Luận án tiến sĩ về sản xuất biodiesel từ vi tảo qua carbon hóa thủy nhiệt

Tổng hợp kiến thức Sản xuất biodiesel từ vi tảo qua quá trình carbon hóa thủy nhiệt, tiếp cận khoa học, hỗ trợ học tập và nghiên cứu hiệu quả trong

• Tác giả: Vo Thanh Phuoc
• Người hướng dẫn: Professor Kunio Yoshikawa
• Trường học: Tokyo Institute of Technology
• Chuyên ngành: Environmental Science and Technology
• Đề tài: Sản Xuất Biodiesel Từ Vi Tảo Qua Quá Trình Carbon Hóa Thủy Nhiệt
• Loại tài liệu: doctoral thesis
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Yokohama

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG
• DANH MỤC HÌNH ẢNH
• TÓM TẮT
• 1. Chương 1: Giới thiệu
• 1.1. Sản xuất biodiesel từ vi tảo
• 1.1.1. Ưu điểm của vi tảo trong sản xuất biodiesel
• 1.1.2. Phản ứng chuyển vị este và este hóa để sản xuất biodiesel
• 1.2. Xử lý thủy nhiệt vi tảo
• 1.3. Mục đích của nghiên cứu này
• 2. Chương 2: So sánh quá trình chiết xuất lipid từ vi tảo và than nhiệt dịch và chuyển vị este của lipid chiết xuất để sản xuất biodiesel
• 2.1. Nguyên liệu và phương pháp
• 2.1.1. Carbon hóa thủy nhiệt vi tảo để tạo than nhiệt dịch
• 2.1.2. Xác định hàm lượng axit béo tổng số (TFAs) trong các mẫu
• 2.1.3. Xác định hàm lượng axit béo tự do (FFAs) trong các mẫu
• 2.1.4. Hình ảnh phân bố lipid trong vi tảo và than nhiệt dịch
• 2.1.5. So sánh quá trình chiết xuất lipid từ vi tảo và than nhiệt dịch
• 2.1.6. Chuyển hóa lipid chiết xuất thành biodiesel
• 2.2. Kết quả và thảo luận
• 2.2.1. Sự lưu giữ của các axit béo trong than nhiệt dịch
• 2.2.2. So sánh quá trình chiết xuất lipid từ vi tảo và than nhiệt dịch
• 2.2.3. Chuyển hóa lipid chiết xuất thành biodiesel
• 3. Chương 3: So sánh quá trình chuyển vị este trực tiếp của vi tảo và than nhiệt dịch
• 3.1. Nguyên liệu và phương pháp
• 3.1.1. Carbon hóa thủy nhiệt vi tảo để tạo than nhiệt dịch
• 3.1.2. So sánh quá trình chuyển vị este trực tiếp của vi tảo và than nhiệt dịch
• 3.2. Kết quả và thảo luận
• 4. Chương 4: Ảnh hưởng của điều kiện bảo quản bã vi tảo đến lipid than nhiệt dịch và quá trình chuyển vị este trực tiếp của lipid than nhiệt dịch để sản xuất biodiesel
• 4.1. Nguyên liệu và phương pháp
• 4.1.1. Nuôi cấy và thu hoạch vi tảo
• 4.1.2. Bảo quản bã vi tảo sau thu hoạch
• 4.1.3. Carbon hóa thủy nhiệt vi tảo để tạo than nhiệt dịch
• 4.1.4. Chuyển vị este trực tiếp lipid than nhiệt dịch
• 4.2. Kết quả và thảo luận
• 4.2.1. Ảnh hưởng của thời gian bảo quản đến axit béo tổng số (TFAs) và axit béo tự do (FFAs) trong vi tảo
• 4.2.2. Ảnh hưởng của thời gian bảo quản đến axit béo tổng số (TFAs) và axit béo tự do (FFAs) trong than nhiệt dịch
• 4.2.3. Chuyển vị este trực tiếp than nhiệt dịch

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về biodiesel từ vi tảo đã thu hút sự chú ý đáng kể trong những năm gần đây, nhờ vào khả năng thay thế nhiên liệu hóa thạch và giảm thiểu tác động môi trường. Vi tảo có nhiều ưu điểm như hàm lượng lipid cao, tốc độ phát triển nhanh và khả năng thích nghi tốt với môi trường không phải nông nghiệp. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn trong sản xuất biodiesel là việc loại bỏ nước khỏi bã vi tảo sau thu hoạch, điều này ảnh hưởng đến hiệu suất chiết xuất lipid và sản xuất biodiesel. Do đó, việc áp dụng các phương pháp tiền xử lý như carbon hóa thủy nhiệt (HTC) là cần thiết. Phương pháp này không chỉ giúp loại bỏ nước mà còn giữ lại lipid trong sản phẩm rắn (hydrochar), từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất biodiesel.

II. Ưu điểm của vi tảo trong sản xuất biodiesel

Vi tảo có nhiều ưu điểm nổi bật trong sản xuất biodiesel so với các nguồn nguyên liệu khác. Đầu tiên, hàm lượng lipid trong vi tảo thường cao hơn, một số loài có thể đạt tới 75% lipid với tốc độ tăng trưởng thấp. Điều này cho phép vi tảo đạt được năng suất lipid cao hơn nhiều so với các cây trồng khác như đậu nành hay cọ. Thứ hai, vi tảo có thể phát triển nhanh chóng và có thể thu hoạch chỉ sau vài ngày. Thứ ba, môi trường nuôi trồng của vi tảo đơn giản, chỉ cần nước và một số chất dinh dưỡng cơ bản. Cuối cùng, việc nuôi trồng vi tảo còn có thể giúp xử lý nước thải và giảm thiểu khí CO2 trong môi trường, góp phần bảo vệ môi trường.

III. Quá trình carbon hóa thủy nhiệt

Quá trình carbon hóa thủy nhiệt (HTC) là một phương pháp hiệu quả để loại bỏ nước khỏi bã vi tảo. Trong quá trình này, vi tảo được xử lý với nước ở nhiệt độ và áp suất cao, giúp tạo ra hydrochar - một sản phẩm rắn giữ lại lipid. Sau khi thực hiện HTC, tỷ lệ lipid trong hydrochar cao hơn nhiều so với bã vi tảo ban đầu, cho phép tăng hiệu suất trong các bước tiếp theo của quá trình sản xuất biodiesel. Nghiên cứu cho thấy rằng việc chuyển đổi lipid trong hydrochar thành biodiesel có thể đạt được hiệu suất cao hơn, với tỷ lệ FFAs/TFAs cao hơn, cho thấy rằng hydrochar là một nguồn nguyên liệu tiềm năng cho sản xuất biodiesel.

