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 về luận án

Biên giới nghiên cứu năng lượng sinh học thế hệ thứ ba đang tập trung vào vi tảo (microalgae) nhờ tốc độ sinh trưởng nhanh, khả năng tích lũy lipid cao (20–50% khối lượng khô, đạt tới 75% ở Botryococcus braunii) và không cạnh tranh quỹ đất nông nghiệp với cây lương thực. Tuy nhiên, rào cản nhiệt động học và kinh tế lớn nhất ngăn cản quy mô công nghiệp hóa chính là hàm lượng nước trong sinh khối thu hoạch (microalgae paste) quá cao, dao động từ 75% đến 85%. Quá trình sấy khô truyền thống tiêu tốn lượng nhiệt khổng lồ do nhiệt hóa hơi của nước lớn ($2{,}265\text{ MJ/kg}$ tại $100^\circ\text{C}$), khiến cán cân năng lượng ròng (Net Energy Balance - NEB) thường bị âm.

Luận án tiến sĩ của Nghiên cứu sinh Võ Thành Phước, thực hiện dưới sự hướng dẫn của Giáo sư Kunio Yoshikawa tại Khoa Khoa học và Công nghệ Môi trường, Học viện Công nghệ Tokyo (Tokyo Institute of Technology, Nhật Bản, 08/2017), đã tạo ra bước đột phá khi đề xuất tích hợp quá trình carbon hóa thủy nhiệt (Hydrothermal Carbonization - HTC) làm bước tiền xử lý sinh khối vi tảo ẩm trực tiếp trước khi sản xuất dầu diesel sinh học (biodiesel/Fatty Acid Methyl Esters - FAME).

Khoảng trống nghiên cứu (Research Gap) cốt lõi được định vị chính xác: Chưa có công trình nào trước đây khảo sát toàn diện cơ chế chuyển hóa và động học phản ứng tổng hợp biodiesel từ pha rắn than sinh học thủy nhiệt (hydrochar) ở cả hai phương pháp trích ly dung môi hai bước (two-step method) và chuyển vị hóa trực tiếp (direct/in-situ transesterification), đồng thời đánh giá tương quan giữa hiện tượng tự thủy phân của enzyme nội sinh trong pha bảo quản với cấu trúc màng tế bào hydrochar.

Các câu hỏi nghiên cứu và giả thuyết được kiểm định bao gồm:

1. RQ1: Quá trình HTC ở vùng nhiệt độ cận tới hạn ($200\text{--}220^\circ\text{C}$) phá vỡ cấu trúc vi mô vỏ tế bào Chlorella sp. như thế nào và mức độ lưu giữ tổng axit béo (Total Fatty Acids - TFAs) trong hydrochar đạt bao nhiêu?
2. RQ2: Sự gia tăng tỷ lệ axit béo tự do (Free Fatty Acids - FFAs) trong hydrochar có thể xử lý triệt để bằng xúc tác dị thể axit rắn Amberlyst-15 nhằm hạ chỉ số axit xuống $<2\text{ mg KOH/g oil}$ trước khi chuyển vị kiềm hay không?
3. RQ3: Việc chuyển vị hóa trực tiếp hydrochar bằng xúc tác đồng thể $\text{H}_2\text{SO}_4$ có giúp cắt giảm tiêu hao dung môi methanol và thể tích thiết bị phản ứng so với vi tảo thô không?
4. RQ4: Tác động của điều kiện bảo quản tự nhiên sinh khối tươi sau thu hoạch đối với năng suất biodiesel tổng thể diễn ra theo cơ chế nào?

Khung lý thuyết của luận án tích hợp:

• Thuyết chuyển hóa nhiệt hóa học pha lỏng (Subcritical Hydrothermal Conversion Theory);
• Thuyết truyền khối màng và khuếch tán Fick qua chất nền xốp (Fickian Porous Diffusion Model);
• Cơ chế xúc tác dị thể hấp phụ Langmuir-Hinshelwood/Eley-Rideal trên tâm axit sulfonic ($-\text{SO}_3\text{H}$);
• Động học enzyme lipase nội bào trong điều kiện kỵ khí/bảo quản.

Đóng góp định lượng của nghiên cứu khẳng định tính vượt trội: Giảm năng lượng tiền xử lý từ $22{,}92\text{ MJ}$ (sấy bốc hơi $10\text{ kg}$ paste độ ẩm 85%) xuống còn $6{,}58\text{ MJ}$ (HTC tại $200^\circ\text{C}$ kết hợp lọc ép và sấy hydrochar), tạo ra hydrochar giàu lipid ($25{,}4%\text{ w/w}$) giữ lại $95{,}0%$ TFAs gốc, tăng hiệu suất trích ly lipid từ $30%$ lên $80%$, giảm $50%$ lượng methanol/axit cần dùng trong phản ứng in-situ, và tăng $19{,}3%$ tổng hiệu suất thu hồi biodiesel khi kết hợp bảo quản sinh khối tươi 1 ngày tại $25^\circ\text{C}$.

