101. Disponível em: https://coffeescience.ufla.br/index.php/Coffeescience/article/view/2101. Acesso em: 30 sep. 2023.

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Article Review