释放木质纤维素生物质的潜力：利用微波和水热预处理技术提高高附加值生物精炼化合物的产量

《Energy & Fuels》：Unlocking the Potential of Lignocellulosic Biomass: Microwave and Hydrothermal Pretreatment to Improve the Production of High Value-Added Biorefinery Compounds

本研究系统比较了微波辅助（MW）和水热反应器（HTR）预处理对四种生物质（橙皮、甜菜渣、麦糟、稻壳）的可溶糖、蛋白质、挥发脂肪酸及酚类提取效率的影响。结果表明，MW在低复杂度生物质（如橙皮、甜菜渣）中更高效（180°C下30-60分钟），而HTR对高 lignin 生物质（如麦糟、稻壳）处理更优（220°C下60-120分钟）。MW能耗显著更低（40.1 kJ/g），但HTR在复杂生物质处理中产率更高。研究提出需根据生物质类型优化预处理策略以平衡能源消耗与生物制品回收。

　　本研究聚焦于对糖用甜菜渣（SBP）、橙皮（OP）、啤酒糟（BSG）和稻壳（RH）进行水热反应器（HTR）和微波辅助（MW）预处理，旨在评估这些生物质中高价值生物精炼化合物的提取效果。研究通过量化总还原糖（TRS）、蛋白质（PR）、多酚（TP）和挥发性脂肪酸（VFA）等指标，分析了温度、处理时间和能耗对水解效率的影响。研究发现，微波辅助预处理在180°C下处理30分钟，可分别从橙皮中提取18%的TRS和24%的PR；相比之下，水热反应器在200°C下处理60分钟，能从橙皮中获得更高的TRS和PR提取率，分别为32%和22%。对于更复杂的生物质，如啤酒糟，水热反应器在220°C下处理120分钟，能提取25%的TRS和20%的PR。稻壳在220°C下处理120分钟时，可产生最高的VFA（16 g H–Ac/L），而糖用甜菜渣在微波辅助预处理下仅在5分钟时产生3.2 g H–Ac/L的VFA。从能耗角度来看，微波辅助预处理在相同条件下（120分钟，220°C）的能耗显著低于水热反应器，分别为40.1 kJ/g和70.85 kJ/g。此外，微波辅助预处理对于结构较为简单的生物质（如SBP和OP）更为节能，而水热反应器则更适合结构复杂的生物质（如BSG和RH）。因此，针对不同生物质类型制定个性化的预处理策略对于优化能耗和最大化生物产物的回收至关重要。

生物精炼近年来受到全球广泛关注。许多国家已开始将生物精炼作为传统化石能源产业的经济替代方案，以实现可持续生产与资源管理。生物精炼的概念涉及将生物质转化为多种有价值的生物产品，包括生物燃料、生物化学品、生物塑料、生物药品、生物化妆品、生物营养品、生物肥料和生物材料。预处理步骤通常被集成到生物精炼过程中，以实现生物质的有效分馏，这是将复杂生物质如本研究中使用的木质纤维素材料转化为高价值产品的重要环节。预处理通常是木质纤维素生物精炼的第一阶段，对于分解生物质的复杂结构至关重要。物理化学和生物预处理已被应用于高效转化生物质为有价值的产品，其选择依据特定的目标产物。其中，水热预处理（HTP）因其简单性、适中的能耗、相对较短的处理时间和成本效益而备受关注。在HTP过程中，温度和压力起着关键作用，通常超过180–200°C和15–20 bar。在这些高温高压条件下，水的自离子化增强，生成水合氢离子（H?O?）和氢氧根离子（OH?）。这种作用机制与稀酸预处理类似，能够增强生物质的解聚，并提高后续的酶解和厌氧消化等过程的效率。

在最佳条件下，HTP能够有效溶解半纤维素和果胶，释放出有价值的副产物和微生物抑制剂，如木糖寡糖（XOS）、糠醛、5-羟甲基糠醛（HMF）、醋酸、乙酰乙酸和甲酸。确实，温度在220–230°C之间对HTP效果显著，但这些高温可能导致释放的糖类降解为糠醛和HMF，这可能对生物精炼过程的后期生物处理产生不利影响。此外，结晶性纤维素在温度超过220°C时会发生解聚，而蛋白质则在250–400°C之间水解为氨基酸。这些条件还能够促进木质素的解聚，生成酚类化合物如香兰素和儿茶素。参数如温度、压力、溶剂与原料的比例、流速、溶剂类型和操作时间在确定生物质溶解和生物产物回收效率方面起着关键作用。此外，加热方式的选择，如电加热、微波辐射、蒸汽注入或热油系统，也显著影响水热预处理的均匀性和效果。