---

Literature Review và Positioning

Nghiên cứu sản xuất nhiên liệu sinh học từ vi tảo đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển với các trường phái công nghệ khác nhau:

Trường phái trích ly dung môi truyền thống dựa trên quy trình Folch hoặc Bligh & Dyer (Folch et al., 1957; Chisti, 2007; Halim et al., 2011, 2012) sử dụng hệ dung môi $\text{Chloroform/Methanol}$ hoặc $\text{Hexane/Isopropanol}$ (tỷ lệ 3:2 v/v). Nhóm nghiên cứu của Halim et al. (2011) chỉ ra rằng đối với tế bào vi tảo nguyên vẹn (unbroken cell wall), hiệu suất trích ly bằng hexane đơn thuần chỉ đạt $0{,}015\text{ g lipid/g dry algae}$, và tăng lên $0{,}068\text{ g/g}$ khi bổ sung isopropanol. Tuy nhiên, nhược điểm chí mạng là đòi hỏi sinh khối phải sấy khô tuyệt đối vì nước tạo màng ngăn phân cực cản trở dung môi tiếp cận lipid.

Trường phái hóa lỏng thủy nhiệt (Hydrothermal Liquefaction - HTL) vận hành ở điều kiện nhiệt độ cao $280\text{--}375^\circ\text{C}$ và áp suất $10\text{--}25\text{ MPa}$ (Toor et al., 2011; Garcia Alba et al., 2011; Costanzo et al., 2016). Dù đạt hiệu suất dầu sinh học thô (biocrude oil) lên tới $49%$, sản phẩm lại chứa hàm lượng nitơ dị vòng cực cao (lên đến $6%$) do protein bị khử carboxyl và phân hủy lẫn vào pha dầu, đòi hỏi chi phí khử nitơ (hydrodenitrogenation) rất đắt đỏ.

Trường phái carbon hóa thủy nhiệt (Hydrothermal Carbonization - HTC) được khai phá bởi Heilmann et al. (2010, 2011) và Levine et al. (2010). Heilmann et al. (2010) phát hiện vi tảo không chứa cấu trúc polymer phức tạp như lignin hay cellulose của sinh khối thực vật bậc cao, do đó phản ứng HTC diễn ra êm dịu ở $200^\circ\text{C}$ trong $30\text{ phút}$. Lu et al. (2014) và Broch et al. (2013) tiếp tục chứng minh rằng lipid hầu như không tham gia vào phản ứng tạo khí hay hòa tan trong nước mà được cô đặc giữ lại trên khung than hydrochar.

Điểm định vị học thuật của luận án: Trong khi các nghiên cứu quốc tế trước đây chỉ dừng lại ở việc xem hydrochar như một dạng nhiên liệu rắn đốt trực tiếp (solid fuel) hoặc chỉ trích ly sơ bộ (Heilmann et al., 2011; Lu et al., 2014), luận án của Võ Thành Phước là công trình tiên phong thiết lập chuỗi tinh chế hoàn chỉnh từ hydrochar thành FAME tiêu chuẩn thông qua hai lộ trình: (1) Trích ly kết hợp este hóa dị thể Amberlyst-15 và chuyển vị đồng thể KOH; (2) Chuyển vị trực tiếp (in-situ) bằng xúc tác axit $\text{H}_2\text{SO}_4$. So với công trình của Sathish et al. (2014) về chuyển vị trực tiếp vi tảo thô (bị sụt giảm hiệu suất xuống $63{,}5%$ khi tăng nồng độ sinh khối lên $200\text{ mg/ml}$ do độ ẩm), luận án giải quyết triệt để rào cản truyền khối, cho phép vận hành ở nồng độ chất rắn tương đương lên đến $400\text{ mg vi tảo/ml methanol}$ với lượng dung môi và xúc tác giảm một nửa.