IV. Phương pháp sản xuất biodiesel từ hydrochar

Quá trình sản xuất biodiesel từ hydrochar bao gồm hai phương pháp chính: phương pháp hai bước và phương pháp chuyển đổi trực tiếp. Trong phương pháp hai bước, lipid được chiết xuất từ hydrochar bằng dung môi và sau đó trải qua quá trình transesterification để sản xuất biodiesel. Kết quả cho thấy rằng hiệu suất chiết xuất lipid từ hydrochar (khoảng 80%) cao hơn so với vi tảo (khoảng 30%). Trong phương pháp chuyển đổi trực tiếp, lipid trong hydrochar được chuyển đổi thành biodiesel mà không cần bước chiết xuất, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí. Những nghiên cứu này chỉ ra rằng hydrochar có thể là một lựa chọn khả thi cho sản xuất biodiesel trong tương lai.

V. Kết luận và ứng dụng thực tiễn

Nghiên cứu này chỉ ra rằng sản xuất biodiesel từ vi tảo thông qua quá trình carbon hóa thủy nhiệt là một phương pháp tiềm năng và hiệu quả. Việc sử dụng hydrochar không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng trong quá trình sản xuất mà còn tối ưu hóa hiệu suất chiết xuất lipid. Các ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu này có thể dẫn đến việc phát triển các quy trình sản xuất biodiesel bền vững, giảm thiểu chi phí và tác động đến môi trường. Điều này không chỉ góp phần vào việc phát triển năng lượng tái tạo mà còn hỗ trợ bảo vệ hệ sinh thái và giảm thiểu ô nhiễm.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Nhiên liệu sinh học đang được nghiên cứu nhằm mục tiêu từng bước thay thế nhiên liệu hóa thạch. Trong số các nguồn nguyên liệu sản xuất biodiesel, vi tảo nhận được sự quan tâm lớn nhờ hàm lượng lipid cao, tốc độ sinh trưởng nhanh, khả năng thích ứng tốt trên các vùng đất phi nông nghiệp và không cạnh tranh trực tiếp với an ninh lương thực. Thông thường, sinh khối vi tảo có hàm lượng lipid dao động trong khoảng 20 – 50% ở điều kiện sinh trưởng tiêu chuẩn, thậm chí đạt tới 75% ở một số loài đặc thù như Botryococcus braunii. Tuy nhiên, sau các công đoạn thu hoạch (lắng, lọc, ly tâm, keo tụ), bột nhão vi tảo (microalgae paste) thường chứa độ ẩm rất cao, chiếm từ 75% đến 85%. Độ ẩm này là rào cản kỹ thuật nghiêm trọng làm giảm hiệu suất chiết xuất lipid bằng dung môi hữu cơ cũng như làm suy giảm hiệu suất phản ứng chuyển hóa este trực tiếp (direct transesterification). Việc sấy khô hoàn toàn vi tảo trước khi chuyển hóa đòi hỏi tiêu tốn năng lượng rất lớn, khiến chi phí sản xuất tăng cao và làm giảm tính khả thi kinh tế.

Nhằm giải quyết bài toán tiêu hao năng lượng trong quá trình sấy tách nước, phương pháp carbon hóa thủy nhiệt (Hydrothermal Carbonization - HTC) được tác giả lựa chọn làm bước tiền xử lý đối với bột nhão vi tảo. Trong quá trình HTC, vi tảo phản ứng với nước ở nhiệt độ và áp suất vừa phải (khoảng 200 °C và 2 MPa), tạo ra sản phẩm chính là than thủy nhiệt (hydrochar) dạng rắn dễ lọc tách và pha lỏng chứa các chất dinh dưỡng hòa tan. Hầu hết thành phần lipid trong vi tảo được giữ lại trong than thủy nhiệt. Mặc dù các nghiên cứu trước đã đề cập đến quá trình HTC của sinh khối, việc sử dụng trực tiếp than thủy nhiệt thu được từ vi tảo để làm nguyên liệu tổng hợp biodiesel chưa từng được thực hiện một cách có hệ thống.

Luận án tiến sĩ của tác giả Võ Thanh Phước (người hướng dẫn: Giáo sư Kunio Yoshikawa, Khoa Khoa học và Công nghệ Môi trường, Viện Công nghệ Tokyo, bảo vệ tháng 8/2017) tập trung giải quyết khoảng trống nghiên cứu này thông qua 3 mục tiêu cụ thể được đánh số trong văn bản:

1. So sánh quá trình chiết xuất lipid từ vi tảo và từ than thủy nhiệt, cùng quá trình chuyển hóa este lipid chiết xuất để sản xuất biodiesel (Comparison between the lipid extraction from microalgae and the hydrochar, and the transesterification of extracted lipid for biodiesel production).
2. So sánh quá trình chuyển hóa este trực tiếp giữa vi tảo và than thủy nhiệt để sản xuất biodiesel (Comparison between the direct transesterification of microalgae and the hydrochar for biodiesel production).
3. Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện lưu trữ bột nhão vi tảo đến thành phần lipid trong than thủy nhiệt và phản ứng chuyển hóa este trực tiếp lipid của than thủy nhiệt (Effect of the storage condition of microalgae paste on the hydrochar lipid and the direct transesterification of the hydrochar lipid for biodiesel production).

Đối tượng nghiên cứu của luận án là loài vi tảo lục đơn bào Chlorella sp. dạng tế bào nguyên vẹn (unbroken cell) cùng sản phẩm than thủy nhiệt được tạo ra từ quá trình HTC. Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại phòng thí nghiệm thuộc Suzukakedai Campus, Viện Công nghệ Tokyo (Yokohama, Nhật Bản), hoàn thành vào tháng 8 năm 2017.

