综述：昆虫生物燃料：新兴技术与可持续能源路径综述

《Biomass and Bioenergy》：Insect-based biofuel: a review on emerging technologies and sustainable energy pathways

本综述系统阐述了以黑水虻（BSF）、黄粉虫等昆虫为原料生产生物柴油（FAMEs）和沼气的新兴技术路径。文章重点分析了昆虫高脂质含量（如BSF幼虫含油量达30-50%干重）、脂质提取方法（索氏提取、超声辅助等）、转酯化工艺优化（醇油摩尔比、催化剂浓度等参数）及其燃料特性（十六烷值、粘度等），并探讨了昆虫粪便厌氧消化（AD）产沼气的潜力。通过生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA），论证了昆虫生物燃料在废物增值（如利用餐厨垃圾养殖）和降低全球变暖潜能（GWP）方面的可持续性优势，为可再生能源发展提供了创新视角。

　　

昆虫生物燃料：新兴技术与可持续能源路径

引言

全球能源需求持续激增，工业化、人口增长以及对化石燃料枯竭和温室气体排放的担忧，推动了对替代性可再生能源的探索。昆虫，特别是黑水虻（Hermetia illucens）、黄粉虫（Tenebrio molitor）、家蝇（Musca domestica）和家蟋蟀（Acheta domesticus）等物种，因其高脂质含量、快速生长速率和低环境足迹，已成为生产生物柴油和沼气的新型且有前景的原料。

商业昆虫物种及其养殖

具有高到中等商业价值的关键昆虫物种包括黑水虻、家蝇、蟋蟀和黄粉虫，而蝗虫/蚱蜢（Locusta migratoria）和甲虫幼虫（Zophobas morio）仍处于早期研究阶段。黑水虻、黄粉虫和蟋蟀因其高生物量转化率和适应各种有机废物（如农业和餐厨废物）的能力而被广泛养殖。这种养殖方式不仅减少了废物量，还促进了废物增值。

高含油量昆虫

昆虫的选择越来越集中于那些含油量高的物种，这可以显著提高生物柴油作为可再生能源的效率和可行性。T. molitor 和 H. illucens 已被确定具有令人印象深刻的脂质谱，其含油量可达干重的30%至50%。这些高油产量使它们成为生物柴油生产的合适候选者，并为传统油料作物提供了可持续的替代方案。

昆虫体内的脂质生物合成

脂质在昆虫生理学中扮演着至关重要的角色，支持滞育、变态、繁殖、飞行以及在食物匮乏期间的生存。雌性为产卵储存更多脂质。营养、性别、发育阶段、迁徙和温度等因素强烈影响脂质的生物合成和储存。H. illucens 和 T. molitor 等昆虫尤其以其将有机废物转化为富含脂质的生物质的能力而闻名。

昆虫中具有更好脂肪酸组成的特定阶段

昆虫在其生命周期的不同阶段表现出不同的脂肪酸组成（图1）。与成虫阶段相比，幼虫和蛹阶段通常含有更高的脂肪含量，可达70克/100克干物质（DM）。由于成虫生物量产量较低，在生产规模上贡献甚微；而幼虫和蛹阶段，尤其是晚龄幼虫，是主要的工业关注点，因为它们提供更高的脂质含量和更有利的脂肪酸谱。

脂质提取方法

昆虫脂质包括多种类型，如甘油三酯、磷脂、甾醇、游离脂肪酸、二酰基甘油、单酰基甘油和蜡，每种都对昆虫的能量储存、代谢和结构功能至关重要。甘油三酯是主要的能量储存形式，而磷脂和甾醇对于细胞膜的完整性和功能至关重要。影响脂质含量的因素包括物种差异（如富含月桂酸的BSFL）、饮食、发育阶段和提取技术。传统的索氏提取虽然有效，但耗时且需要使用大量有机溶剂。为了提高效率和可持续性，已经探索了诸如超声辅助、微波辅助、超临界流体和酶法等先进方法。例如，超声辅助提取可以显著缩短提取时间并减少溶剂消耗，而超临界CO₂提取提供了一种更环保的替代方案，尽管初始投资成本较高。

昆虫生物柴油的生产机制

提取的富含游离脂肪酸（FFAs）的粗昆虫油应经过酯化步骤，然后通过提高后续转酯化步骤的效率转化为酯类（参见表1）。生物柴油合成的主要化学反应是转酯化，其中昆虫油中的甘油三酯在催化剂存在下与甲醇反应，生成脂肪酸甲酯（FAMEs，即生物柴油）和副产物甘油（图2）。该过程可以通过均相（如KOH、NaOH）、非均相（如CaO）或酶催化剂进行。反应参数，如醇油摩尔比、催化剂浓度、反应温度和反应时间，对产量和效率有显著影响。优化这些参数对于实现高产率的生物柴油至关重要。