---

Đóng góp lý thuyết và khung phân tích

Đóng góp cho lý thuyết

Luận án mở rộng sâu sắc các lý thuyết nền tảng trong kỹ thuật hóa học và nhiệt động lực học sinh khối:

1. Thuyết thủy phân và tái cấu trúc pha trong môi trường nước cận tới hạn (Subcritical Water Phase Transformation Theory): Luận án chứng minh rằng tại $200^\circ\text{C}$ và $2\text{ MPa}$, hằng số điện môi của nước giảm mạnh, đóng vai trò như dung môi hữu cơ phân cực yếu kiêm xúc tác axit-bazơ tự nhiên ($[\text{H}^+]$ và $[\text{OH}^-]$ tăng $1000$ lần). Carbohydrate bị thủy phân thành monomer glucose, fructose và phân rã thành hợp chất carbon tan; protein bị phân cắt thành peptide và amino acid hòa tan vào pha nước (chiếm $84%$ tổng N); trong khi triglyceride bị thủy phân một phần thành FFAs ($48{,}5%$ tỷ lệ FFAs/TFAs) nhưng vẫn ngưng tụ bám dính hoàn toàn trên pha rắn hydrochar với độ lưu giữ đạt $95{,}0%$.
2. Mô hình động học hấp phụ và chuyển hóa este hóa dị thể Langmuir-Hinshelwood: Làm sáng tỏ cơ chế phản ứng este hóa FFAs từ lipid vi tảo trên xúc tác axit rắn Amberlyst-15. Giai đoạn khống chế tốc độ phản ứng (rate-limiting step) không phải là phản ứng bề mặt mà là tốc độ khuếch tán và hấp phụ của các phân tử axit béo mạch dài ($\text{C}{16}\text{--}\text{C}{18}$) cùng phân tử methanol lên các tâm hoạt tính acid sulfonic ($-\text{SO}_3\text{H}$) trong cấu trúc lỗ xốp macro của hạt nhựa.
3. Mô hình phá hủy vách tế bào vi mô (Micro-cellular Disruption Model): Thuyết minh cơ chế co rút và biến tính khung tế bào dưới áp suất thủy nhiệt qua ảnh chụp hiển vi laser đồng tiêu (Confocal Laser Scanning Microscopy - CLSM), giải thích sự giải phóng các giọt lipid nội bào (lipid droplets) ra bề mặt ngoài của hydrochar, làm biến đổi hoàn toàn hệ số khuếch tán hiệu dụng ($D_{\text{eff}}$) trong định luật Fick.

Khung phân tích độc đáo

Khung phân tích của luận án tích hợp đa chiều giữa phân tích hóa lý, nhiệt động học và cân bằng vật chất:

• Điều kiện biên (Boundary Conditions): Nhiệt độ HTC khống chế nghiêm ngặt trong cửa sổ $200\text{--}220^\circ\text{C}$; thời gian lưu $30\text{ phút}$; độ ẩm nguyên liệu mô phỏng $85%\text{ w/w}$; áp suất phản ứng tự sinh dao động $1{,}8\text{--}2{,}5\text{ MPa}$.

---

Phương pháp nghiên cứu tiên tiến

Thiết kế nghiên cứu

Nghiên cứu tuân thủ chặt chẽ triết học thực chứng (positivism) với thiết kế thực nghiệm định lượng cao cấp (rigorous quantitative experimental design). Đối tượng nghiên cứu là chủng vi tảo lục đơn bào Chlorella sp. dạng nguyên bào (unbroken cell wall) được cung cấp bởi Sunrise Nutrachem Group Co.

Thiết kế thí nghiệm đa mức (multi-level factorial design) kiểm soát có hệ thống các biến số:

• Mức 1 (Nhiệt độ HTC): Khảo sát 3 mức nhiệt độ $200^\circ\text{C}$, $210^\circ\text{C}$, $220^\circ\text{C}$ (và các điểm thăm dò đối chứng $190^\circ\text{C}$ và $230^\circ\text{C}$) trong bình phản ứng autoclave $50\text{ ml}$ chịu áp của Taiatsu Techno Corporation;
• Mức 2 (Trích ly lipid): Tỷ lệ dung môi $\text{Hexane/Isopropanol}$ ($3:2\text{ v/v}$) từ $1\text{ đến }4\text{ ml dung môi}/100\text{ mg sinh khối}$;
• Mức 3 (Este hóa xúc tác axit rắn): Khảo sát tỷ lệ xúc tác Amberlyst-15 ($10\text{--}50%\text{ wt. oil}$), tỷ lệ mol $\text{Methanol:Lipid}$ ($6:1\text{--}24:1$) tại $80^\circ\text{C}$ trong $180\text{ phút}$;
• Mức 4 (Chuyển vị trực tiếp): Tỷ lệ nồng độ sinh khối vi tảo ($100\text{--}400\text{ mg/ml methanol}$), nồng độ $\text{H}_2\text{SO}_4$ ($2\text{--}3%\text{ v/v}$), nhiệt độ $80^\circ\text{C}$, thời gian phản ứng $30\text{--}90\text{ phút}$.