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu tiền đề về sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo và các kỹ thuật xử lý nhiệt nhiệt ẩm:

• Ưu thế và đặc tính của vi tảo trong sản xuất biodiesel: Tác giả trích dẫn các nghiên cứu của Scarlat và cộng sự (2008), Richmond (2008), Thomas và cộng sự (1984), Sheehan và cộng sự (1998), Chisti (2007), Mata và cộng sự (2010), Li và cộng sự (2008), Raja và cộng sự (2008). Các tài liệu khẳng định vi tảo chứa các axit béo phù hợp cho biodiesel như C14:0, C16:0, C18:1, C18:2, C18:3. Nhu cầu diện tích đất để nuôi cấy vi tảo có hàm lượng lipid 30% w/w thấp hơn 49 lần so với hạt cải dầu và 132 lần so với đậu tương (Chisti, 2007). Khả năng cố định CO2 và xử lý dinh dưỡng (NH4+, NO3-, PO43-) trong nước thải được dẫn xuất từ Aslan & Kapdan (2006) và Wang và cộng sự (2008).
• Phản ứng chuyển hóa este và tiền xử lý este hóa: Phản ứng chuyển vị este (transesterification) chuyển đổi triglycerid qua diglycerid, monoglycerid thành metyl este của axit béo (FAME). Phản ứng xúc tác bazơ đồng thể (KOH) đòi hỏi chỉ số axit của dầu dưới 2 mg KOH/g dầu. Với nguồn nguyên liệu giàu axit béo tự do (FFA), quy trình kết hợp phản ứng este hóa bằng xúc tác axit trước khi chuyển vị este bằng bazơ được tổng hợp từ Corro và cộng sự (2011), Zhang và cộng sự (2003), Canakci & Van Gerpen (2001), Berchmans & Hirata (2008), Ghadge & Raheman (2005).
• Kỹ thuật thu hoạch và tách chiết lipid vi tảo: Grima và cộng sự (2003), Halim và cộng sự (2011, 2012), Folch và cộng sự (1957) chỉ ra chi phí thu hoạch chiếm 20 – 30% tổng chi phí sản xuất vi tảo. Độ ẩm cao cản trở quá trình chiết dung môi và chuyển hóa este trực tiếp (Ehimen và cộng sự, 2010; Sathish và cộng sự, 2014).
• Xử lý nhiệt nhiệt ẩm (Hydrothermal Treatment): Tác giả so sánh hai hướng xử lý gồm hóa lỏng nhiệt ẩm (Hydrothermal Liquefaction - HTL) và carbon hóa thủy nhiệt (Hydrothermal Carbonization - HTC). HTL diễn ra ở 280 – 370 °C, 10 – 25 MPa, tạo dầu thô sinh học (biocrude oil) có độ nhớt và hàm lượng nitơ cao tới 6%, đòi hỏi chi phí khử nitơ lớn (Toor và cộng sự, 2011; Garcia Alba và cộng sự, 2011; Costanzo và cộng sự, 2016). Trong khi đó, HTC diễn ra ở điều kiện êm dịu hơn (khoảng 200 °C, 2 MPa), vi tảo không chứa cellulose, hemicellulose và lignin nên phản ứng phân rã diễn ra dễ dàng ở 200 °C trong 30 phút (Heilmann và cộng sự, 2010, 2011a, 2011b; Broch và cộng sự, 2013; Levine và cộng sự, 2010; Lu và cộng sự, 2014).

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định rõ ràng: Các công trình trước đây chỉ dừng lại ở việc khảo sát sự phân bố các pha của HTC hoặc chiết xuất axit béo cho mục đích dinh dưỡng, chưa có nghiên cứu nào đánh giá toàn diện việc sử dụng than thủy nhiệt làm nguồn nguyên liệu thay thế sinh khối vi tảo tươi trong cả hai quy trình sản xuất biodiesel (quy trình hai bước gồm chiết xuất - chuyển hóa và quy trình chuyển hóa este trực tiếp một bước), cũng như việc tích hợp công đoạn lưu trữ sinh khối tự nhiên để cải thiện hiệu suất phản ứng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và khái niệm sử dụng

• Cơ chế phân hủy nhiệt ẩm của các hợp chất cao phân tử: Dưới điều kiện HTC (nước dưới điểm tới hạn ở 200 – 220 °C), carbohydrate trong vi tảo bị thủy phân thành glucose và fructose rồi phân hủy thành các hợp chất chứa carbon; protein bị thủy phân thành peptide và amino acid rồi phân hủy vào pha lỏng; triglycerid bị thủy phân thành axit béo tự do (FFAs) và glycerol.
• Hóa học chuyển hóa lipid: Phản ứng este hóa FFAs với methanol sử dụng chất xúc tác axit rắn không đồng thể (Amberlyst-15 mang nhóm chức –SO3H) và phản ứng chuyển vị este của triglycerid với methanol sử dụng xúc tác bazơ KOH.
• Phản ứng chuyển hóa este trực tiếp (Direct/In-situ Transesterification): Quá trình chiết xuất lipid nội bào và phản ứng chuyển hóa este diễn ra đồng thời trong một bình phản ứng dưới xúc tác axit H2SO4 đồng thể.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm và công cụ phân tích

Luận án hoàn toàn sử dụng phương pháp định lượng thực nghiệm có đối chứng, sử dụng các thiết bị và hóa chất tiêu chuẩn:

Thiết bị / Hóa chất / Vật liệu	Nhà sản xuất / Quy cách	Mục đích sử dụng
Vi tảo Chlorella sp.	Sunrise Nutrachem Group Co.	Nguyên liệu sinh khối ban đầu
Thiết bị phản ứng Autoclave 50 ml	Taiatsu Techno Corporation	Thực hiện quá trình HTC
Máy sắc ký khí khối phổ (GCMS-QP2010 SE)	Shimadzu (cột mao quản Stabilwax 30 m × 0,25 mm × 0,25 µm)	Định lượng thành phần FAMEs, TFAs, FFAs
Kính hiển vi quét laser đồng tiêu (LSM780)	ZEISS (Argon laser 488 nm, bộ lọc 537 – 599 nm)	Quan sát giọt lipid nhuộm huỳnh quang Nile Red
Máy phân tích tổng carbon hữu cơ (TOC)	Shimadzu	Đo hàm lượng C và N trong pha lỏng
Máy ly tâm lạnh đa năng EX-126	Tomy	Tách phân pha mẫu sau chiết xuất và phản ứng
Chất xúc tác rắn Amberlyst-15	Dạng hạt mang nhóm –SO3H	Xúc tác dị thể cho phản ứng este hóa FFAs
Chuẩn FAMEs (C16:0 đến C19:0)	Sigma-Aldrich	Định danh và xác định hệ số phản hồi (response factor)
Giấy lọc sợi thủy tinh GF/A	Kích thước lỗ xốp 1,6 µm	Lọc tách than thủy nhiệt sau phản ứng HTC

