Life Cycle Assessment of Bioconversion of Agri-Food Production Residues: Evaluation and Improvement of Energy and Environmental Sustainability

This thesis evaluates the environmental performance of frozen horticultural production systems and explores the potential of Black Soldier Fly Larvae (BSFL) bioconversion as an innovative approach to agro-industrial residue valorization. Using the Life Cycle Assessment (LCA) method, the study identifies key environmental hotspots across the horticultural supply chains. Primary data were collected from a representative Italian agricultural consortium specializing in frozen vegetable production. The findings reveal that cultivation is a major contributor to environmental impacts, particularly in integrated farming systems, due to agrochemical inputs and related emissions. While organic farming showed relatively lower environmental impacts, limitations like small sample sizes necessitate further research to ensure robust comparisons. Processing phases were also identified as hotspots, driven by energy-intensive operations and relative low transformation efficiency. Valorizing these residues can improve system sustainability. BSFL bioconversion was evaluated as a residue valorization strategy to produce insect biomass. A mass rearing prototype system was designed and tested with the residues and liquid digestate. While results showed promising substrate reduction and larval growth performance, environmental impacts were dominated by electricity for climate control. BSFL protein and fat had higher impacts than conventional protein and fat sources. BSFL also had a higher impact than anaerobic digestion (AD) for residue management. Integrating residual heat from AD emerged as a key strategy to reduce these impacts and make BSFL competitive. The study also identified synergies between BSFL and AD, where BSFL frass serves as a feedstock for biogas production, further promoting circularity. Despite its current challenges, such as high energy consumption and regulatory barriers, BSFL can be a sustainable protein and fat option. The study underscores the importance of holistic approaches, including improving energy efficiency, adopting precision farming techniques, and integrating BSFL systems to enhance the environmental sustainability of frozen horticultural production chains. This work provides a basis for future studies to refine BSFL technologies and develop scalable and sustainable systems.

Questa tesi valuta le prestazioni ambientali dei sistemi di produzione orticola congelati ed esplora il potenziale della bioconversione delle larve della mosca soldato nera (BSFL) come approccio innovativo alla valorizzazione dei residui agroindustriali. Utilizzando il metodo dell'analisi del ciclo di vita (LCA), lo studio identifica i principali punti critici ambientali lungo le filiere orticole. I dati primari sono stati raccolti da un consorzio agricolo italiano rappresentativo, specializzato nella produzione di ortaggi surgelati. I risultati rivelano che la coltivazione è uno dei principali fattori di impatto ambientale, in particolare nei sistemi di agricoltura integrata, a causa degli input agrochimici e delle relative emissioni. Sebbene l'agricoltura biologica abbia mostrato impatti ambientali relativamente più bassi, limitazioni come le piccole dimensioni del campione richiedono ulteriori ricerche per garantire confronti solidi. Anche le fasi di lavorazione sono state identificate come punti critici, a causa delle operazioni ad alta intensità energetica e della relativa bassa efficienza di trasformazione. La valorizzazione di questi residui può migliorare la sostenibilità del sistema. La bioconversione della BSFL è stata valutata come strategia di valorizzazione dei residui per produrre biomassa di insetti. È stato progettato e testato un sistema prototipo di allevamento di massa con i residui e il digestato liquido. Mentre i risultati hanno mostrato una promettente riduzione del substrato e prestazioni di crescita larvale, gli impatti ambientali sono stati dominati dall'elettricità per il controllo del clima. Le proteine e i grassi del BSFL hanno avuto un impatto maggiore rispetto alle fonti di proteine e grassi convenzionali. Anche la BSFL ha avuto un impatto maggiore rispetto alla digestione anaerobica (AD) per la gestione dei residui. L'integrazione del calore residuo della DA è emersa come una strategia chiave per ridurre questi impatti e rendere competitiva la BSFL. Lo studio ha anche identificato le sinergie tra BSFL e AD, dove la cenere di BSFL serve come materia prima per la produzione di biogas, promuovendo ulteriormente la circolarità. Nonostante le sfide attuali, come l'elevato consumo energetico e le barriere normative, la BSFL può essere un'opzione sostenibile per le proteine e i grassi. Lo studio sottolinea l'importanza di approcci olistici, tra cui il miglioramento dell'efficienza energetica, l'adozione di tecniche di agricoltura di precisione e l'integrazione di sistemi di BSFL per migliorare la sostenibilità ambientale delle filiere orticole surgelate. Questo lavoro fornisce una base per studi futuri volti a perfezionare le tecnologie BSFL e a sviluppare sistemi scalabili e sostenibili.