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