《Bioresource Technology Reports》：Microwave drying as an energy-efficient fuel pre-treatment and its cogeneration-level implications for sugarcane bagasse
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本研究对比微波与对流烘干处理甘蔗渣的干燥动力学、有效水分扩散率及效率，发现微波法显著缩短干燥时间（4分钟 vs 45分钟），提升D_eff和效率（47.4%），为高效生物质预处理提供新策略。
李宇|O.J. Ojo-kupoluyi|S.M. Tahir|M.S. Anuar|S.U. Masuri|M.E. Ya'acob
马来西亚普特拉大学工程学院机械与制造工程系，43400 UPM，雪兰莪州Serdang，马来西亚
摘要
高水分含量限制了甘蔗渣（SCB）的生物能源高效利用，因为这降低了其热值和联产性能。本研究通过在不同功率水平（100–600 W）、温度（50–110 °C）、样品质量（1–5 g）和初始水分含量（30–67%，湿基）下进行的重复实验，系统地比较了微波干燥和对流炉干燥作为预处理方法的效果。利用菲克第二定律和能量平衡分析评估了干燥动力学、有效水分扩散率（D_eff）和干燥效率。在600 W的功率下，微波干燥在约4分钟内将水分含量从67%降低到平衡状态，而对流炉干燥则需要约45分钟。微波处理下的有效水分扩散率（1.53 × 10^?7–3.88 × 10^?7 m^2/s）和干燥效率（高达47.4%）均更高。微波干燥器中增强的内部加热机制显著改善了水分迁移并缩短了干燥时间，展示了其在联产系统中用于生物质预处理的节能潜力。
引言
甘蔗（Saccharum officinarum）是一种全球重要的作物，年产量超过18亿吨，根据OECD–FAO 2023–2032农业展望（Liu等人，2024年；OECD/FAO，2023年），预计到2032年产量将超过19亿吨。这种广泛的种植产生了大量的甘蔗渣（SCB），这是一种纤维残余物，每吨压碎的甘蔗大约含有150–160公斤的干基重量。甘蔗渣不仅仅是一种废弃物，由于其高含量的纤维素（40–45%）、半纤维素（25–30%）和木质素（20–25%），它已成为一种战略性的生物资源，适用于热化学和生物化学能量转换过程（Amaresh等人，2024年）。目前，甘蔗渣是糖厂联产的主要燃料，为巴西、印度和马来西亚等主要产糖国提供蒸汽和电力，从而减少了化石燃料的依赖。
最近的评估表明，优化的预处理和干燥策略可以显著提高基于甘蔗渣的联产系统的燃烧质量和整体热力学性能（Ojo-kupoluyi等人，2024年）。然而，其高达45–55%（湿基）的固有水分含量仍然是高效利用的关键挑战。从热力学的角度来看，这种较高的水分含量会导致能量损失，因为释放的化学能量中有很大一部分被用于水的蒸发而非产生有用的蒸汽。新鲜甘蔗渣的净热值约为7.9 MJ·kg^?1（干基），而干基热值为19.6 MJ·kg^?1（Kabeyi和Olanrewaju，2023年），从而导致锅炉效率降低和净能量输出减少。
传统的干燥方法，如日光干燥和热风炉干燥，由于动力学缓慢和能源利用效率低而受到限制。日光干燥受天气影响，不均匀，不适合工业规模操作（Baidhe等人，2024年）。热风炉干燥虽然提供了更好的温度控制，但依赖于表面加热和对流传递（Keerthiga和Shankar，2025年，见图1），但这些方法受到纤维生物材料穿透深度有限和干燥时间较长的限制。
微波干燥通过体积介电加热实现，能够促进内部能量沉积并加速水分迁移（Wu等人，2025年）。与对流加热不同，微波能量直接在材料内部沉积，产生内部蒸汽压力梯度，从而加速水分迁移并降低外部扩散阻力。最近的综合性研究表明，与传统的热风方法相比，微波干燥显著缩短了干燥时间并提高了能源效率（Putra等人，2025年；Santos等人，2025年）。微波干燥中的内部加热机制有潜力显著缩短干燥时间并提高整体工艺效率。