Ruiz等人（2017）展示了不同传热机制（即传导、对流和辐射）对过程效率的影响。其中，传统的水热反应器（HTR）和微波辅助水热反应器（MW）系统是最常用的。微波辅助预处理具有操作成本低、处理速度快和高效的体积加热等优势，它需要较少的溶剂，并减少了副反应的可能性。这种方法符合绿色化学原则，使用水作为溶剂和生物质作为可再生原料，突显了其作为传统加热方法的可持续和有效替代方案的潜力。生物质的选择基于其全球重要性和大量可得性。橙皮是全球最丰富的农业工业废弃物之一，西班牙是欧洲最大的柑橘生产国，每年产生约265万吨橙皮。橙皮是柑橘行业中体积最大的废弃物，估计约有20%的橙子是橙皮。其强烈的季节性可以通过干燥和储存来缓解。糖用甜菜渣是西班牙的另一重要副产品，工业过程中约有一半的甜菜（0.5 kg/kg）以甜菜渣的形式被丢弃。在2023/24农业周期中，生产了302万吨甜菜，尽管具有季节性，但通常被制成颗粒以实现全年使用。啤酒糟作为啤酒生产副产品，持续产生但因高含水量而容易发生微生物降解。其产量约为总副产品的75%，并且由于其成分，可以用于生物技术过程。稻壳在全球范围内产量超过1.5亿吨（每千克稻谷产生20千克稻壳），其含有有价值的生物材料，应用广泛。稻壳由于干燥和稳定的特性，具有大量储存和保存的潜力。

总体来看，这些可得性模式和保存选项使所研究的生物质具有作为可持续原料的潜力。这确保了其适用于工业级生物精炼应用。从以上所述，本研究的重点是全面比较微波辅助（MW）和水热反应器（HTR）预处理，旨在清晰区分它们对产物产量、选择性和能耗的影响。研究系统地探讨了不同木质纤维素生物质对温度和操作时间变化的响应，关注这些因素如何影响水解液相中高价值生物产物的分布和选择性。此外，研究还包括详细的能耗分析，以每千克生物质（kJ/g）为单位，评估每种预处理方法的效率和可持续性。同时，进行了统计分析以优化实验参数并验证观察到的趋势的显著性。据我们所知，这是首次在一个评估框架中整合这些目标，涵盖多种生物质类型，为优化预处理策略提供了宝贵的见解，以提高高价值生物产物的产量和资源效率。

研究使用的生物质基于其全球相关性和广泛可用性。橙皮（OP）是全球最丰富的农业工业废弃物之一，西班牙是欧洲最大的柑橘生产国，每年产生约265万吨橙皮。橙皮是柑橘行业中体积最大的废弃物，估计约有20%的橙子是橙皮。其强烈的季节性可以通过干燥和储存来缓解。糖用甜菜渣（SBP）是西班牙的另一重要副产品，工业过程中约有一半的甜菜（0.5 kg/kg）以甜菜渣的形式被丢弃。在2023/24农业周期中，生产了302万吨甜菜，尽管具有季节性，但通常被制成颗粒以实现全年使用。啤酒糟（BSG）作为啤酒生产副产品，持续产生但因高含水量而容易发生微生物降解。其产量约为总副产品的75%，并且由于其成分，可以用于生物技术过程。稻壳（RH）在全球范围内产量超过1.5亿吨（每千克稻谷产生20千克稻壳），其含有有价值的生物材料，应用广泛。稻壳由于干燥和稳定的特性，具有大量储存和保存的潜力。

这些可用性模式和保存选项使所研究的生物质具有作为可持续原料的潜力。这确保了其适用于工业级生物精炼应用。从以上所述，本研究的重点是全面比较微波辅助（MW）和水热反应器（HTR）预处理，旨在清晰区分它们对产物产量、选择性和能耗的影响。研究系统地探讨了不同木质纤维素生物质对温度和操作时间变化的响应，关注这些因素如何影响水解液相中高价值生物产物的分布和选择性。此外，研究还包括详细的能耗分析，以每千克生物质（kJ/g）为单位，评估每种预处理方法的效率和可持续性。同时，进行了统计分析以优化实验参数并验证观察到的趋势的显著性。据我们所知，这是首次在一个评估框架中整合这些目标，涵盖多种生物质类型，为优化预处理策略提供了宝贵的见解，以提高高价值生物产物的产量和资源效率。