Nguồn dữ liệu và kỹ thuật phân tích

• Mô phỏng bột nhão vi tảo: Hỗn hợp 3 g bột vi tảo khô và 17 g nước cất được nạp vào bình autoclave 50 ml để tạo độ ẩm 85%, nạp khí Argon để đuổi không khí. Quá trình gia nhiệt được duy trì ở 200 °C, 210 °C hoặc 220 °C trong thời gian giữ nhiệt 30 phút, khuấy từ tốc độ 180 rpm.
• Định lượng tổng axit béo (TFAs): Phương pháp chuyển hóa este trực tiếp mẫu (10 mg vi tảo hoặc 4,5 mg hydrochar) với 1 ml methanol chứa 2% v/v H2SO4 và 0,1 mg chuẩn nội Methyl nonadecanoate (C19:0) ở 85 °C trong 90 phút, chiết FAMEs bằng 5 ml hexane và phân tích bằng GCMS.
• Định lượng axit béo tự do (FFAs): Nghiền mẫu, chiết lipid bằng hỗn hợp hexane/isopropanol (3:2 v/v), bay hơi dung môi ở 60 °C, sau đó chuyển hóa chọn lọc FFAs thành FAMEs bằng 1 ml pyridine/N,N-Dimethylformamide dimethyl acetal (1:1 v/v) ở 60 °C trong 15 phút, thêm 4 ml hexane chứa chuẩn nội C19:0 và phân tích GCMS (theo phương pháp của Thenot và cộng sự, 1972).
• Tính toán nhiệt trị cao (HHV): Sử dụng công thức Dulong dựa trên phân tích nguyên tố C, H, N, O, S.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương này trình bày bối cảnh nghiên cứu về sản xuất biodiesel từ vi tảo, phân tích các ưu điểm nổi bật của vi tảo so với các cây có dầu truyền thống (năng suất lipid vượt trội, chu kỳ thu hoạch ngắn, không dùng đất nông nghiệp, hấp thụ CO2 và xử lý dinh dưỡng nước thải). Tác giả làm rõ trở ngại cốt lõi của công nghệ vi tảo là hàm lượng ẩm trong bột nhão sau thu hoạch (75 – 85%) làm suy giảm hiệu suất chiết xuất và chuyển hóa este. Phân tích so sánh năng lượng giữa sấy khô truyền thống, hóa lỏng nhiệt ẩm (HTL) và carbon hóa thủy nhiệt (HTC) khẳng định HTC là hướng tiền xử lý êm dịu, giúp cô đặc lipid trong pha rắn than thủy nhiệt mà không làm phân hủy cấu trúc axit béo. Chương 1 khép lại bằng việc xác lập 3 mục tiêu nghiên cứu cụ thể và cấu trúc tổng thể của luận án gồm 5 chương.

Chapter 2: Comparison between the lipid extraction from microalgae and the hydrochar and transesterification of extracted lipid for biodiesel production

Chương 2 gồm hai phần nội dung chính: Khảo sát quá trình HTC vi tảo ở các mức nhiệt độ khác nhau và so sánh quá trình chiết xuất lipid bằng dung môi kèm chuyển hóa este hai bước.

1. Đặc tính của quá trình HTC và sự lưu giữ axit béo trong than thủy nhiệt

Thành phần axit béo ban đầu của Chlorella sp. được xác định chủ yếu gồm các axit béo không no đa liên kết đôi và axit béo no:

Tên Este Axit Béo (FAME)	Ký hiệu	Tỷ lệ phần trăm (%)
Methyl hexadecanoate	C16:0	12,42
Methyl 7,10-hexadecadienoate	C16:2	1,84
Methyl 7,10,13-hexadecatrienoate	C16:3	2,75
Methyl 4,7,10,13-hexadecatetraenoate	C16:4	4,21
Methyl octadecanoate	C18:0	1,74
Methyl Z-9-octadecenoate	C18:1	18,36
Methyl (Z,Z)-9,12-octadecadienoate	C18:2	34,06
Methyl (Z,Z,Z)-9,12,15-octadecatrienoate	C18:3	24,62
Tổng cộng		100,00

Khi tiến hành HTC ở các nhiệt độ 200 °C, 210 °C và 220 °C, các thông số về hiệu suất khối lượng, độ lưu giữ axit béo và tỷ lệ thủy phân thành FFAs biến đổi rõ rệt:

Mẫu nghiên cứu	Hàm lượng axit béo C (%)	Hiệu suất khối lượng HM (%)	Độ lưu giữ axit béo R (%)	Tỷ lệ FFAs/TFAs (%)
Vi tảo nguyên liệu	11,3	-	-	11,5
Than thủy nhiệt (HTC 200 °C)	25,4	42,4	95,0	48,7
Than thủy nhiệt (HTC 210 °C)	25,3	39,8	89,2	65,4
Than thủy nhiệt (HTC 220 °C)	23,9	37,1	78,4	78,5

Ở 200 °C, độ lưu giữ tổng axit béo trong than thủy nhiệt đạt mức cao nhất (95,0%). Khi nhiệt độ tăng lên 210 °C và 220 °C, nhiều axit béo bị thủy phân thành FFAs và tan vào pha lỏng, đặc biệt các axit béo có nhiều liên kết đôi như C16:4 có độ bền nhiệt kém hơn.

Về mặt năng lượng và thành phần nguyên tố, than thủy nhiệt tạo ra ở 200 °C có hàm lượng Carbon tăng từ 50,1% lên 63,28%, hàm lượng tro giảm từ 5,9% xuống 1,02%, nhiệt trị cao (HHV) tăng từ 22,9 MJ/kg lên 29,8 MJ/kg. Về phân bố dinh dưỡng, pha lỏng sau HTC 200 °C giữ lại 48,1% Carbon và 73,9% Nitơ từ sinh khối ban đầu, chứng minh tiềm năng tận dụng pha lỏng làm phân bón.

Tính toán cân bằng nhiệt lượng cho 10 kg bột nhão vi tảo (độ ẩm 85% w/w): Sấy khô truyền thống tiêu tốn $E_1 = 22,92\text{ MJ}$, trong khi quy trình HTC ở 200 °C kết hợp sấy than thủy nhiệt (độ ẩm 50%) chỉ tiêu tốn tổng năng lượng $E_4 = 6,58\text{ MJ}$ ($E_2 = 5,91\text{ MJ}$ cho phản ứng HTC và $E_3 = 0,67\text{ MJ}$ cho sấy than).

