Ionic liquids assisted direct transesterification of microalgae for biodiesel production

Abstract

The growing global demand for sustainable energy sources, coupled with the negative environmental impacts caused by the use of fossil fuels, has driven the development of renewable alternatives such as biodiesel. Biodiesel, produced from biological materials such as vegetable oils, animal fats and, more recently, microalgae, stands out as a promising solution for reducing dependence on fossil fuels and mitigating climate change. Microalgae, in particular, are seen as a highly efficient source due to their rapid growth, high lipid content, and ability to be cultivated in diverse environments without competing with agricultural areas destined for food production.This dissertation investigates the feasibility of producing biodiesel from microalgae through an integrated process of extraction and direct transesterification, assisted by ionic liquids. The main objective was to develop and characterize a di-anionic ionic liquid (DAIL), derived from sulfosuccinic acid, capable of simultaneously optimizing lipid extraction and the transesterification reaction, promoting the production of methyl esters (biodiesel) more efficiently. The performance of this ionic liquid was compared with that of traditional catalysts such as sulfuric acid (H₂SO₄) and sodium hi-droxide (NaOH), as well as with a commercial ionic liquid (1-ethyl-3-methylimidazolium ethylsulfate). The experimental tests demonstrated that DAIL outperformed the commercial ionic liquid in the esterification of benzoic acid to methyl benzoate. Introducing a microwave pre-treatment to the algae enhanced the extraction yield but did not significantly improve the yield of FAMEs. Slight differences in the FAME's profile were observed between the samples with and without pre-treatment. Further studies are needed to assess the potential of the proposed ionic liquid and its combination with microwave pre-treatment, particularly in addressing limitations of conventional biodiesel production methods, especially concerning process efficiency and sustainability.

A crescente procura global de fontes de energia sustentáveis, associada aos impactos ambientais negativos causados pela utilização de combustíveis fósseis, tem impulsionado o desenvolvimento de alternativas renováveis como o biodiesel. O biodiesel, produzido a partir de materiais biológicos como óleos vegetais, gorduras animais e, mais recentemente, microalgas, destaca-se como uma solução promissora para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis e mitigar as alterações climáticas. As microalgas, em particular, são vistas como uma fonte altamente eficiente devido ao seu rápido crescimento, alto teor de lípidos e capacidade de serem cultivadas em diversos ambientes sem competir com áreas agrícolas destinadas à produção de alimentos. Esta dissertação investiga a viabilidade da produção de biodiesel a partir de microalgas através de um processo integrado de extração e transesterificação direta, assistido por líquidos iónicos. O principal objetivo foi desenvolver e caraterizar um líquido iónico di-aniónico (DAIL), derivado do ácido sulfosuccínico, capaz de otimizar simultaneamente a extração de lípidos e a reação de transesterificação, promovendo a produção de ésteres metílicos (biodiesel) de forma mais eficiente. O desempenho deste líquido iónico foi comparado com o de catalisadores tradicionais como o ácido sulfúrico (H₂SO₄) e o hidróxido de sódio (NaOH), bem como com um líquido iónico comercial (etilsulfato de 1-etil-3-metilimidazólio). Os testes experimentais demonstraram que o DAIL superou o líquido iónico comercial na esterificação do ácido benzoico em benzoato de metilo. A introdução de um pré-tratamento por micro-ondas nas algas aumentou o rendimento da extração, mas não melhorou significativamente o rendimento dos FAMEs. Foram observadas ligeiras diferenças no perfil do FAME entre as amostras com e sem pré-tratamento. São necessários mais estudos para avaliar o potencial do líquido iónico proposto e a sua combinação com o pré-tratamento por micro-ondas, em particular para resolver as limitações dos métodos convencionais de produção de biodiesel, especialmente no que diz respeito à eficiência e sustentabilidade do processo.