在本研究中，我们选择了四种类型的木质纤维素生物质：橙皮（OP）、糖用甜菜渣（SBP）、啤酒糟（BSG）和稻壳（RH）。OP来源于西班牙卡迪斯大学科学学院的食堂。收集的OP经过多次蒸馏水清洗并干燥在40°C的烘箱中48小时。SBP由位于西班牙卡迪斯市的AB-Sugar公司所属的工业糖厂提供。RH来源于西班牙塞维利亚的一家稻谷加工厂。SBP和RH以干燥状态获得。BSG来源于西班牙卡迪斯市的一家本地精酿啤酒厂，混合物在60°C的烘箱中干燥24小时。经过研磨和筛分过程，干燥的生物质被减少到1.7毫米的粒径。然后，它们被存放在4°C的冷冻柜中，直到使用。这些准备步骤的目的是为了标准化粒径和含水量，同时保持生物质的化学结构。

微波辅助预处理使用Milestone Flexiwave设备，最大功率为1900 W。初始干燥生物质浓度为8%（w/v），实验在50 mL的特氟龙容器中进行，容器内部温度可控。设置的温度和操作时间为150、180、200和220°C，持续时间为5、15、30和60分钟。温度控制由非接触式红外传感器管理，该传感器能够准确调节温度，最高可达300°C，具体取决于容器类型。为了确保在整个过程中微波能量的均匀输送，反应器系统还配备了高效的空气冷却磁铁。

水热预处理使用酸消化容器（Parr Instrument，Model 4744，USA）进行，该容器内部包含一个45 mL的特氟龙四氟乙烯（PTFE）杯，放置在不锈钢夹套中，工作体积为30 mL。系统配备了Scientific Fisher Isotemp真空烘箱（Model 282A），其3500 W的开口用于温度控制，平均温度误差控制在±5°C以内。生物质以干燥生物质与废水或水的8%（w/v）比例添加。悬浮液在150、200和220°C下加热，操作时间为30、60和120分钟。

分析方法遵循之前发表的研究。这些方法用于确定总固体（TS）、挥发性固体（VS）、可溶性化学需氧量（sCOD）、溶解有机碳（DOC）、总还原糖（TRS）、pH值、总多酚（TP）和总蛋白质（PR）。所有分析均在4,000 rpm下离心15分钟以去除悬浮固体，然后通过0.45 μm滤膜进行sCOD和DOC的过滤，通过0.22 μm滤膜进行TRS、VFA、TP和PR的过滤。所有测量均进行三次重复。

预处理过程的溶解效率通过以下公式计算，其中OMf和OM0分别表示样品中溶解有机物的最终和初始浓度，以COD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP表示。研究还计算了以重量为基础的产率（%），使用以下公式：Y（Wt%）=（产品质量/原料质量）×100。这些结果表明，温度和时间对所有溶解参数有显著影响，包括sCOD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP。此外，加热方法的选择，如电加热、微波辐射、蒸汽注入或热油系统，也显著影响水热预处理的均匀性和效果。

Ruiz等人（2017）展示了不同传热机制（即传导、对流和辐射）对过程效率的影响。其中，传统的水热反应器（HTR）和微波辅助水热反应器（MW）系统是最常用的。微波辅助预处理具有操作成本低、处理速度快和高效的体积加热等优势，它需要较少的溶剂，并减少了副反应的可能性。这种方法符合绿色化学原则，使用水作为溶剂和生物质作为可再生原料，突显了其作为传统加热方法的可持续和有效替代方案的潜力。