2. Chiết xuất lipid và chuyển hóa este hai bước

• Hiệu suất chiết xuất: Sử dụng hỗn hợp hexane/isopropanol (3:2 v/v), hiệu suất chiết xuất lipid từ than thủy nhiệt đạt khoảng 80% (cụ thể 79,7% ở tỷ lệ 1 ml dung môi / 45,5 mg hydrochar), cao hơn hẳn so với vi tảo nguyên liệu (chỉ đạt khoảng 30%). Ảnh chụp hiển vi quét laser đồng tiêu (LSM780) giải thích nguyên nhân: thành tế bào vi tảo nguyên vẹn gây cản trở dung môi, trong khi sau quá trình HTC, cấu trúc tế bào bị co rút và phá vỡ, kết hợp với hàm lượng FFAs cao giúp dung môi dễ dàng xâm nhập hòa tan lipid.
• Tiền xử lý este hóa bằng xúc tác rắn Amberlyst-15: Dầu chiết từ than thủy nhiệt chứa tỷ lệ FFAs/TFAs cao (48,7%), do đó cần phản ứng este hóa để đưa chỉ số FFAs xuống dưới 1% trước khi chuyển vị este bằng kiềm. Điều kiện tối ưu được xác định: nồng độ xúc tác Amberlyst-15 là 30% khối lượng dầu, tỷ lệ mol methanol/lipid là 12:1, nhiệt độ 80 °C, thời gian phản ứng 180 phút. Xúc tác Amberlyst-15 có thể tái sử dụng 3 lần mà tỷ lệ FFAs/TFAs vẫn duy trì dưới 1%.
• Chuyển vị este bằng xúc tác kiềm: Dầu sau khi este hóa được làm khô ở 105 °C và thực hiện phản ứng chuyển vị este với xúc tác KOH (1,0% khối lượng dầu), tỷ lệ mol methanol/lipid 12:1 ở 65 °C trong 60 phút, đạt hiệu suất thu hồi biodiesel là 93,6%.

Chapter 3: Comparison between the direct transesterification of microalgae and the hydrochar

Chương 3 tiến hành so sánh thực nghiệm phản ứng chuyển hóa este trực tiếp (in-situ transesterification) giữa vi tảo và than thủy nhiệt (HTC 200 °C) ở trạng thái sấy khô hoàn toàn, sử dụng xúc tác axit H2SO4:

• Tương đương khối lượng: Cứ 100 mg vi tảo tương đương với 45,5 mg than thủy nhiệt về lượng axit béo chứa bên trong.
• Khảo sát tỷ lệ nạp nguyên liệu / methanol: Các tỷ lệ được khảo sát gồm 100, 200, 300 và 400 mg vi tảo/ml methanol (tương ứng 45,5; 91,0; 136,5; 182,1 mg than thủy nhiệt/ml methanol) với nồng độ xúc tác 2% v/v H2SO4 ở 80 °C trong 30, 60 và 90 phút.
• Kết quả so sánh: Ở cùng điều kiện phản ứng, hiệu suất tạo biodiesel từ than thủy nhiệt luôn cao hơn vi tảo. Đối với vi tảo nguyên liệu, điều kiện thích hợp là 200 mg vi tảo/ml methanol, 2% v/v H2SO4, 80 °C, 90 phút. Khi tỷ lệ nạp tăng lên 300 và 400 mg vi tảo/ml methanol, hiệu suất chuyển hóa của vi tảo bị sụt giảm mạnh.
• Tiết giảm dung môi và xúc tác: Để chuyển hóa hoàn toàn lượng lipid có trong 400 mg vi tảo, cần sử dụng 2 ml methanol chứa 2% v/v H2SO4. Trong khi đó, nếu lượng lipid này được chuyển hóa dưới dạng than thủy nhiệt (182,1 mg), chỉ cần 1 ml methanol chứa 2% v/v H2SO4. Như vậy, việc chuyển đổi qua than thủy nhiệt giúp giảm một nửa (50%) lượng methanol và chất xúc tác cần dùng trên cùng một lượng sinh khối vi tảo xử lý.

Chapter 4: Effect of the storage condition of microalgae paste on the hydrochar lipid and the direct transesterification of the hydrochar lipid for biodiesel production

Chương 4 khảo sát việc bổ sung công đoạn lưu trữ tự nhiên bột nhão vi tảo tươi sau thu hoạch trước khi nạp vào quy trình HTC:

• Hiện tượng sinh hóa trong lưu trữ: Khi bảo quản bột nhão vi tảo tươi ở nhiệt độ phòng (25 °C) trong thời gian 1 đến 2 ngày, enzyme nội bào lipase tự nhiên tiến hành thủy phân triglycerid thành các axit béo tự do (FFAs).
• Ảnh hưởng đến than thủy nhiệt và phản ứng este hóa trực tiếp: Quá trình lưu trữ sinh khối tươi trong 1 ngày làm tăng đáng kể hàm lượng FFAs trong than thủy nhiệt sau khi thực hiện HTC ở 200 °C. Nhờ hàm lượng FFAs cao và phản ứng este hóa FFAs với xúc tác axit H2SO4 diễn ra thuận lợi hơn quá trình chuyển vị este của triglycerid phức tạp, tổng hiệu suất thu hồi biodiesel của toàn bộ quy trình chuyển hóa trực tiếp than thủy nhiệt (HTC 200 °C, phản ứng ở 80 °C, 90 phút) tăng thêm 19,3% so với trường hợp thực hiện HTC ngay trên vi tảo tươi vừa thu hoạch.
• Ý nghĩa kỹ thuật: Công đoạn lưu trữ này không tiêu tốn hóa chất hay năng lượng bổ sung, mang lại giá trị thực tiễn cao cho quy trình công nghệ liên hoàn.

Chapter 5: Summary and Conclusions

Chương cuối tổng kết lại toàn bộ các phát hiện chính của luận án, so sánh ưu thế kỹ thuật và cân bằng vật chất - năng lượng giữa các phương án xử lý:

1. Quy trình tiền xử lý HTC ở 200 °C giúp giữ lại 95% lipid, nâng cao nhiệt trị than rắn lên 29,8 MJ/kg và giảm tiêu hao năng lượng tách nước hơn 70% so với phương pháp sấy khô.
2. Quy trình chiết xuất hai bước từ than thủy nhiệt nâng hiệu suất chiết từ 30% lên 80%, thu hồi biodiesel đạt 93,6% sau khi xử lý este hóa bằng xúc tác dị thể Amberlyst-15.
3. Quy trình chuyển hóa este trực tiếp từ than thủy nhiệt giúp tiết kiệm 50% nhu cầu dung môi methanol và xúc tác H2SO4.
4. Tích hợp công đoạn ủ lưu trữ bột nhão vi tảo tươi trong 1 ngày ở 25 °C giúp tăng tổng hiệu suất biodiesel thêm 19,3%.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