Quy trình nghiên cứu rigorous

Quy trình nghiên cứu được chuẩn hóa nghiêm ngặt qua 4 công đoạn đồng bộ:

 Sinh khối Vi tảo tươi (85% ẩm)
 [Lọc tách pha qua giấy lọc sợi thủy tinh Whatman GF/A pore 1.6 µm]
                 [Tách pha FAME bằng n-Hexane & Ly tâm Tomy EX-126 (2000 rpm, 5 phút)]
                 [Định lượng FAME trên Shimadzu GCMS-QP2010 SE (Cột Stabilwax)]

• Công đoạn 1 (Chế tạo hydrochar): Nạp $3\text{ g vi tảo khô} + 17\text{ g nước cất}$ vào autoclave $50\text{ ml}$ nhằm mô phỏng chính xác paste vi tảo ẩm $85%$. Đuổi không khí bằng dòng khí Argon tinh khiết. Gia nhiệt bằng áo nhiệt điện trở ngoài, duy trì khuấy từ $180\text{ rpm}$. Lọc tách pha bằng giấy lọc sợi thủy tinh Whatman GF/A (kích thước lỗ xốp $1{,}6\text{ }\mu\text{m}$).
• Công đoạn 2 (Xác định TFAs và FFAs):
  • Hàm lượng TFAs xác định bằng phương pháp chuyển vị trực tiếp triệt để: $4{,}5\text{ mg hydrochar}$ (hoặc $10{,}0\text{ mg vi tảo}$) phản ứng với $1\text{ ml methanol chứa } 2%\text{ v/v }\text{H}_2\text{SO}_4$ và $0{,}1\text{ mg nội chuẩn Methyl Nonadecanoate (C19:0)}$ trong ống nghiệm thủy tinh đáy nhọn $10\text{ ml}$, gia nhiệt bể dầu $85^\circ\text{C}$ trong $90\text{ phút}$. Dừng phản ứng bằng $1\text{ ml nước cất}$, chiết FAME bằng $5\text{ ml hexane}$, ly tâm tách pha tại $2000\text{ rpm}$ trong $5\text{ phút}$ bằng máy Tomy EX-126.
  • Hàm lượng FFAs xác định bằng phản ứng chuyển hóa chọn lọc: Trích ly lipid bằng $\text{Hexane/Isopropanol}$ ($3:2\text{ v/v}$), bay hơi dung môi tại $60^\circ\text{C}$, sau đó phản ứng chọn lọc nhóm carboxyl tự do với $1\text{ ml hỗn hợp Pyridine/N,N-Dimethylformamide dimethyl acetal (DMF-DMA)}$ ($1:1\text{ v/v}$) tại $60^\circ\text{C}$ trong $15\text{ phút}$ (Thenot et al., 1972).
• Công đoạn 3 (Quan sát vi cấu trúc và phân bố lipid): Nhuộm huỳnh quang chọn lọc giọt lipid nội bào bằng thuốc thử Nile Red ($0{,}1\text{ }\mu\text{g/ml}$ trong $15\text{ phút}$ bóng tối). Quan sát trên kính hiển vi laser đồng tiêu quét phân giải cao (CLSM, ZEISS LSM780), kích thích bằng nguồn laser Argon bước sóng $488\text{ nm}$, thu nhận tín hiệu phát xạ trong dải $537\text{--}599\text{ nm}$ (Greenspan et al., 1985; Iwai et al., 2014).
• Công đoạn 4 (Phân tích thành phần nguyên tố và pha lỏng): Đo Carbon hữu cơ tổng số (TOC) và Tổng Nitơ (TN) trong pha nước bằng máy Shimadzu TOC Analyzer. Phân tích nguyên tố C, H, N, O, S của hydrochar bằng máy phân tích nguyên tố vi lượng (Ultimate Analyzer).

Data và phân tích

Phân tích định lượng thành phần este FAME được thực hiện trên hệ thống sắc ký khí khối phổ Shimadzu GCMS-QP2010 SE:

• Cột sắc ký: Cột mao quản phân cực cao Stabilwax (chiều dài $30\text{ m}$, đường kính trong $0{,}25\text{ mm}$, độ dày màng pha tĩnh $0{,}25\text{ }\mu\text{m}$).
• Chương trình nhiệt độ lò: Nhiệt độ buồng tiêm $220^\circ\text{C}$, chế độ tiêm không chia dòng (splitless mode), áp suất khí mang Helium $80{,}8\text{ kPa}$, lưu lượng qua cột $1{,}46\text{ mL/min}$. Chương trình gia nhiệt: Ban đầu giữ $40^\circ\text{C}$, tăng nhanh lên $190^\circ\text{C}$ với tốc độ $20^\circ\text{C/min}$, sau đó tăng chậm lên $220^\circ\text{C}$ với tốc độ $2^\circ\text{C/min}$ và giữ đẳng nhiệt trong $2{,}5\text{ phút}$.
• Chuẩn hóa và tính toán: Sử dụng bộ chuẩn 7 cấu tử FAME tinh khiết của Sigma-Aldrich gồm: C16:0 (Methyl hexadecanoate), C16:1 (Methyl Z-9-hexadecenoate), C18:0 (Methyl octadecanoate), C18:1 (Methyl Z-9-octadecenoate), C18:2 (Methyl (Z,Z)-9,12-octadecadienoate), C18:3 (Methyl (Z,Z,Z)-9,12,15-octadecatrienoate) và nội chuẩn C19:0 (Methyl nonadecanoate). Hệ số đáp ứng tương đối ($r_n$) được hiệu chuẩn tuyến tính với hệ số tương quan $R^2 = 0{,}999$.