本研究中使用的生物质基于其全球相关性和广泛可用性。橙皮（OP）是全球最丰富的农业工业废弃物之一，西班牙是欧洲最大的柑橘生产国，每年产生约265万吨橙皮。橙皮是柑橘行业中体积最大的废弃物，估计约有20%的橙子是橙皮。其强烈的季节性可以通过干燥和储存来缓解。糖用甜菜渣（SBP）是西班牙的另一重要副产品，工业过程中约有一半的甜菜（0.5 kg/kg）以甜菜渣的形式被丢弃。在2023/24农业周期中，生产了302万吨甜菜，尽管具有季节性，但通常被制成颗粒以实现全年使用。啤酒糟（BSG）作为啤酒生产副产品，持续产生但因高含水量而容易发生微生物降解。其产量约为总副产品的75%，并且由于其成分，可以用于生物技术过程。稻壳（RH）在全球范围内产量超过150万吨（每千克稻谷产生20千克稻壳），其含有有价值的生物材料，应用广泛。稻壳由于干燥和稳定的特性，具有大量储存和保存的潜力。

这些可用性模式和保存选项使所研究的生物质具有作为可持续原料的潜力。这确保了其适用于工业级生物精炼应用。从以上所述，本研究的重点是全面比较微波辅助（MW）和水热反应器（HTR）预处理，旨在清晰区分它们对产物产量、选择性和能耗的影响。研究系统地探讨了不同木质纤维素生物质对温度和操作时间变化的响应，关注这些因素如何影响水解液相中高价值生物产物的分布和选择性。此外，研究还包括详细的能耗分析，以每千克生物质（kJ/g）为单位，评估每种预处理方法的效率和可持续性。同时，进行了统计分析以优化实验参数并验证观察到的趋势的显著性。据我们所知，这是首次在一个评估框架中整合这些目标，涵盖多种生物质类型，为优化预处理策略提供了宝贵的见解，以提高高价值生物产物的产量和资源效率。

本研究中使用的生物质包括四种类型的木质纤维素材料：橙皮（OP）、糖用甜菜渣（SBP）、啤酒糟（BSG）和稻壳（RH）。OP来源于西班牙卡迪斯大学科学学院的食堂。收集的OP经过多次蒸馏水清洗并干燥在40°C的烘箱中48小时。SBP由位于西班牙卡迪斯市的AB-Sugar公司所属的工业糖厂提供。RH来源于西班牙塞维利亚的一家稻谷加工厂。SBP和RH以干燥状态获得。BSG来源于西班牙卡迪斯市的一家本地精酿啤酒厂，混合物在60°C的烘箱中干燥24小时。经过研磨和筛分过程，干燥的生物质被减少到1.7毫米的粒径。然后，它们被存放在4°C的冷冻柜中，直到使用。这些准备步骤的目的是为了标准化粒径和含水量，同时保持生物质的化学结构。

微波辅助预处理使用Milestone Flexiwave设备，最大功率为1900 W。初始干燥生物质浓度为8%（w/v），实验在50 mL的特氟龙容器中进行，容器内部温度可控。设置的温度和操作时间为150、180、200和220°C，持续时间为5、15、30和60分钟。温度控制由非接触式红外传感器管理，该传感器能够准确调节温度，最高可达300°C，具体取决于容器类型。为了确保在整个过程中微波能量的均匀输送，反应器系统还配备了高效的空气冷却磁铁。

水热预处理使用酸消化容器（Parr Instrument，Model 4744，USA）进行，该容器内部包含一个45 mL的特氟龙四氟乙烯（PTFE）杯，放置在不锈钢夹套中，工作体积为30 mL。系统配备了Scientific Fisher Isotemp真空烘箱（Model 282A），其3500 W的开口用于温度控制，平均温度误差控制在±5°C以内。生物质以干燥生物质与废水或水的8%（w/v）比例添加。悬浮液在150、200和220°C下加热，操作时间为30、60和120分钟。

分析方法遵循之前发表的研究。这些方法用于确定总固体（TS）、挥发性固体（VS）、可溶性化学需氧量（sCOD）、溶解有机碳（DOC）、总还原糖（TRS）、pH值、总多酚（TP）和总蛋白质（PR）。所有分析均在4,000 rpm下离心15分钟以去除悬浮固体，然后通过0.45 μm滤膜进行sCOD和DOC的过滤，通过0.22 μm滤膜进行TRS、VFA、TP和PR的过滤。所有测量均进行三次重复。

预处理过程的溶解效率通过以下公式计算，其中OMf和OM0分别表示样品中溶解有机物的最终和初始浓度，以COD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP表示。此外，以重量为基础的产率（%）通过以下公式计算：Y（Wt%）=（产品质量/原料质量）×100。这些结果表明，温度和时间对所有溶解参数有显著影响，包括sCOD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP。此外，加热方法的选择，如电加热、微波辐射、蒸汽注入或热油系统，也显著影响水热预处理的均匀性和效果。