1. Xác lập cơ sở khoa học của việc ứng dụng quá trình carbon hóa thủy nhiệt (HTC) ở vùng nhiệt độ êm dịu (200 °C) như một giải pháp tiền xử lý phân tách nước hiệu quả cho bột nhão vi tảo giàu ẩm (85%), bảo toàn tới 95,0% lượng tổng axit béo trong pha rắn than thủy nhiệt.
2. Làm sáng tỏ cơ chế gia tăng hiệu suất tách chiết lipid từ than thủy nhiệt: Nhiệt độ và áp suất của quá trình HTC làm biến dạng, phá vỡ cấu trúc màng tế bào vi tảo và thúc đẩy quá trình thủy phân một phần triglycerid thành axit béo tự do (tăng tỷ lệ FFAs/TFAs từ 11,5% lên 48,7%), tạo điều kiện thuận lợi cho dung môi thẩm thấu.
3. Đề xuất và chứng minh cơ chế tăng cường phản ứng chuyển hóa este nhờ sự thủy phân enzyme tự nhiên trong pha lưu trữ sinh khối tươi, biến đổi thành phần lipid nội bào trước khi xử lý nhiệt.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

1. Giảm tiêu hao năng lượng: Thay thế hoàn toàn công đoạn sấy khô tiêu tốn năng lượng ($22,92\text{ MJ}/10\text{ kg}$ bột nhão) bằng quy trình HTC kết hợp lọc tách cơ học và sấy than ($6,58\text{ MJ}/10\text{ kg}$ bột nhão), tạo cân bằng năng lượng thực dương cho chu trình sản xuất biodiesel.
2. Tiết kiệm hóa chất và dung môi: Giảm 50% lượng methanol và chất xúc tác H2SO4 trong phản ứng chuyển hóa este trực tiếp trên cùng một lượng axit béo ban đầu.
3. Quy trình este hóa thân thiện môi trường: Sử dụng xúc tác axit rắn Amberlyst-15 cho phép thu hồi và tái sử dụng dễ dàng qua 3 chu kỳ phản ứng mà vẫn duy trì chỉ số FFAs/TFAs dưới 1%, loại bỏ công đoạn rửa nước phức tạp của xúc tác đồng thể.
4. Tận dụng phụ phẩm: Thu hồi pha lỏng sau HTC chứa 73,9% Nitơ và 48,1% Carbon hữu cơ từ sinh khối vi tảo để tái sử dụng làm môi trường dinh dưỡng hoặc phân bón nông nghiệp.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế thực nghiệm: Các thí nghiệm HTC trong luận án được tiến hành trên hệ thiết bị autoclave gián đoạn (batch reactor) dung tích nhỏ 50 ml với nguyên liệu mô phỏng từ tảo khô pha lại nước cất; chưa triển khai thử nghiệm trên hệ thống dòng chảy liên tục quy mô pilot.
• Động học và dung sai nhiệt: Khi tăng nhiệt độ HTC lên trên 210 °C hoặc 220 °C, sự thất thoát các axit béo không no đa liên kết đôi (như C16:4) vào pha lỏng tăng lên rõ rệt do độ bền nhiệt kém.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo được gợi mở: Mở rộng khảo sát động học phân hủy trên nhiều chủng vi tảo khác nhau; nghiên cứu thiết kế thiết bị phản ứng HTC hoạt động liên tục; và thực nghiệm tái tuần hoàn pha lỏng giàu nitơ/phốt pho vào các bể nuôi cấy vi tảo thực tế.

---

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị cao cho các đối tượng sau:

• Nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Hóa học, Công nghệ Sinh học, Khoa học Môi trường và Năng lượng tái tạo: Tham khảo chi tiết phương pháp phân tích sắc ký GCMS định lượng FAMEs/FFAs, kỹ thuật nhuộm huỳnh quang Nile Red với kính hiển vi đồng tiêu, và các thông số nhiệt động học của quá trình nhiệt ẩm sinh khối.
• Các kỹ sư và doanh nghiệp phát triển công nghệ nhiên liệu sinh học: Ứng dụng thông số công nghệ của quá trình HTC và chuyển hóa este trực tiếp nhằm tối ưu hóa chi phí vận hành, giảm tiêu hao dung môi và năng lượng trong các nhà máy sản xuất biodiesel từ vi tảo.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nhiệt độ HTC 200 °C được chọn là điều kiện tối ưu cho tiền xử lý vi tảo?

Thực nghiệm ở nhiệt độ từ 190 °C trở xuống tạo ra kích thước hạt than thủy nhiệt quá nhỏ, gây khó khăn lớn cho quá trình lọc tách cơ học. Ngược lại, khi nhiệt độ HTC tăng lên 210 °C và 220 °C (hoặc $\ge 230^\circ\text{C}$), sự thủy phân triglycerid thành axit béo tự do tan vào pha lỏng diễn ra mạnh, làm độ lưu giữ axit béo trong than giảm từ 95,0% (ở 200 °C) xuống 89,2% (ở 210 °C) và 78,4% (ở 220 °C). Do đó, 200 °C với thời gian giữ nhiệt 30 phút là điểm cân bằng tối ưu.

2. Quá trình tiền xử lý HTC giúp cải thiện hiệu suất chiết xuất lipid như thế nào?

Đối với vi tảo nguyên liệu chưa xử lý, màng tế bào nguyên vẹn cản trở dung môi xâm nhập, dẫn đến hiệu suất chiết bằng hexane/isopropanol chỉ đạt khoảng 30%. Sau phản ứng HTC ở 200 °C, màng tế bào vi tảo bị co rút và phá vỡ cấu trúc (chứng minh qua ảnh hiển vi quét laser đồng tiêu LSM780), đồng thời tỷ lệ FFAs/TFAs tăng lên 48,7%, giúp dung môi dễ dàng tiếp cận và hòa tan lipid, nâng hiệu suất chiết lên xấp xỉ 80%.

3. Điều kiện tối ưu cho phản ứng este hóa lipid than thủy nhiệt bằng xúc tác Amberlyst-15 là gì?

Điều kiện tối ưu bao gồm: nồng độ xúc tác Amberlyst-15 là 30% khối lượng dầu, tỷ lệ mol methanol/lipid là 12:1, nhiệt độ phản ứng 80 °C và thời gian phản ứng 180 phút. Điều kiện này cho phép giảm hàm lượng FFAs/TFAs xuống dưới 1% (chỉ số axit $< 2\text{ mg KOH/g}$ dầu), đủ điều kiện cho phản ứng chuyển vị este bằng kiềm tiếp theo.

