Upscaling Strategy for Bio-based Volatile Fatty Acids from Industrial Wastes and Residual Streams

Volatile fatty acids (VFAs) are versatile chemical building blocks traditionally synthesised from petroleum-based sources via chemical routes. Microbial Mixed culture (MMC) tailored-anaerobic digestion (AD) represents the most promising technology to shift towards bio-based VFA production from industrial wastes and residual streams. However, two main bottlenecks, i.e., low production yield and scalability, prevent the full implementation of the process. Research efforts have been mainly devoted to optimising VFA production efficiency by tuning the operational parameters (pH, retention time, type of substrate). Nonetheless, there is a literature gap regarding process upscaling from small reactor volumes and short-term experiments to larger and long-term setups. In the current study, the transition from batch to anaerobic sequencing batch reactor (AnSBR) was evaluated by targeting increasing efficiency. The first phase tested the acidogenic batch fermentation of regular acidic whey, lactose-free (LF) acidic whey, and vinasse under initial pH 5 and 9 for 15 days. The two dairy effluents achieved maximum VFA concentrations of 11.170 and 11.677 g COD-VFA/L under acidic environments (pH 4-5) and long retention times (15 and 11 days, respectively). These substrates were found to be more promising than vinasse, whose maximum production was 10.761 g COD-VFA/L obtained on day 5 under slightly alkali conditions. The VFA profile of the final mixtures was markedly influenced by the type of substrate exploited as the feedstock. As for LF acidic whey, butyrate was dominant, accounting for an average production of 3.67 ± 1.94 g COD/L (35-64% of the total VFA production). Conversely, regular acidic whey displayed a homogenous distribution of all the metabolites, whereas in the vinasse profile acetic (29%) and propionic (34%) were the major acids. Overall, LF acidic whey reported the highest VFA yield (up to 0.70 g COD-VFA/g CODt) and potential VFA accumulation within 3-5 days. Based on these results, it was selected for the upscaling strategy. LF acidic whey fermentation was therefore transitioned into an AnSBR setup, fixing the HRT to 3.5 days and controlling the pH to 5. Over a 6-week trial, the effects of different organic loading rates (OLR) (2.80, 4.67, and 6.53 g COD/L/d) were investigated. Higher ORLs, despite causing an initial lag phase for the microbial community, resulted in higher yields and stimulated butyric acid production. The maximum VFA concentration was 15.47 g COD-VFA/L corresponding to a VFA yield of 0.66 g COD-VFA /g CODt on the 41st day. The VFA profile was mainly characterised by butyric acid (39% of the total VFA produced). The findings from this semi-continuous long-term setup were comparable to the batch trials, thus proving MMC tailored-AD process scalability.

Gli acidi grassi volatili (VFA) sono prodotti chimici versatili (bulk chemicals) tradizionalmente sintetizzati a partire da fonti fossili. In un’ottica di economia circolare, la ricerca vie alternative di produzione partendo dalla valorizzazione di biomasse e rifiuti industriali è di primaria importanza. La digestione anaerobica, che rappresenta al giorno d’oggi una tecnologia industriale consolidata per l’ottenimento di biogas, può essere adattata mediante colture microbiche miste, allo scopo di massimizzare la produzione VFA (che rappresentano gli intermedi chimici delle fasi di acidogenesi e acetogenesi) a partire da scarti industriali. Tuttavia, due ostacoli principali, la bassa capacità produttiva e la scalabilità, impediscono la piena attuazione del processo. Recentemente gli sforzi della ricerca si sono concentrati sulla massimizzazione dell'efficienza attraverso la regolazione dei parametri operativi (quali il pH, il tempo di ritenzione e il tipo di substrato). Ciononostante, è scarsa la letteratura che si concentra sullo scale-up del processo da piccoli sistemi di reazione chiusi a configurazioni reattoristiche semicontinue con volumi più ampi. Nello studio attuale, è stata condotta la transizione del processo di digestione anaerobica di diversi rifiuti industriali mediante culture microbiche miste (adattato alla produzione di VFA) da reattori batch a reattori sequenziali con l’obiettivo di testare la scalabilità del processo, massimizzando l’efficienza. La prima fase degli esperimenti ha condotto una fermentazione anaerobica batch di siero di latte acido convenzionale, siero acido lattosio (lactose-free, LF) e vinassa a pH iniziale di 5 e 9 per 15 giorni. I primi due residui lattiero-caseari hanno raggiunto concentrazioni massime di VFA di 11.170 e 11.677 g COD-VFA /L in ambienti acidi (pH 4-5) e per lunghi tempi di ritenzione (rispettivamente 11 e 15 giorni). Questi substrati si sono dimostrati più promettenti della vinassa, la cui massima produzione è stata di 10.761 g COD-VFA /L ottenuta al quinto giorno di fermentazione in condizioni leggermente alcaline. La composizione della miscela di acidi grassi risultante dal processo di digestione è stata notevolmente influenzata dal tipo di substrato di partenza. Nel caso del siero di latte senza lattosio, l’acido butirrico ho predominato la composizione della miscela finale, con una produzione media di 3.67 ± 1.94 g di COD/L (35-64% della produzione totale di VFA). Al contrario, il siero acido convenzionale ha mostrato una distribuzione omogenea di tutti i metaboliti, mentre nel caso della vinassa, acido acetico e propionico sono stati i principali, rappresentando in media il 29% e il 34% della produzione totale. Nel complesso, il siero di latte acido senza lattosio ha mostrato la resa più elevata di VFA (fino a 0.70 g COD-VFA/g CODt) e un potenziale accumulo di VFA tra il terzo e il quinto giorno di fermentazione. Sulla base di questi risultati, tale substrato è stato selezionato per la strategia di scale-up. In questa seconda fase dello studio, la fermentazione del siero di latte acido LF è stata quindi condotta in un reattore anaerobico sequenziale, fissando lil tempo di ritenzione idraulica a 3.5 giorni e controllando il pH al valore di 5, per un’operatività totale di 41 giorni. Nel corso degli esperimenti, si è indagato gli effetti di differenti carici organici (OLR) (2.80, 4.67, and 6.53 g COD/L/d) sulla produzione e sulla composizione della miscela finale di VFA. ORL più elevati, nonostante abbiano causato una fase di latenza iniziale per la comunità microbica, hanno portato a rese più elevate e hanno stimolato la produzione di acido butirrico. La concentrazione massima di VFA registrata è stata di 15.47 g COD-VFA/L corrispondente ad una resa di VFA di 0.66 g COD-VFA/g COD totale alimentato. Anche in questa configurazione, così come nel sistema batch, l'acido butirrico ha prevalso, rappresentando il 39% del totale dei VFA prodotti. I risultati di questa seconda fase semi-continua e operativa per più di un mese sono promettenti e dimostrano la scalabilità del processo di digestione anaerobica mediante colture microbiche miste per la valorizzazione di rifiuti industriali e la produzione circolare di VFA.