Ruiz等人（2017）展示了不同传热机制（即传导、对流和辐射）对过程效率的影响。其中，传统的水热反应器（HTR）和微波辅助水热反应器（MW）系统是最常用的。微波辅助预处理具有操作成本低、处理速度快和高效的体积加热等优势，它需要较少的溶剂，并减少了副反应的可能性。这种方法符合绿色化学原则，使用水作为溶剂和生物质作为可再生原料，突显了其作为传统加热方法的可持续和有效替代方案的潜力。

本研究中使用的生物质基于其全球相关性和广泛可用性。橙皮（OP）是全球最丰富的农业工业废弃物之一，西班牙是欧洲最大的柑橘生产国，每年产生约265万吨橙皮。橙皮是柑橘行业中体积最大的废弃物，估计约有20%的橙子是橙皮。其强烈的季节性可以通过干燥和储存来缓解。糖用甜菜渣（SBP）是西班牙的另一重要副产品，工业过程中约有一半的甜菜（0.5 kg/kg）以甜菜渣的形式被丢弃。在2023/24农业周期中，生产了302万吨甜菜，尽管具有季节性，但通常被制成颗粒以实现全年使用。啤酒糟（BSG）作为啤酒生产副产品，持续产生但因高含水量而容易发生微生物降解。其产量约为总副产品的75%，并且由于其成分，可以用于生物技术过程。稻壳（RH）在全球范围内产量超过150万吨（每千克稻谷产生20千克稻壳），其含有有价值的生物材料，应用广泛。稻壳由于干燥和稳定的特性，具有大量储存和保存的潜力。

这些可用性模式和保存选项使所研究的生物质具有作为可持续原料的潜力。这确保了其适用于工业级生物精炼应用。从以上所述，本研究的重点是全面比较微波辅助（MW）和水热反应器（HTR）预处理，旨在清晰区分它们对产物产量、选择性和能耗的影响。研究系统地探讨了不同木质纤维素生物质对温度和操作时间变化的响应，关注这些因素如何影响水解液相中高价值生物产物的分布和选择性。此外，研究还包括详细的能耗分析，以每千克生物质（kJ/g）为单位，评估每种预处理方法的效率和可持续性。同时，进行了统计分析以优化实验参数并验证观察到的趋势的显著性。据我们所知，这是首次在一个评估框架中整合这些目标，涵盖多种生物质类型，为优化预处理策略提供了宝贵的见解，以提高高价值生物产物的产量和资源效率。

本研究中使用的生物质包括四种类型的木质纤维素材料：橙皮（OP）、糖用甜菜渣（SBP）、啤酒糟（BSG）和稻壳（RH）。OP来源于西班牙卡迪斯大学科学学院的食堂。收集的OP经过多次蒸馏水清洗并干燥在40°C的烘箱中48小时。SBP由位于西班牙卡迪斯市的AB-Sugar公司所属的工业糖厂提供。RH来源于西班牙塞维利亚的一家稻谷加工厂。SBP和RH以干燥状态获得。BSG来源于西班牙卡迪斯市的一家本地精酿啤酒厂，混合物在60°C的烘箱中干燥24小时。经过研磨和筛分过程，干燥的生物质被减少到1.7毫米的粒径。然后，它们被存放在4°C的冷冻柜中，直到使用。这些准备步骤的目的是为了标准化粒径和含水量，同时保持生物质的化学结构。

微波辅助预处理使用Milestone Flexiwave设备，最大功率为1900 W。初始干燥生物质浓度为8%（w/v），实验在50 mL的特氟龙容器中进行，容器内部温度可控。设置的温度和操作时间为150、180、200和220°C，持续时间为5、15、30和60分钟。温度控制由非接触式红外传感器管理，该传感器能够准确调节温度，最高可达300°C，具体取决于容器类型。为了确保在整个过程中微波能量的均匀输送，反应器系统还配备了高效的空气冷却磁铁。