4. Việc lưu trữ bột nhão vi tảo tươi 1 ngày trước khi HTC mang lại lợi ích gì?

Trong quá trình lưu trữ sinh khối tươi ở nhiệt độ phòng (25 °C) trong 1 ngày, enzyme lipase nội bào tự nhiên thủy phân triglycerid thành các axit béo tự do. Lượng FFAs tăng lên giúp phản ứng este hóa trực tiếp bằng xúc tác axit H2SO4 ở các bước sau diễn ra thuận lợi hơn, nâng tổng hiệu suất thu hồi biodiesel của toàn quy trình thêm 19,3% mà không cần tiêu tốn thêm năng lượng hay hóa chất.

---

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Võ Thanh Phước đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả kỹ thuật của phương pháp carbon hóa thủy nhiệt (HTC ở 200 °C, 30 phút) như một công đoạn tiền xử lý tách nước và cô đặc lipid cho bột nhão vi tảo Chlorella sp.. Quy trình này không chỉ giải quyết triệt để rào cản tiêu tốn năng lượng của phương pháp sấy khô truyền thống (giảm tiêu hao năng lượng hơn 70%) mà còn cải thiện vượt bậc hiệu suất chiết xuất lipid (từ 30% lên 80%) và giảm một nửa lượng dung môi methanol cùng xúc tác H2SO4 cần dùng trong phản ứng chuyển hóa este trực tiếp. Bên cạnh đó, việc tích hợp bước ủ sinh khối tự nhiên 1 ngày đã nâng tổng hiệu suất biodiesel thêm 19,3%, mở ra hướng phát triển thực tiễn và tiết kiệm tài nguyên cho công nghệ sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BIODIESEL PRODUCTION FROM MICROALGAE THROUGH HYDROTHERMAL CARBONIZATION OF MICROALGAE PASTE AS THE PRETREATMENT STEP Vo Thanh Phuoc Supervisor: Professor Kunio Yoshikawa A doctoral thesis submitted to the Department of Environmental Science and Technology Interdisciplinary Graduate School of Science and Engineering Tokyo Institute of Technology Yokohama, Japan August 2017 Acknowledgements First of all, I would like to express my sincere gratitude to my academic advisor, Professor Kunio Yoshikawa, for giving me the opportunity to study, research and complete this dissertation. Without his patience, academic guidance and support in the most difficult times, this dissertation is impossible to be completed. Again, I would like to send my deep thanks to Professor Kunio Yoshikawa. Also, I would like to acknowledge the thesis committee including Professor Tohru Kamo, Professor Hirofumi Hinode, Professor Kenji Takeshita, Professor Koji Tokimatsu, and especially Professor Fumitake Takahashi, for the time and the efforts that Professors spent on examining the whole dissertation.

Through comments and criticisms, the professors helped me expand and understand more my research topic as well as improve the quality of this dissertation. This dissertation also cannot be completed without the help of Monotsukuri Center (in Suzukakedai campus) where I was supported and provided necessary equipment and devices for experiment. I really thank the staffs of the center, especially Ms. Kyoko Sato and Ms.

Ryoko Urakawa, who helped me use each equipment and device. I also want to thank Dr. Kiyoshi Tsuji, Dr. Ayako Takada, and Mrs.

Eriko Ohno for the dedicated support during the experiments. I would like to thank my laboratory colleagues for their help during the experiments. Many thanks go to Abooali Golzary, Department of Environmental Engineering, Faculty of Environment, University of Tehran, for his enthusiastic guidance and support in microalgae cultivation. I also cannot forget discussions, encouragements, and experiences which I received from other colleagues, especially Mohammad Saber and Muhammad Kunta Biddinika.

In addition, I would like to thank my family members, my parents and my younger sister, for their spiritual support during the most important periods, especially at the time of writing this dissertation. Their encouragement gave me more motivation to complete this thesis. Last but not least, I am grateful for JICA's support through the program "Doctoral Degree in Japan" of AUN/SEED-Net. Not only financial support, JICA also created a good environment for learning and research.

In particular, I would like to acknowledge the program coordinator, Ms. Tomomi Nishigaki, who supported and gave me helpful advice when I faced difficulties in my research and daily life as well. Biodiesel production from microalgae. Advantages of microalgae in biodiesel production.

Transesterification and esterification reactions for biodiesel production. Hydrothermal treatment of microalgae. The purpose of this study. Comparison between the lipid extraction from microalgae and the hydrochar and transesterification of extracted lipid for biodiesel production.

Materials and method. Hydrothermal carbonization of microalgae to create hydrochar. Determination of the content of total fatty acids (TFAs) in the samples. Determination of the content of free fatty acids (FFAs) in the samples.

Photos of lipid distribution in microalgae and the hydrochar. Comparison between the lipid extraction from microalgae and the hydrochar. Conversion of extracted lipid into biodiesel. Results and discussion.

The retention of fatty acids in the hydrochar. Comparison between the lipid extraction from microalgae and the hydrochar. Conversion of extracted lipid into biodiesel. Comparison between the direct transesterification of microalgae and the hydrochar.

Materials and method. Hydrothermal carbonization of microalgae to create the hydrochar. Comparison between the direct transesterification of microalgae and the hydrochar. Results and discussion.

Effect of the storage condition of microalgae paste on the hydrochar lipid and the direct transesterification of the hydrochar lipid for biodiesel production. Materials and Method. Microalgae cultivation and harvest. Storage of microalgae paste after harvesting.

Hydrothermal carbonization of microalgae to create the hydrochar. Direct transesterification of the hydrochar lipids. Results and discussion. Effect of the storage time on total fatty acids (TFAs) and free fatty acids (FFAs) in microalgae.

Effect of the storage time on total fatty acids (TFAs) and free fatty acids (FFAs) in the hydrochar. Direct transesterification of the hydrochar. 63 iv Tables Table 2. The retention time of FAMEs in the samples (microalgae or hydrochar).

The retention times of FAME standards. The composition of fatty acids in microalgae. The retention of fatty acids in the hydrochar. The total content of each fatty acid in the hydrochar (HTC 200 oC) and the aqueous phase.

The total content of each fatty acid in the hydrochar (HTC 210 oC) and the aqueous phase. The total content of each fatty acid in the hydrochar (HTC 220 oC) and the aqueous phase. The mass of the hydrochar having the equal amount of fatty acids in 100 mg microalgae. Ultimate analyses of microalgae and the hydrochar (HTC 200 oC).