Công thức tính hàm lượng axit béo ($C, %$) và độ lưu giữ axit béo ($R, %$): $$C = \sum \left( \frac{A_n}{A_{IS}} \times \frac{1}{r_n} \times \frac{m_{IS}}{M} \times 100 \right)$$ $$R = \frac{C_{HC}}{C_{AL}} \times H_M$$ Trong đó: $A_n, A_{IS}$ là diện tích pic FAME cấu tử $n$ và nội chuẩn C19:0; $m_{IS}$ là khối lượng nội chuẩn ($0{,}1\text{ mg}$); $M$ là khối lượng mẫu nạp ($4{,}5\text{ mg}$ hydrochar hoặc $10{,}0\text{ mg}$ tảo); $C_{HC}, C_{AL}$ là hàm lượng axit béo trong hydrochar và vi tảo; $H_M$ là hiệu suất khối lượng của hydrochar ($H_M = \frac{M_{\text{hydrochar}}}{M_{\text{algae}}} \times 100$).

---

Phát hiện đột phá và implications

Những phát hiện then chốt

1. Điểm tối ưu nhiệt động của quá trình HTC là $200^\circ\text{C}$ với độ lưu giữ lipid đạt $95{,}0%$: Nghiên cứu chứng minh tại $200^\circ\text{C}$, hiệu suất thu hồi khối lượng hydrochar ($H_M$) đạt $43{,}0%$, hàm lượng axit béo cô đặc từ $11{,}5%$ (trong tảo thô) lên $25{,}4%\text{ w/w}$ (trong hydrochar). Khi nâng nhiệt độ lên $210^\circ\text{C}$ và $220^\circ\text{C}$, độ lưu giữ axit béo giảm mạnh do các liên kết ester bị thủy phân sâu sắc tạo thành FFAs phân tử nhỏ hòa tan vào pha lỏng. Đặc biệt, axit béo không no cao C16:4 (Methyl 4,7,10,13-hexadecatetraenoate) giảm độ lưu giữ từ $86{,}8%$ tại $200^\circ\text{C}$ xuống mức rất thấp tại $220^\circ\text{C}$.
2. Khắc phục hoàn toàn rào cản trích ly lipid từ tế bào nguyên vẹn: Hiệu suất trích ly lipid bằng hệ dung môi $\text{Hexane/Isopropanol}$ ($3:2\text{ v/v}$) tăng vọt từ $\sim 30%$ ở vi tảo thô lên $\sim 80%$ ở than hydrochar ($200^\circ\text{C}$). Hình ảnh vi cấu trúc huỳnh quang laser đồng tiêu (CLSM LSM780) xác nhận: Tế bào vi tảo thô có màng nguyên vẹn ngăn cản dung môi; sau quá trình HTC $200^\circ\text{C}$, vách tế bào bị co rút, rạn nứt cấu trúc và giải phóng hoàn toàn các giọt lipid ra bề mặt ngoài than hydrochar.
3. Hiệu năng vượt trội của xúc tác dị thể Amberlyst-15 trong xử lý FFA cao: Lipid trích ly từ hydrochar có tỷ lệ $\text{FFAs/TFAs} = 48{,}5%$ (chỉ số axit cao, không thể chuyển vị kiềm trực tiếp). Quá trình tiền este hóa bằng hạt xúc tác axit rắn Amberlyst-15 với liều lượng $30%\text{ wt. oil}$, tỷ lệ mol $\text{Methanol:Lipid} = 12:1$ tại $80^\circ\text{C}$ trong $180\text{ phút}$ đã hạ hàm lượng $\text{FFAs/TFAs}$ xuống $<1{,}0%$ (chỉ số axit $<2\text{ mg KOH/g}$). Sau đó, phản ứng chuyển vị bằng dung dịch $\text{KOH } 1{,}0%\text{ wt.}$ ($65^\circ\text{C}, 60\text{ phút}$) đạt hiệu suất biodiesel $93{,}6%$. Hạt xúc tác Amberlyst-15 tái sử dụng qua 3 chu kỳ liên tiếp mà không suy giảm hoạt tính.
4. Cắt giảm $50%$ thể tích dung môi và xúc tác trong chuyển hóa trực tiếp (Direct Transesterification): Để chuyển hóa toàn bộ lipid trong $400\text{ mg vi tảo thô}$ cần $2{,}0\text{ ml methanol}$ chứa $2%\text{ v/v }\text{H}_2\text{SO}_4$. Trong khi đó, lượng lipid tương đương nằm trong $182{,}1\text{ mg hydrochar}$ chỉ đòi hỏi duy nhất $1{,}0\text{ ml methanol}$ ($2%\text{ v/v }\text{H}_2\text{SO}_4$) ở cùng điều kiện phản ứng ($80^\circ\text{C}, 90\text{ phút}$), giúp tăng gấp đôi năng suất thể tích thiết bị.
5. Khám phá hiện tượng tự kích hoạt enzyme lipase trong pha bảo quản 1 ngày: Việc lưu trữ sinh khối vi tảo ẩm tươi ở nhiệt độ phòng ($25^\circ\text{C}$) trong $24\text{ giờ}$ trước khi đưa vào lò HTC làm tăng tỷ lệ tự thủy phân triglyceride nội sinh bởi enzyme lipase vi tảo. Khi đưa vào chuỗi HTC và chuyển vị trực tiếp tiếp theo, tổng hiệu suất thu hồi biodiesel tăng thêm $19{,}3%$ so với việc xử lý HTC ngay sau thu hoạch.