水热预处理使用酸消化容器（Parr Instrument，Model 4744，USA）进行，该容器内部包含一个45 mL的特氟龙四氟乙烯（PTFE）杯，放置在不锈钢夹套中，工作体积为30 mL。系统配备了Scientific Fisher Isotemp真空烘箱（Model 282A），其3500 W的开口用于温度控制，平均温度误差控制在±5°C以内。生物质以干燥生物质与废水或水的8%（w/v）比例添加。悬浮液在150、200和220°C下加热，操作时间为30、60和120分钟。

分析方法遵循之前发表的研究。这些方法用于确定总固体（TS）、挥发性固体（VS）、可溶性化学需氧量（sCOD）、溶解有机碳（DOC）、总还原糖（TRS）、pH值、总多酚（TP）和总蛋白质（PR）。所有分析均在4,000 rpm下离心15分钟以去除悬浮固体，然后通过0.45 μm滤膜进行sCOD和DOC的过滤，通过0.22 μm滤膜进行TRS、VFA、TP和PR的过滤。所有测量均进行三次重复。

预处理过程的溶解效率通过以下公式计算，其中OMf和OM0分别表示样品中溶解有机物的最终和初始浓度，以COD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP表示。此外，以重量为基础的产率（%）通过以下公式计算：Y（Wt%）=（产品质量/原料质量）×100。这些结果表明，温度和时间对所有溶解参数有显著影响，包括sCOD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP。此外，加热方法的选择，如电加热、微波辐射、蒸汽注入或热油系统，也显著影响水热预处理的均匀性和效果。

Ruiz等人（2017）展示了不同传热机制（即传导、对流和辐射）对过程效率的影响。其中，传统的水热反应器（HTR）和微波辅助水热反应器（MW）系统是最常用的。微波辅助预处理具有操作成本低、处理速度快和高效的体积加热等优势，它需要较少的溶剂，并减少了副反应的可能性。这种方法符合绿色化学原则，使用水作为溶剂和生物质作为可再生原料，突显了其作为传统加热方法的可持续和有效替代方案的潜力。

本研究中使用的生物质基于其全球相关性和广泛可用性。橙皮（OP）是全球最丰富的农业工业废弃物之一，西班牙是欧洲最大的柑橘生产国，每年产生约265万吨橙皮。橙皮是柑橘行业中体积最大的废弃物，估计约有20%的橙子是橙皮。其强烈的季节性可以通过干燥和储存来缓解。糖用甜菜渣（SBP）是西班牙的另一重要副产品，工业过程中约有一半的甜菜（0.5 kg/kg）以甜菜渣的形式被丢弃。在2023/24农业周期中，生产了302万吨甜菜，尽管具有季节性，但通常被制成颗粒以实现全年使用。啤酒糟（BSG）作为啤酒生产副产品，持续产生但因高含水量而容易发生微生物降解。其产量约为总副产品的75%，并且由于其成分，可以用于生物技术过程。稻壳（RH）在全球范围内产量超过150万吨（每千克稻谷产生20千克稻壳），其含有有价值的生物材料，应用广泛。稻壳由于干燥和稳定的特性，具有大量储存和保存的潜力。

这些可用性模式和保存选项使所研究的生物质具有作为可持续原料的潜力。这确保了其适用于工业级生物精炼应用。从以上所述，本研究的重点是全面比较微波辅助（MW）和水热反应器（HTR）预处理，旨在清晰区分它们对产物产量、选择性和能耗的影响。研究系统地探讨了不同木质纤维素生物质对温度和操作时间变化的响应，关注这些因素如何影响水解液相中高价值生物产物的分布和选择性。此外，研究还包括详细的能耗分析，以每千克生物质（kJ/g）为单位，评估每种预处理方法的效率和可持续性。同时，进行了统计分析以优化实验参数并验证观察到的趋势的显著性。据我们所知，这是首次在一个评估框架中整合这些目标，涵盖多种生物质类型，为优化预处理策略提供了宝贵的见解，以提高高价值生物产物的产量和资源效率。

本研究中使用的生物质包括四种类型的木质纤维素材料：橙皮（OP）、糖用甜菜渣（SBP）、啤酒糟（BSG）和稻壳（RH）。OP来源于西班牙卡迪斯大学科学学院的食堂。收集的OP经过多次蒸馏水清洗并干燥在40°C的烘箱中48小时。SBP由位于西班牙卡迪斯市的AB-Sugar公司所属的工业糖厂提供。RH来源于西班牙塞维利亚的一家稻谷加工厂。SBP和RH以干燥状态获得。BSG来源于西班牙卡迪斯市的一家本地精酿啤酒厂，混合物在60°C的烘箱中干燥24小时。经过研磨和筛分过程，干燥的生物质被减少到1.7毫米的粒径。然后，它们被存放在4°C的冷冻柜中，直到使用。这些准备步骤的目的是为了标准化粒径和含水量，同时保持生物质的化学结构。