The distribution of carbon and nitrogen in the hydrochar (HTC 200 oC) and the aqueous phase. The content FFAs/TFAs after the esterification pretreatment using Amberlyst 15 (molar ratio of methanol / lipid of 24:1, reaction temperature of 80 oC, catalyst in the range of 10 – 50% wt. The content FFAs/TFAs after the esterification pretreatment using Amberlyst 15 (catalyst of 30% wt. oil, the reaction temperature of 80 oC, the molar ratio of methanol / lipid in the range of 24:1, 18:1, 12:1, and 6:1).

The biodiesel yields through the esterification pretreatment and the transesterification (the molar ratio of methanol / lipid of 12:1, the amount of KOH of 0. oil, the reaction temperature of 65 oC and the reaction time of 60 minutes). The masses of the hydrochar having the equal amount of fatty acids in microalgae. Comparison between the process of lipid extraction, esterification, transesterification and the process of direct transesterification.

The effect of the storage time (one and two days) on total fatty acids (TFAs) and free fatty acids (FFAs) in microalgae. Mass yields of the hydrochar after HTC of algae. The TFA retention and FFAs/TFAs in the hydrochar after HTC. Yields of the direct transesterification of the hydrochar (0) (HTC 200 °C) and the hydrochar (1) (HTC 200 °C) at 80 °C, 90min.

57 vi Figures Figure 1. Transesterification of triglycerides for biodiesel production [1. Esterification of free fatty acids for biodiesel production [1. The sizes of hydrochar at HTC of 190 oC and 200 oC.

The HTC process of microalgae in the autoclave. The temperature profiles of the HTC experiments. The response factors of standards of fatty acid methyl esters. The chromatograph of FAMEs in the samples (microalgae or hydrochar).

Hydrolysis of sucrose (carbohydrate) into glucose and fructose. Hydrolysis of protein into peptide and amino acid. Hydrolysis of triglyceride into free fatty acids and glycerol. Yields of lipid extraction from microalgae and the hydrochar by a mixture of hexane/isopropanol (3:2 v/v).

Photos of microalgae and the hydrochar (at HTC 200 oC) by confocal laser- scanning microscopy (LSM780, ZEISS). The content FFAs/TFAs after the esterification pretreatment using Amberlyst 15 (molar ratio of methanol / lipid of 24:1, reaction temperature of 80 oC, catalyst in the range of 10 – 50% wt. Acid site (–SO3H) of Amberlyst-15 catalyst. Mechanism of Amberlyst-15 catalyzed esterification of FFAs [2.

The content FFAs/TFAs after the esterification pretreatment using Amberlyst 15 (catalyst of 30% wt. oil, the reaction temperature of 80 oC, the molar ratio of methanol / lipid in the range of 24:1, 18:1, 12:1, and 6:1). The biodiesel yields of the direct transesterification at the conditions of 100 mg microalgae (or 45.5 mg hydrochar) / ml methanol, 2% v/v acid H2SO4, 80 oC. The biodiesel yields of the direct transesterification at the conditions of 200 mg microalgae (or 91.0 mg hydrochar) / ml methanol, 2% v/v acid H2SO4, 80 oC.

Photos of microalgae and the hydrochar (HTC 200 oC) by confocal laser-scanning microscopy (LSM780, ZEISS). The biodiesel yield of the direct transesterification at the conditions of 300 mg microalgae (or 136.5 mg hydrochar) / ml methanol, 2% v/v (or 3% v/v) acid H2SO4, 80 oC. The biodiesel yield of the direct transesterification at the conditions of 400 mg microalgae (or 182.1 mg hydrochar) / ml methanol, 2% v/v (or 3% v/v) acid H2SO4, 80 oC. Direct transesterification of the hydrochar lipids in the glass tube heated by the oil bath.

The hydrolysis of triglyceride by enzyme lipase to create free fatty acids. The whole process of biodiesel production from fresh microalgae in both cases of (0) and (1). 58 viii Abstract In recent years, the biofuels are studied with the aim of gradually replacing fossil fuels. In particular, the biodiesel production from microalgae gains much attention.

Microalgae have specific characteristics such as the high lipid content, the rapid growth rate, and the good adaptation to non-agricultural land, and these make microalgae more competitive than other types of feedstock in the production of biodiesel. The biodiesel production from microalgae has two main approaches. In the first one called the two-step method, the lipids are firstly extracted by organic solvents, and then the extracted-lipids undergo the transesterification process for biodiesel synthesis. In the other called the direct transesterification method, the lipids in microalgae are extracted and converted into biodiesel in one step.

This method has some advantages such as the elimination of using extraction solvents and the higher biodiesel yield. However, there are still some obstacles hindering the application of these methods in the actual production. After the harvesting, the moisture content of microalgae paste is in the range of 75 – 85%. This high moisture level significantly affects the extraction yield of lipid from microalgae and the biodiesel yield of the direct transesterification reaction.

Therefore, the complete removal of water from microalgae must be done before subsequent conversion steps for biodiesel production. Because the drying process consumes so much energy, another pretreatment of microalgae paste is necessary. Hydrothermal carbonization (HTC) is an energy-effective method to remove water from microalgae paste. HTC of microalgae is a process in which microalgae react with water at a high temperature and pressure (around 200 oC and 2 MPa).

After the process, the solid hydrochar can be filtered from the aqueous phase, and most of lipid in microalgae feedstock is retained in the hydrochar. The production of biodiesel from hydrochar was investigated in this thesis by the methods that have been applied to microalgae. In each method, the biodiesel yields of microalgae and hydrochar were compared to assess the advantages that can be achieved when using hydrochar as a feedstock for biodiesel production. In the two-step method, the yield of lipid extraction from the hydrochar (about 80%) was higher than from microalgae (about 30%).

These following factors facilitated the penetration of solvent into hydrochar to extract lipid. After the hydrothermal carbonization process, the microalgae cells were impacted and contractive. Moreover, the ratio of FFAs/TFAs of the hydrochar (at HTC 200 oC) was higher than microalgae (48. The appropriate conditions for the esterification pretreatment of extracted lipid were as follows: the catalyst Amberlyst 15 of 30% wt.

oil, the reaction temperature of 80 oC, 12:1 molar ratio of methanol / lipid. Next, the biodiesel yield of 93.6% can be achieved after the transesterification of pretreated lipid at the conditions of 12:1 molar ratio of methanol / lipid, the amount of KOH of 1. oil, the reaction temperature of 65 oC and the reaction time of 60 minutes. In the direct transesterification method, the yields of hydrochar were higher than the yields of microalgae at the same reaction conditions.

The appropriate conditions for biodiesel ix production from microalgae were the ratio of 200 mg microalgae / ml methanol, 2% v/v acid H2SO4, reaction temperature of 80 oC, and 90 minutes of the reaction.