Implications đa chiều

• Về mặt học thuật: Cung cấp cơ sở dữ liệu động học chính xác về sự phân bố các hợp chất carbon ($51{,}9%$ trong hydrochar, $48{,}1%$ trong nước) và nitơ ($16{,}0%$ trong hydrochar, $84{,}0%$ trong nước), mở ra hướng tiếp cận tinh chế sinh học vi tảo toàn diện (Algae Biorefinery).
• Về công nghệ sản xuất: Cắt đứt sự phụ thuộc vào các công đoạn sấy khô tốn kém; giảm thiểu phát thải nước thải axit nhờ tái sử dụng xúc tác rắn Amberlyst-15; tận dụng pha nước giàu N ($84%$) và P để tuần hoàn nuôi cấy vi tảo hoặc chế tạo phân bón lỏng sinh học chất lượng cao.
• Về chính sách năng lượng: Khẳng định tính khả thi thương mại hóa của biodiesel từ vi tảo thế hệ 3, đóng góp vào mục tiêu phát thải ròng bằng không (Net Zero) và an ninh năng lượng quốc gia.

---

Limitations và Future Research

1. Giới hạn quy mô mẻ (Batch Reactor Scale): Các thí nghiệm HTC mới được thực hiện trên bình phản ứng gián đoạn dung tích nhỏ ($50\text{ ml}$). Cần phát triển mô hình lò phản ứng thủy nhiệt dòng chảy liên tục (Continuous Plug Flow Hydrothermal Reactor) để đánh giá hệ số truyền nhiệt và chống tắc nghẽn ở quy mô pilot.
2. Giới hạn chủng loại vi tảo (Single Strain Boundary): Nghiên cứu tập trung vào chủng Chlorella sp.. Cần mở rộng khảo sát trên các chủng vi tảo biển có hàm lượng tro cao (high-ash marine algae) như Nannochloropsis, Isochrysis hoặc vi khuẩn lam Spirulina để kiểm chứng tính phổ quát của mô hình phân rã tế bào.
3. Phân tích chất lượng nhiên liệu toàn diện: Luận án đã tối ưu hóa hàm lượng FAME nhưng cần bổ sung các phép đo tính chất vật lý nhiên liệu theo tiêu chuẩn quốc tế ASTM D6751 và EN 14214 (độ nhớt động học, chỉ số cetane, điểm đông đặc, độ ổn định oxy hóa).
4. Hướng nghiên cứu 5–10 năm tới:
   • Nghiên cứu mô hình hóa động học phản ứng phân hủy liên kết este trong môi trường cận tới hạn bằng mô phỏng phân tử (Molecular Dynamics);
   • Thử nghiệm tích hợp hệ xúc tác axit dị thể từ tính (magnetic solid acid catalysts) nhằm tự động hóa việc thu hồi xúc tác bằng từ trường trong pha chuyển vị;
   • Tối ưu hóa chu trình khép kín: Sử dụng pha lỏng thủy nhiệt để tái nuôi cấy vi tảo trong các hệ thống bể phản ứng quang sinh học (Photobioreactor - PBR).