微波辅助预处理使用Milestone Flexiwave设备，最大功率为1900 W。初始干燥生物质浓度为8%（w/v），实验在50 mL的特氟龙容器中进行，容器内部温度可控。设置的温度和操作时间为150、180、200和220°C，持续时间为5、15、30和60分钟。温度控制由非接触式红外传感器管理，该传感器能够准确调节温度，最高可达300°C，具体取决于容器类型。为了确保在整个过程中微波能量的均匀输送，反应器系统还配备了高效的空气冷却磁铁。

水热预处理使用酸消化容器（Parr Instrument，Model 4744，USA）进行，该容器内部包含一个45 mL的特氟龙四氟乙烯（PTFE）杯，放置在不锈钢夹套中，工作体积为30 mL。系统配备了Scientific Fisher Isotemp真空烘箱（Model 282A），其3500 W的开口用于温度控制，平均温度误差控制在±5°C以内。生物质以干燥生物质与废水或水的8%（w/v）比例添加。悬浮液在150、200和220°C下加热，操作时间为30、60和120分钟。

分析方法遵循之前发表的研究。这些方法用于确定总固体（TS）、挥发性固体（VS）、可溶性化学需氧量（sCOD）、溶解有机碳（DOC）、总还原糖（TRS）、pH值、总多酚（TP）和总蛋白质（PR）。所有分析均在4,000 rpm下离心15分钟以去除悬浮固体，然后通过0.45 μm滤膜进行sCOD和DOC的过滤，通过0.22 μm滤膜进行TRS、VFA、TP和PR的过滤。所有测量均进行三次重复。

预处理过程的溶解效率通过以下公式计算，其中OMf和OM0分别表示样品中溶解有机物的最终和初始浓度，以COD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP表示。此外，以重量为基础的产率（%）通过以下公式计算：Y（Wt%）=（产品质量/原料质量）×100。这些结果表明，温度和时间对所有溶解参数有显著影响，包括sCOD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP。此外，加热方法的选择，如电加热、微波辐射、蒸汽注入或热油系统，也显著影响水热预处理的均匀性和效果。

Ruiz等人（2017）展示了不同传热机制（即传导、对流和辐射）对过程效率的影响。其中，传统的水热反应器（HTR）和微波辅助水热反应器（MW）系统是最常用的。微波辅助预处理具有操作成本低、处理速度快和高效的体积加热等优势，它需要较少的溶剂，并减少了副反应的可能性。这种方法符合绿色化学原则，使用水作为溶剂和生物质作为可再生原料，突显了其作为传统加热方法的可持续和有效替代方案的潜力。

本研究中使用的生物质基于其全球相关性和广泛可用性。橙皮（OP）是全球最丰富的农业工业废弃物之一，西班牙是欧洲最大的柑橘生产国，每年产生约265万吨橙皮。橙皮是柑橘行业中体积最大的废弃物，估计约有20%的橙子是橙皮。其强烈的季节性可以通过干燥和储存来缓解。糖用甜菜渣（SBP）是西班牙的另一重要副产品，工业过程中约有一半的甜菜（0.5 kg/kg）以甜菜渣的形式被丢弃。在2023/24农业周期中，生产了302万吨甜菜，尽管具有季节性，但通常被制成颗粒以实现全年使用。啤酒糟（BSG）作为啤酒生产副产品，持续产生但因高含水量而容易发生微生物降解。其产量约为总副产品的75%，并且由于其成分，可以用于生物技术过程。稻壳（RH）在全球范围内产量超过150万吨（每千克稻谷产生20千克稻壳），其含有有价值的生物材料，应用广泛。稻壳由于干燥和稳定的特性，具有大量储存和保存的潜力。

