Development of a column chromatography protocol for the isolation of VFAs obtained from food waste anaerobic fermentation

This Master's thesis addresses the critical challenge of isolating high value individual Volatile Fatty Acids (VFAs) from the complex mixture produced by the anaerobic fermentation of food waste. The research is structured around two interconnected pillars: advanced process modeling and the development of a separation protocol. The first part of the work focused on refining an existing mathematical model (based on ADM1) of the fermentation process. The original model, while effective for predicting most VFAs, failed to accurately simulate ethanol dynamics. By incorporating a new metabolic pathway for ethanol oxidation to acetate (a crucial mechanism for redox balancing in microbial communities) the refined model dramatically improved prediction accuracy. The Mean Absolute Percentage Error (MAPE) for ethanol was reduced from 86.8% to 13.48%, resulting in a more robust and biologically accurate tool for optimizing bioreactor performance and VFA production yields. The second part involved the experimental development of a chromatographic method to separate VFAs into their pure components. A systematic screening of solvent systems via Thin Layer Chromatography (TLC) identified a hexane and ethyl acetate (60:40 v/v) mixture as optimal for achieving distinct separation based on compound polarity. This finding directly informed the design of a comprehensive preparative column chromatography protocol using a silica stationary phase. The proposed method includes detailed steps for sample preparation, filtration, column conditioning, and elution, providing a solid foundation for the future isolation and purification of acetic, propionic, butyric, and valeric acids from real fermentation broths. In conclusion, this thesis provides significant contributions to both the theoretical understanding and practical application of VFA valorization. The refined model offers a powerful tool for simulating and optimizing acidogenic fermentation, while the developed chromatography protocol presents a clear and practical pathway towards resolving the VFA mixture, a key step for their use in high-value applications in the chemical, pharmaceutical, and food industries, supporting the transition to a circular economy.

Questa tesi di Laurea Magistrale affronta la sfida cruciale di isolare singoli Acidi Grassi Volatili (VFA) ad alto valore da miscele complesse prodotte mediante fermentazione anaerobica di scarti alimentari. La ricerca si articola in due pilastri interconnessi: la modellazione avanzata di processo e lo sviluppo di un protocollo di separazione. La prima parte del lavoro si è concentrata sull'affinamento di un modello matematico esistente (basato sull'ADM1) del processo di fermentazione. Il modello originale, sebbene efficace nel predire la maggior parte dei VFA, non riusciva a simulare accuratamente la dinamica dell'etanolo. Incorporando un nuovo pathway metabolico per l'ossidazione dell'etanolo ad acetato—un meccanismo cruciale per il bilanciamento redox nelle comunità microbiche—il modello raffinato ha migliorato drasticamente l'accuratezza predittiva. L'Errore Percentuale Assoluto Medio (MAPE) per l'etanolo è stato ridotto dall'86,8% al 13,48%, producendo uno strumento più robusto e biologicamente accurato per ottimizzare le prestazioni del bioreattore e le rese di produzione dei VFA. La seconda parte ha riguardato lo sviluppo sperimentale di un metodo cromatografico per separare i VFA nei loro componenti puri. Uno screening sistematico di sistemi solventi mediante Cromatografia su Strati Sottili (TLC) ha identificato una miscela di esano e acetato di etile (60:40 v/v) come ottimale per ottenere una distinta separazione basata sulla polarità dei composti. Questa scoperta ha direttamente informato la progettazione di un protocollo completo di cromatografia su colonna preparativa utilizzando una fase stazionaria di silice. Il metodo proposto include passaggi dettagliati per la preparazione del campione, la filtrazione, il condizionamento della colonna e l'eluizione, fornendo una solida base per la futura isolazione e purificazione di acidi acetico, propionico, butirrico e valerico da brodi di fermentazione reali. In conclusione, questa tesi fornisce contributi significativi sia alla comprensione teorica che all'applicazione pratica della valorizzazione dei VFA. Il modello raffinato offre uno strumento potente per simulare e ottimizzare la fermentazione acidogenica, mentre il protocollo cromatografico sviluppato presenta un percorso chiaro e pratico per risolvere la miscela di VFA, un passo chiave per il loro utilizzo in applicazioni ad alto valore nei settori chimico, farmaceutico e alimentare, supportando la transizione verso un'economia circolare.