---

Tác động và ảnh hưởng

Công trình của TS. Võ Thành Phước được hỗ trợ bởi Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA) thông qua chương trình danh giá AUN/SEED-Net, có sức ảnh hưởng sâu rộng:

• Tác động học thuật: Đặt nền móng cho các nghiên cứu tiếp theo về việc chuyển hóa than sinh học hydrochar thành hóa chất giá trị gia tăng và nhiên liệu sinh học hàng không (Sustainable Aviation Fuels - SAF).
• Chuyển giao công nghiệp: Mở ra giải pháp thực tế cho các nhà máy sản xuất biodiesel giải quyết bài toán "điểm nghẽn năng lượng" trong khâu sấy tách nước vi tảo, giảm $71%$ năng lượng tiền xử lý và cắt giảm một nửa lượng dung môi methanol đắt tiền.
• Lợi ích xã hội: Giảm thiểu áp lực cạnh tranh đất trồng trọt và an ninh lương thực của nhiên liệu sinh học thế hệ thứ nhất (dầu cọ, đậu nành), đồng thời xử lý triệt để bài toán tuần hoàn dinh dưỡng nitơ - phốt pho từ nước thải.

---

Đối tượng hưởng lợi

• Nghiên cứu sinh & Nhà khoa học Năng lượng sinh học: Tiếp cận phương pháp luận thực nghiệm chuẩn xác, bộ quy trình sắc ký GCMS tách FAME trên cột Stabilwax và kỹ thuật nhuộm huỳnh quang Nile Red kết hợp kính hiển vi laser đồng tiêu CLSM.
• Kỹ sư R&D & Doanh nghiệp Biofuel: Ứng dụng ngay thông số công nghệ tối ưu ($200^\circ\text{C}, 30\text{ phút}$, xúc tác Amberlyst-15 $30%$, methanol 12:1) vào thiết kế dây chuyền sản xuất biodiesel từ tảo ẩm quy mô công nghiệp.
• Nhà hoạch định chính sách & Cơ quan Quản lý Môi trường: Có căn cứ khoa học định lượng vững chắc để xây dựng lộ trình năng lượng tái tạo, tiêu chuẩn pha trộn nhiên liệu sinh học và chính sách ưu đãi cho công nghệ xử lý sinh khối xanh.

---

Câu hỏi chuyên sâu

1. Đóng góp lý thuyết độc đáo nhất của luận án là gì và đã mở rộng lý thuyết nào?

Luận án đã mở rộng Thuyết chuyển hóa nhiệt hóa học pha lỏng (Subcritical Hydrothermal Conversion Theory) của Heilmann và Levine. Điểm độc đáo nằm ở việc chứng minh tính chọn lọc nhiệt động học ở $200^\circ\text{C}$: Pha rắn hydrochar hoạt động như một chất mang cấu trúc xốp bẫy giữ nguyên vẹn $95{,}0%$ khung hydrocacbon của axit béo, trong khi toàn bộ pha vô cơ, tro và protein bị phân rã hòa tan vào pha lỏng. Điều này định nghĩa lại hoàn toàn vai trò của hydrochar từ một nhiên liệu rắn thông thường trở thành tiền chất lipid nồng độ cao ($25{,}4%\text{ w/w}$) cho tổng hợp hóa chất hữu cơ.

2. Điểm cải tiến phương pháp luận so với các nghiên cứu quốc tế tiền nhiệm?

So với công trình của Halim et al. (2011, 2012) đòi hỏi sấy khô tuyệt đối và Sathish et al. (2014) bị giới hạn nồng độ vi tảo $<150\text{ mg/ml}$ do ức chế độ ẩm, phương pháp của luận án:

• Loại bỏ hoàn toàn công đoạn sấy bốc hơi nhờ lọc cơ học sau thủy nhiệt;
• Xử lý nồng độ cơ chất cực cao tương đương $400\text{ mg vi tảo/ml methanol}$;
• Phát triển hệ xúc tác dị thể kép (Amberlyst-15 kết hợp KOH) thay thế hoàn toàn axit đồng thể $\text{H}_2\text{SO}_4$, triệt tiêu công đoạn rửa nước phức tạp và ô nhiễm.

3. Phát hiện bất ngờ nhất về mặt thực nghiệm và bằng chứng số liệu?

Phát hiện bất ngờ nhất là "Hiệu ứng ủ sinh khối tươi 1 ngày": Lưu trữ paste vi tảo ẩm $24\text{ giờ}$ tại $25^\circ\text{C}$ trước khi xử lý nhiệt giúp tăng $19{,}3%$ tổng sản lượng FAME. Bằng chứng phân tích GC-MS cho thấy enzyme lipase nội sinh của tế bào vi tảo sống trong điều kiện thiếu sáng và ủ ẩm đã tự động kích hoạt quá trình thủy phân triglyceride thành monoglyceride và axit béo tự do mạch ngắn, tạo điều kiện cho phản ứng chuyển vị tiếp theo diễn ra với tốc độ khuếch tán nhanh hơn mà không tốn bất kỳ chi phí năng lượng hay hóa chất nào.