这些可用性模式和保存选项使所研究的生物质具有作为可持续原料的潜力。这确保了其适用于工业级生物精炼应用。从以上所述，本研究的重点是全面比较微波辅助（MW）和水热反应器（HTR）预处理，旨在清晰区分它们对产物产量、选择性和能耗的影响。研究系统地探讨了不同木质纤维素生物质对温度和操作时间变化的响应，关注这些因素如何影响水解液相中高价值生物产物的分布和选择性。此外，研究还包括详细的能耗分析，以每千克生物质（kJ/g）为单位，评估每种预处理方法的效率和可持续性。同时，进行了统计分析以优化实验参数并验证观察到的趋势的显著性。据我们所知，这是首次在一个评估框架中整合这些目标，涵盖多种生物质类型，为优化预处理策略提供了宝贵的见解，以提高高价值生物产物的产量和资源效率。

本研究中使用的生物质包括四种类型的木质纤维素材料：橙皮（OP）、糖用甜菜渣（SBP）、啤酒糟（BSG）和稻壳（RH）。OP来源于西班牙卡迪斯大学科学学院的食堂。收集的OP经过多次蒸馏水清洗并干燥在40°C的烘箱中48小时。SBP由位于西班牙卡迪斯市的AB-Sugar公司所属的工业糖厂提供。RH来源于西班牙塞维利亚的一家稻谷加工厂。SBP和RH以干燥状态获得。BSG来源于西班牙卡迪斯市的一家本地精酿啤酒厂，混合物在60°C的烘箱中干燥24小时。经过研磨和筛分过程，干燥的生物质被减少到1.7毫米的粒径。然后，它们被存放在4°C的冷冻柜中，直到使用。这些准备步骤的目的是为了标准化粒径和含水量，同时保持生物质的化学结构。

微波辅助预处理使用Milestone Flexiwave设备，最大功率为1900 W。初始干燥生物质浓度为8%（w/v），实验在50 mL的特氟龙容器中进行，容器内部温度可控。设置的温度和操作时间为150、180、200和220°C，持续时间为5、15、30和60分钟。温度控制由非接触式红外传感器管理，该传感器能够准确调节温度，最高可达300°C，具体取决于容器类型。为了确保在整个过程中微波能量的均匀输送，反应器系统还配备了高效的空气冷却磁铁。

水热预处理使用酸消化容器（Parr Instrument，Model 4744，USA）进行，该容器内部包含一个45 mL的特氟龙四氟乙烯（PTFE）杯，放置在不锈钢夹套中，工作体积为30 mL。系统配备了Scientific Fisher Isotemp真空烘箱（Model 282A），其3500 W的开口用于温度控制，平均温度误差控制在±5°C以内。生物质以干燥生物质与废水或水的8%（w/v）比例添加。悬浮液在150、200和220°C下加热，操作时间为30、60和120分钟。

分析方法遵循之前发表的研究。这些方法用于确定总固体（TS）、挥发性固体（VS）、可溶性化学需氧量（sCOD）、溶解有机碳（DOC）、总还原糖（TRS）、pH值、总多酚（TP）和总蛋白质（PR）。所有分析均在4,000 rpm下离心15分钟以去除悬浮固体，然后通过0.45 μm滤膜进行sCOD和DOC的过滤，通过0.22 μm滤膜进行TRS、VFA、TP和PR的过滤。所有测量均进行三次重复。

预处理过程的溶解效率通过以下公式计算，其中OMf和OM0分别表示样品中溶解有机物的最终和初始浓度，以COD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP表示。此外，以重量为基础的产率（%）通过以下公式计算：Y（Wt%）=（产品质量/原料质量）×100。这些结果表明，温度和时间对所有溶解参数有显著影响，包括sCOD、DOC、TRS、PR、TVFA和TP。此外，加热方法的选择，如电加热、微波辐射、蒸汽注入或热油系统，也显著影响水热预处理的均匀性和效果。

Ruiz等人（2017）展示了不同传热机制（即传导、对流和辐射）对过程效率的影响。其中，传统的水热反应器（HTR）和微波辅助水热反应器（MW）系统是最常用的。微波辅助预处理具有操作成本低、处理速度快和高效的体积加热等优势，它需要较少的溶剂，并减少了副反应的可能性。这种方法符合绿色化学原则，使用水作为溶剂和生物质作为可再生原料，突显了其作为传统加热方法的可持续和有效替代方案的潜力。

本研究中使用的生物质基于其全球相关性和广泛可用性。橙皮（OP）