Sustainable valorisation of cheese whey via acidogenic fermentation in an anaerobic sequencing batch reactor

The conversion of cheese whey into valuable biobased chemicals represents a dual opportunity: it allows to mitigate the environmental burden associated with this high strength industrial effluent while simultaneously transforming an underutilized byproduct into a driver of circular bioeconomy. This research explores the valorisation of deproteinated cheese whey through acidogenic fermentation in a pH-controlled anaerobic bioreactor. The system focuses on the production of volatile fatty acids and their downstream recovery using membrane ultrafiltration. The system was operated over 191 days across three organic loading rates (OLR): 1.7, 5.0 and 6.7 gCOD/L/d, with pH maintained between 5.3 and 5.6 through automated sodium hydroxide solution dosing. Maximum degree of acidification values reached 81%, 72% and 58% during the three experimental phases. As the OLR increased, a progressive decline of fermentation metrics was observed, reflecting a clear trade-off between conversion efficiency and volumetric productivity. The mixed microbial culture exhibited metabolic resilience to the variation of substrate loads. During the transition to an intermediate OLR, the VFA profile shifted transiently from an acetate-rich composition toward a butyrate-type fermentation, subsequently stabilizing back to an acetate-predominant spectrum at steady state. Caproic acid content escalated at the highest OLR, indicating spontaneous onset of chain elongation activity. Analysis of NaOH dosing rates revealed that the majority of acidogenic activity occurred in the initial 1 - 2.5 hours of the cycle, depending on the OLR. Combined with the excellent settleability of the granular biomass developed in the reactor, these insights indicate that cycle duration could potentially be halved favouring the intensification of the process.

La conversione biologica del siero di latte in prodotti chimici a valore aggiunto porta ad una duplice opportunità: consente di mitigare il carico ambientale associato a questo effluente industriale ad alta concentrazione organica e di contribuire allo sviluppo di un’economia circolare. Questa ricerca esplora la valorizzazione del siero di latte deproteinato attraverso la fermentazione acidogenica in un bioreattore anaerobico a pH controllato. Il sistema si focalizza sulla produzione di acidi grassi volatili e sul loro recupero a valle mediante ultrafiltrazione su membrana. Il sistema è stato operato per 191 giorni in tre condizioni di carico organico (OLR): 1.7, 5.0 e 6.7 gCOD/L/d, con pH mantenuto tra 5.3 e 5.6 tramite dosaggio automatizzato di soluzione di idrossido di sodio. I valori massimi del grado di acidificazione hanno raggiunto rispettivamente l'81%, il 72% e il 58% durante le tre fasi sperimentali. All'aumentare dell'OLR è stato osservato un progressivo declino delle metriche di fermentazione, che riflette un chiaro compromesso tra efficienza di conversione e produttività volumetrica. La coltura microbica mista ha mostrato resilienza metabolica alla variazione del carico di substrato. Durante la transizione a un OLR intermedio, il profilo degli acidi grassi volatili si è spostato transitoriamente da una composizione ricca di acetato verso una fermentazione che favorisce la presenza di butirrato. Successivamente, allo stato stazionario, lo spettro si è stabilizzato su una composizione nuovamente dominata dall’acido acetico. Inoltre, al più alto OLR l'acido caproico è emerso nell'effluente, indicando lo sviluppo spontaneo di attività di elongazione della catena. L'analisi della frequenza di dosaggio di NaOH ha rivelato che la maggior parte dell'attività acidogenica si verifica nelle prime 1 - 2.5 ore del ciclo. Unitamente all'eccellente sedimentazione della biomassa granulare sviluppatasi nel reattore, questi risultati indicano che la durata del ciclo potrebbe potenzialmente essere dimezzata, favorendo l’intensificazione del processo.