Una técnica para estudiar propiedades de la madera

L A T U
COMIENZA EN URUGUAY EL USO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR EN EL ÁREA FORESTAL
Una técnica para estudiar
propiedades de la madera
POR JAVIER DOLDÁN
Jefe del Departamento
de Proyectos Forestales
Laboratorio Tecnológico del Uruguay (LATU)
A
l momento de evaluar la adecuación
de distintas plantaciones o maderas
para su utilización en diversos emprendimientos, se suelen determinar sus propiedades químicas, físicas y mecánicas, lo cual
caracteriza su potencial en el procesamiento y comportamiento en el uso final. Estas
determinaciones, normalmente, insumen cierto tiempo, definido directamente, en cada
caso, por las técnicas empleadas.
Un ejemplo sería la caracterización de
plantaciones o de árboles individuales con
respecto a su utilización en la producción
de celulosa. En este caso, esta evaluación se
realiza mediante la determinación de parámetros como el rendimiento bruto (desde
madera a celulosa) y la densidad aparente
básica, entre otros.
La forma convencional de determinar el
rendimiento bruto puede insumir tiempos
prolongados, dado que consiste en realizar
cocciones de chips de madera en digestores
batch (un tipo de digestor que normalmente consiste en tanques herméticos con purga
de gas), simulando el proceso industrial en
planta piloto; se varían cargas de químicos
para lograr un contenido de lignina residual
constante, estimado mediante el método de
Kappa.
Para definir la densidad básica de las
rodajas (o chips), deben ser sumergidas en
agua durante al menos 48 horas, para luego
realizar una primera medida, y después ser
secadas hasta peso constante, lo que también
lleva de dos a tres días.
Una de las técnicas desarrolladas para
aumentar la eficiencia y rapidez de estas y
otras determinaciones ha sido la Espectroscopía del Infrarrojo Cercano (NIR, por sus
siglas en inglés)1. Si bien esta técnica es
10 / EL PAIS AGROPECUARIO • DICIEMBRE 2011
Fachada de la Unidad Tecnológica Fray Bentos
(UTFB).
trado su uso con fines forestales en Uruguay.
La espectroscopía, en términos generales, es
el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con
absorción o emisión de energía radiante.
Desde fines de 2010, el Departamento de
Proyectos Forestales del Laboratorio Tecnológico del Uruguay (LATU), en su Unidad
Tecnológica Fray Bentos, cuenta con un equipo NIR, y ha realizado la calibración de
rendimiento bruto y densidad básica para
distintas especies de Eucalyptus originarios
de diversas plantaciones nacionales.
Sobre la técnica de espectroscopía NIR
Equipo NIR en funcionamiento, con muestra.
empleada desde hace unos años en distintos puntos del planeta –habiéndose probado
su utilidad–, hasta el momento no se ha regis-
La metodología de trabajo para realizar determinaciones por medio de la espectroscopía
NIR comienza por obtener los espectros de
muestras cuyas propiedades son conocidas.
Una vez logrados los espectros de muestras con sus propiedades determinadas por
el método convencional, se procede a realizar su tratamiento estadístico, que consiste
principalmente en simplificar el espectro,
para poder extraer los aspectos que son relevantes en las propiedades analizadas.
La calibración se lleva a cabo probando
distintos tratamientos estadísticos y, luego
de que los parámetros de exactitud y precisión -entre otros- alcanzan valores aceptables, se puede proceder a la determinación
de las propiedades con muestras desconocidas, simplemente mediante la medición de
su espectro en el equipo NIR.
Con el avance tecnológico, ciertas restricciones del método han sido superadas. La
aparición de instrumentos espectroscópicos
de alta precisión permitió detectar pequeñas
diferencias en los espectros, debido al mejoramiento de la relación señal/ruido.
Otro de los aspectos tecnológicos que
permitió el desarrollo de la técnica NIR fue
el aumento de la potencia de las computadoras, lo que habilitó la realización de los
Espectro tridimensional de todas
las muestras usadas en la calibración
de densidad.
Ajuste propiedad original versus
propiedad predicha.
desconocidas), es conveniente confirmar con
el análisis por el método convencional de
aquellas muestras cuyos valores predichos
sean pertenecientes a rangos donde las muestras son más bien escasas.
Una vez obtenido el valor por el método convencional, se puede introducir esa
muestra en la curva, haciendo más robusta
la calibración.
El futuro de la espectroscopía NIR en el
Departamento de Proyectos Forestales del
LATU
cálculos complejos involucrados en el análisis multivariado (método estadístico utilizado
para determinar la contribución de varios
factores en un resultado) y la quimiometría
(disciplina química que se enfoca en la aplicación de métodos matemáticos o estadísticos sobre datos químicos).
