Qualidade da madeira de eucalipto para produção de celulose kraft

Abstract

No Brasil, as florestas plantadas constituem a principal fonte de matéria-prima para as indústrias de base florestal. A área plantada corresponde a 6,5 milhões de hectares, 73% com plantios de Eucalyptus e 27 % com Pinus. No setor de celulose e papel a área plantada atingiu 2,2 milhões de hectares, sendo 1,7 milhões ha correspondente à plantio de Eucalyptus e 500.000 ha à plantio de Pinus. O Brasil se destaca na produção de celulose mundial, ocupando hoje a quarta posição, com uma produção de 14,2 milhões de toneladas por ano. Dentro deste contexto o melhoramento genético florestal se destaca na geração de clones com alta qualidade da madeira e alta produtividade florestal, assim, o objetivo deste trabalho foi a avaliação da qualidade da madeira de clones de eucalipto para produção de celulose kraft. As fábricas de celulose e papel, no cenário atual, apresenta madeira com variabilidade significativa de qualidade, que pode ocasionar prejuízos, tais como queda no rendimento do processo, na qualidade do produto final, elevação dos custos de produção e, consequentemente, redução no faturamento. Mesmo conhecendo a composição química da madeira, é difícil prever seu comportamento durante a polpação, torna-se necessário então associar os resultados das análises químicas das madeiras com os resultados tecnológicos da polpação e os aspectos de crescimento da floresta, tratando a produção de celulose como um processo integrado floresta-fábrica, visando reduzir custos e aumentar a produção. As análises de critérios de qualidade da madeira de Eucalyptus foram investigadas. Os resultados demonstraram que a carga de álcali ativo, o teor de lignina e o teor de extrativos apresentaram efeitos significativos no rendimento da polpação kraft. A densidade básica da madeira não afetou significativamente o rendimento da polpação, mas sim o consumo de madeira para produção de celulose (m3 madeira/ton celulose). Densidade básica, teor de lignina e teor de extrativos foram recomendados como critérios de qualidade da madeira a serem determinados para seleção de clones antes da determinação das características de polpação. Como não foi observado, estatisticamente, o efeito da densidade sobre rendimento, nas mesmas condições de fator H, para 75 amostras de Eucalyptus, dois clones, considerados de baixa e alta densidade (426 e 520 kg/m3), foram cozidos, para se avaliar o real efeito deste parâmetro sobre o rendimento depurado, uma vez que suas constituições químicas eram semelhantes e a diferença de densidade atribuída, somente, ás características anatômicas da madeira. A temperatura e tempo dos cozimentos foram ajustados para produção de n° kappa, aproximadamente, 17. Os parâmetros dos cozimentos kraft foram, álcali ativo aplicado, rendimento depurado, álcali residual e consumo específico. Em condições semelhantes de polpação, a madeira de alta densidade proporcionou celulose com número kappa mais elevado que a madeira de baixa densidade, importante ressaltar que os clones tinham composição química semelhante, sendo então esse efeito atribuído à diferença de densidade básica. Madeira de alta densidade poderá proporcionar rendimento semelhante ao da madeira de baixa densidade se forem utilizadas temperaturas mais baixas e tempo de cozimento mais longo. Esse ganho em rendimento poderá ser importante se a capacidade do digestor permitir cozimentos mais longos sem comprometer a produção diária da fábrica. A avalição da qualidade da madeira, pela realização laboratorial das análises químicas e características da polpação, é dispendiosa em tempo e recursos financeiros. Uma técnica alternativa, para se avaliar essa qualidade, seria a utilização da espectroscopia de infravermelho próximo (NIRS), que é de baixo custo, rápida e não requer consumo de reagentes químicos. Empregando amostras de 75 clones de Eucalyptus com idade comercial, os modelos NIRS desenvolvidos apresentaram coeficientes de determinações (R2C) de 0,87, 0,95 e 0,90 para densidade básica, teores de lignina e extrativos, respectivamente, Vinte quatro amostras foram usadas para validação externa dos modelos. Os modelos mostraram boa capacidade preditiva, resultando em 83% das previsões com resíduos no intervalo de +/-17 kg/m3 para densidade básica, 82% das predições com resíduos no intervalo de +/-1% para o teor de lignina e 76% das previsões com residuais no intervalo de +/- 0,6% para os extrativos. Para os parâmetros de cozimento kraft, os coeficientes de determinação (R²C) dos modelos NIRS foram 0,84 para o álcali ativo, 0,88 para rendimento depurado e 0,90 para o consumo específico da madeira. Pelos resultados das validações externas 96% das predições para álcali ativo ficaram no intervalo de +/-1%, 96 % das predições do rendimento apresentaram resíduos no intervalo de +/-1% e para o consumo específico os residuais ficaram no intervalo de +/-0,2 m3 de madeira/tonelada de celulose. Os resultados obtidos confirmaram que a tecnologia NIRS pode se aplicada como uma importante ferramenta para caracterização físico-químicas da madeira de Eucalyptus e estimativas dos parâmetros de cozimento kraft. Diante dos resultados apresentados, buscou se desenvolver modelos gerais NIRS para predição da densidade e das características químicas da madeira de clones de Eucalyptus cultivados no Brasil. Foram desenvolvidos modelos NIRS utilizando 2900 amostras e modelos com um número reduzido de amostras (250 amostras), tendo como objetivo a comparação entres este modelos. Nos clones de Eucalyptus foram avaliados a densidade básica, teor de lignina e teor de extrativos. Os parâmentros estatísiticos, desenvolvidos com número reduzido de amostras, em termos determinação e precisão, foram semelhantes aos desenvolvidos com o conjunto total de amostras. Os modelos desenvolvidos com número reduzido de amostras mostraram boa capacidade preditiva para todas as três característicasde qualidade da madeira. Os resultados mostraram que a utilização de número reduzido de amostras representativas da população pode gerar modelos tão precisos quanto à utilização de todas as amostras disponíveis. Hoje, todos os trabalhos que envolvem a qualidade da madeira, seja por métodos destrutivos ou não destrutivos, são realizados em clones que foram melhorados por diferentes técnicas de clonagem. Entretanto, uma técnica pouco comum para madeira de eucalipto é a poliploidia induzida com colchicina. Assim, no último capítulo deste estudo foi avaliada a qualidade da madeira de clones derivados de poliploides resultados de cruzamentos de Eucalyptus grandis poliplóides x Eucalyptus urophylla, tendo sido analisada as características de densidade básica, características anatômicas das fibras, constituição química e o desempenho da madeira durante o processo de produção de celulose kraft. Os clones derivados de poliploides, em relação ao clone referência, apresentaram fibras mais longas, densidades básicas superiores, menores teores de lignina, mais altas relações siringila/guaiacila, menores cargas alcalinas para mesmo número kappa e rendimentos depurados mais elevados. Estes resultados confirmam que a poliploidia pode ser usada como uma ferramenta para o melhoramento florestal da madeira de eucalipto para produção de celulose kraft. As análises descritas nos sete capítulos deste estudo permitem concluir, que as características físico- químicas da madeira, juntamente com os aspectos silviculturas, técnicas de clonagem e variáveis de processo, determinam o potencial de um clone de eucalipto para produção de celulose kraft.