实验研究进一步表明，增加微波功率可以提高有效水分扩散率并降低单位能耗，表明内部质量传递性能得到改善（Ling等人，2025年）。微波-真空干燥研究也报告了由于体积加热效应，植物组织中的水分去除速度加快和扩散系数升高（Khatun等人，2024年）。
有效水分扩散率（D_eff）和干燥效率（η）是评估干燥过程的两个关键参数。D_eff量化了内部水分迁移的速度，反映了多孔介质中的质量传递效率（Paim de Oliveira等人，2025年），而η表示实际用于水分蒸发的输入能量比例。这些参数为定量比较微波干燥和对流干燥技术提供了综合的动力学和能量基础（Yazici和Kose，2024年；Ta?ova和Ayval?o?lu，2025年）。
尽管微波干燥在食品材料领域得到了广泛研究，但专门针对甘蔗渣的微波干燥研究仍然有限。少数最近关于甘蔗渣微波干燥的研究评估了干燥动力学和有效扩散率，但没有提供与受控对流干燥条件的系统比较分析（Simanjuntak和Widyawati，2021年）。此外，尽管人们对新兴的节能干燥技术越来越重视（Santos等人，2025年），但将水分扩散率、干燥效率和生物质燃料预处理相关性联系起来的受控实验比较仍然很少。这一知识空白限制了对微波辅助干燥在工业生物质燃料制备中的机制和能量优势的定量评估。
迄今为止，只有有限的研究在相同的受控实验室条件下系统地比较了甘蔗渣的微波干燥和对流炉干燥，并同时评估了D_eff和干燥效率作为生物质燃料预处理性能的综合指标。现有研究主要关注干燥动力学本身，而没有明确将内部水分传输和能源效率与下游联产相关联。因此，本研究通过提供一个结合动力学和能量的评估框架来填补这一空白，该框架基于实验量化的性能基准。因此，本研究的目标是：（i）在微波功率、干燥温度、样品质量和初始水分含量受控变化的条件下，实验比较甘蔗渣的微波干燥和对流炉干燥；（ii）将D_eff和η量化为综合的动力学-能量性能指标；（iii）建立与联产系统生物质燃料预处理相关的定量性能基准。通过明确将内部水分传输行为与能源效率指标联系起来，本研究阐明了微波辅助干燥在机制和能量上的优势，超越了传统的干燥速率分析，并为改进面向联产的燃料制备提供了基于实验的见解。
材料与样品制备
新鲜的甘蔗渣（图2a）来自马来西亚雪兰莪州Serdang的一家本地三辊垂直甘蔗汁提取机。材料立即被密封在密封的聚乙烯袋中，贴上标签，并运送到马来西亚普特拉大学（UPM），分别在先进工程材料与复合材料（AEMC）研究中心和食品工程单元操作实验室进行对流炉干燥和微波干燥实验。
为了最小化微生物污染
干燥特性
图4a-d显示了甘蔗渣在微波干燥和热风干燥条件下的水分变化情况。新鲜甘蔗渣的初始水分含量约为50%（湿基），根据干燥方法和能量输入的不同，在4–30分钟内降至平衡水平。在微波干燥下，水分下降迅速，总干燥时间随着功率的增加而显著减少。在100 W、270 W和
结论
本研究系统地评估了甘蔗渣的微波干燥和对流炉干燥，结合了干燥动力学、D_eff和干燥效率，提供了干燥性能的全面评估。
结果表明，微波干燥显著提高了水分去除率，将干燥时间缩短了一个数量级，同时大幅提高了能源利用效率。这种性能的提升归因于体积介电加热效应。
CRediT作者贡献声明
李宇：撰写——初稿、方法论、实验设计。O.J. Ojo-kupoluyi：撰写——审阅与编辑、概念构思。S.M. Tahir：监督、项目管理、资金获取。M.S. Anuar：资源准备、资金获取。S.U. Masuri：资金获取。M.E. Ya'acob：资源准备。
利益冲突声明
代表所有合作者，我Ojo-kupoluyi Oluwatosin Job特此声明，本手稿是首次发表的，所提供的所有信息都是正确的，并且没有同时提交给其他期刊进行审议。我们希望确认本手稿不存在任何已知的实际或潜在的利益冲突，也没有任何可能影响其结果的财务支持。
致谢
本工作得到了马来西亚高等教育部基础研究基金计划（FRGS/1/2024/TK10/UPM/02/1）的资助。