Las ventajas de la espectroscopía NIR son
múltiples:
• Rapidez de las determinaciones.
• Fácil preparación de la muestra.
• Posibilidad de realizar varios análisis en
una sola operación.
• El análisis en sí mismo no es destructivo, lo que permite seguir utilizando la
muestra.
La labor estadística consiste en el tratamiento del espectro original aplicando
conversiones del estilo de normalizaciones,
derivadas primeras y segundas, etc., para
luego proceder al análisis por componentes
principales (Principal Component Analysis,
PCA).
Las herramientas quimiométricas para
usar la información del espectro NIR en
determinaciones cuantitativas son, comúnmente, MLR (Multiple Linear Regression),
PCR (Principal Component Regression) y PLS
(Partial Least Square).
Trabajo experimental inicial en el Área de
Celulosa y Papel
Se realizaron curvas de calibración de densidad y rendimiento bruto de varias especies
de Eucalyptus (E. globulus, E. dunnii, E.
maidenni, E. bicostata, E. grandis e híbridos).
La primera parte del trabajo consistió en
la determinación de las propiedades por
métodos convencionales, para luego utilizar
esos datos en la calibración mediante el
método NIR.
Una parte pequeña, representativa de la
muestra, es molida hasta lograr un polvo
fino. Este polvo fino se acondiciona en una
cámara climatizada a 23ºC y 50% de humedad relativa. Después de acondicionada la
muestra, se mide su espectro infrarrojo en
el equipo NIR por triplicado.
Una vez medidos los espectros de todas
las muestras, se procede a evaluar estadísticamente y realizar la calibración. Se utiliza el programa del equipo que sugiere
distintos tratamientos estadísticos posibles,
los cuales son evaluados a través del parámetro Q.
Este valor Q es determinado matemáticamente en función de otros cálculos, conceptualmente definidos como rechazo de valores conocidos, rechazo de valores desconocidos, consistencia relativa, sesgo de la calibración, validez, comparabilidad, precisión y
exactitud. El valor máximo de Q es 1, lo
que indica que la calibración es perfecta
(valor solo alcanzable teóricamente).
Algunos resultados obtenidos
Tomando como ejemplo la propiedad de
densidad aparente básica se registraron
muestras con un rango de calibración que
abarca de 0,366 a 0,642 g/cm3, con un error
de 0,019 g/cm3.
Con el tratamiento realizado, los espectros se muestran en una figura tridimensional y el ajuste es practicado por el software en una gráfica de valor original versus
valor predicho.
Uno de los principales desafíos al realizar una curva de calibración es lograr una
buena dispersión de los datos originales.
Al momento de realizar análisis de rutina con la espectroscopía NIR (es decir, la
predicción de muestras con propiedades
La espectroscopía NIR es una técnica versátil que permite su utilización en una gran
cantidad de determinaciones y estudios. El
Departamento de Proyectos Forestales se ha
enfocado en la calibración de las propiedades con las que se cuenta con mayor cantidad de datos.
De todas formas, en la Unidad Tecnológica Fray Bentos, el Departamento se encuentra realizando análisis químicos de las maderas estudiadas, con el fin de obtener datos
para la predicción de otras propiedades de
especial importancia en la caracterización de
la madera destinada a la fabricación de pulpa
de celulosa, como ser:
• Determinación de extractivos.
• Porcentaje de madera soluble en soda.
• Porcentaje de lignina Klason (residuo insoluble que queda después de un ataque
ácido de la muestra).
• Viscosidad.
• Contenido de carbohidratos.
• Contenido de ácidos hexenurónicos
(componentes que inciden en el grado de
blancura y reversión de la blancura de
las pulpas de celulosa).
De la misma forma, y acompañando otros
proyectos de investigación del Departamento, se planifica la utilización de esta metodología en la predicción de las propiedades
mecánicas y la durabilidad de las maderas
nacionales. La Espectroscopía del Infrarrojo Cercano es un método analítico rápido, fácil de utilizar, no destructivo, fiable
y versátil. La radiación del infrarrojo cercano penetra en
la muestra, lo que es de extremada importancia en el
caso de la medición de muestras heterogéneas. La espectroscopía NIR se usa de modo generalizado en la determinación de multitud de parámetros de calidad en un
gran número de materiales biológicos (cereales, alimentos y raciones animales, carne y derivados, vegetales y
frutas, entre otros).
1
DICIEMBRE 2011 • EL PAIS AGROPECUARIO / 11