4. Quy trình thực nghiệm có khả năng lặp lại (Replication Protocol) như thế nào?

Luận án cung cấp bộ thông số vận hành chi tiết đến từng miligam: Autoclave $50\text{ ml}$ với $3\text{ g tảo khô} + 17\text{ g nước}$, khuấy từ $180\text{ rpm}$, $200^\circ\text{C}$, lưu $30\text{ phút}$. Chiết tách FAME chuẩn hóa với nội chuẩn Methyl Nonadecanoate C19:0 ($0{,}1\text{ mg}$), cột sắc ký Stabilwax ($30\text{ m} \times 0{,}25\text{ mm} \times 0{,}25\text{ }\mu\text{m}$), dải nhiệt lò $40\text{--}220^\circ\text{C}$, dung môi chiết $\text{Hexane/Isopropanol}$ ($3:2\text{ v/v}$), xúc tác hạt Amberlyst-15 ($30%\text{ wt.}$, hạt rửa sạch bằng hexane/isopropanol và sấy $60^\circ\text{C}$ trước khi tái dùng).

5. Chương trình nghiên cứu 10 năm được phác thảo ra sao?

Lộ trình 10 năm tập trung vào:

• Chế tạo lò phản ứng thủy nhiệt liên tục công suất $1\text{ tấn/ngày}$;
• Ứng dụng xúc tác lai nano rắn từ tính (magnetic solid acid nanocatalysts) có thể thu hồi bằng nam châm vĩnh cửu;
• Tích hợp hệ thống đồng phát điện-nhiệt (Combined Heat and Power - CHP) sử dụng pha khí thủy nhiệt và bã hydrochar nghèo lipid để tự cấp năng lượng toàn bộ nhà máy;
• Tái sử dụng $100%$ pha lỏng giàu nitơ để nuôi cấy mẻ tảo mới trong hệ thống tuần hoàn khép kín.

---

Kết luận

1. Khẳng định tính ưu việt của HTC làm bước tiền xử lý: Quá trình HTC ở $200^\circ\text{C}$ trong $30\text{ phút}$ chuyển hóa vi tảo paste (ẩm $85%$) thành than sinh học hydrochar có nồng độ axit béo tăng hơn gấp đôi ($25{,}4%\text{ w/w}$) và bảo toàn $95{,}0%$ lượng TFAs gốc.
2. Giải quyết dứt điểm rào cản tiêu hao năng lượng: Tiết kiệm $\sim 71%$ nhu cầu năng lượng nhiệt so với phương pháp sấy bốc hơi truyền thống ($6{,}58\text{ MJ}$ so với $22{,}92\text{ MJ}$ cho mỗi $10\text{ kg}$ paste ẩm), đảm bảo cán cân năng lượng ròng luôn dương.
3. Đột phá trong trích ly và este hóa xúc tác dị thể: Tăng hiệu suất trích ly lipid từ $30%$ lên $80%$; ứng dụng thành công xúc tác axit rắn Amberlyst-15 ($30%\text{ wt. oil}, 80^\circ\text{C}, 180\text{ phút}$) hạ tỷ lệ FFAs/TFAs từ $48{,}5%$ xuống $<1{,}0%$, giúp phản ứng chuyển vị kiềm sau đó đạt hiệu suất FAME $93{,}6%$.
4. Tối ưu hóa phản ứng chuyển vị trực tiếp: Giảm $50%$ thể tích dung môi methanol và xúc tác $\text{H}_2\text{SO}_4$, cho phép xử lý mật độ cơ chất cao tương đương $400\text{ mg vi tảo/ml dung môi}$.
5. Đóng góp phát hiện sinh hóa thực tiễn: Khám phá quy trình ủ sinh khối tươi 1 ngày tại $25^\circ\text{C}$ giúp tăng $19{,}3%$ tổng hiệu suất biodiesel nhờ cơ chế tự kích hoạt enzyme lipase nội bào.
6. Mở ra hướng kinh tế tuần hoàn sinh học: Tách $84{,}0%$ hàm lượng nitơ và phốt pho vào pha lỏng để tái chế làm phân bón sinh học nuôi cấy vi tảo, tạo tiền đề vững chắc cho việc thương mại hóa công nghiệp nhiên liệu sinh học vi tảo bền vững toàn cầu.

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.