生物柴油产量

诸如H. illucens、T. molitor和B. mori等昆虫可以积累其干重的25–40%作为脂质，这些脂质可以通过转酯化有效地转化为FAMEs。据报道，昆虫油的生物柴油产量在90%至98%之间（参见表1），这些油来自用饲养基质（如粪便（鸡、牛、猪）、食物废物（餐厅、水果、蔬菜）、豆渣和椰子胚乳废物）饲养的幼虫。这些产量凸显了昆虫作为生物柴油生产可行原料的潜力。

影响生物柴油产量的因素

为了提高昆虫生物柴油生产的效率，必须优化四个关键因素，包括醇油摩尔比、催化剂浓度、反应温度和反应时间。

昆虫生物柴油的物理和化学性质

对昆虫生物柴油的燃料参数进行了分析，以评估其作为运输部门液体燃料的适用性。生物柴油的关键特性包括密度、粘度、十六烷值、酯浓度、酸值、水分含量和闪点。十六烷值、粘度和闪点与碳原子数、摩尔重量和不饱和碳键数量等因素相关。表2显示了由不同昆虫物种生产的生物柴油的特性，这些特性符合国际标准，表明其作为柴油替代品的潜力。

昆虫生物柴油的燃烧、排放特性及柴油机性能

黑水虻（H. illucens）是一种被有意饲养和培育的物种。Kamarulzaman等人使用不同比例（25–100%）的黑水虻幼虫油（HILO）进行了一系列关于发动机性能和排放特性的研究。他们将HILO添加到柴油燃料中，由于点火延迟缩短和早期燃烧，导致缸内压力（降低3.28%）和放热率（降低13.38%）降低，同时制动热效率降低高达5.7%。与纯柴油相比，HILO混合燃料的CO和HC排放量更高，但NO_x排放量更低。总体而言，昆虫生物柴油显示出可接受的发动机性能，但需要进一步优化以最大限度地减少排放。

昆虫沼气生产

在工业规模的昆虫养殖过程中，会产生大量的昆虫粪便，其中包括饲料残留物、昆虫排泄物和残余物。这为沼气生产提供了合适的原料，其特定甲烷产量与农业部门的其他几种残留物相似。昆虫粪便厌氧消化（AD）生产沼气的潜力将实现物质减量和生物能源生产（图4和表3）。

对黑水虻幼虫粪便作为沼气生产底物的潜力进行了彻底研究。研究表明，黑水虻幼虫粪便的甲烷产量与许多农业残留物相当。通过优化消化器条件（如温度、pH值、停留时间）和可能的粪便预处理，可以进一步提高甲烷产量。将昆虫养殖与厌氧消化相结合，为废物管理和可再生能源生产提供了一个有前景的综合系统。

可持续性分析-生命周期评估（LCA）

由于对环境可持续性、能源安全以及减少温室气体排放需求的日益关注，全球对生物基能源的需求正在稳步增长。生物柴油的预计复合年增长率（CAGR）从2021年到2028年为8.3%。全球减少碳足迹的推动力以及不同国家的旨在替代石油基燃料的指令。已确定三种不同类型的粪便具有较低的全球变暖潜能（GWP），并且与传统的生物柴油原料（如大豆和油菜）相比，对环境的影响更小。将昆虫养殖与废物管理实践相结合，可以进一步通过减少废物处置和产生可再生能源来增强其环境效益。

技术经济分析（TEA）

生产昆虫生物柴油的技术可行性可以分布到（i）养殖技术，（ii）脂质/油提取和（iii）转酯化过程。需要在最佳环境条件、饲料和生物转化下，通过昆虫的各个生命阶段进行繁殖和饲养，生长速率需要阐明。如前几章所述，可以利用许多不同的饲料。需要大量且易于获取的饲料，同时保持成本效益。脂质提取方法需要高效且经济可行。转酯化过程需要优化以实现高产量和纯度。全面的技术经济分析对于评估昆虫生物柴油生产在大规模上的经济可行性至关重要。

未来展望与结论

昆虫生物燃料的未来充满无限潜力，因为全球能源需求持续增长，同时伴随着对资源可持续性和气候变化的担忧。生物技术、基因工程和昆虫饲养方法的改进应能提高脂质产量和转化效率，这将使大规模生产在经济上成为可能。将昆虫养殖与废物管理系统（如利用农场废物、食物废物、