In Brazil, planted forests are the main source of supply wood for the forest-based industry. The planted area corresponds to 6.5 million hectares in which 73% of the area is constituted of Eucalyptus and 23% with Pinus. The planted area for pulp and paper production reached 2.2 million hectares in which 1.7 million hectares corresponds to Eucalyptus plantation and 500,000 hectares to Pinus plantation. Brazil stands out worldwide in pulp production currently occupying the fourth position, with a production of 14.2 million tons of pulp per year. The territorial extension of the country, the climate and the investment in breeding research which allowed high levels of forest productivity with an average of 45 m3/ha of wood per year, contributed to the lower cost of the worldwide production attracting the attention of investors. The breeding program aims to generate clones with high wood quality and high forest productivity. The wood shows significant variability in quality, influencing the entire industrial process which can cause decrease in yield, affect the quality of the final product, increase the costs and decrease the profit. Despite the knowledge of the wood chemical composition, it is difficult to predict its behavior during the pulping, then it is needed to associate the results of wood chemical analyzes with the results of pulping and the aspects of forest growth, treating pulp production as an integrated forest-mill process to reduce costs and increase the production. The criteria of the analysis of wood quality of Eucalyptus for kraft pulp production were evaluated based on statistical analysis. It was demonstrated that an active alkali charge, wood lignin and extractive contents presented a significant effect on pulping yield. The wood basic density did not present a significant effect on pulping yield but it affected wood consumption for pulp production (m3 of wood/ton of pulp). The wood basic density, the lignin content and the extractive content were recommended as criteria to establish wood quality prior to pulping characteristics. The effect the wood basic density on pulping yield was not statistically observed. Two Eucalyptus clones with low and high basic wood densities (426 e 520 kg/m3) and similar chemical constitutions were studied. Kraft cooking was carried out with temperature, time and alkali charge adjusted to obtain pulps with kappa number 17. This study aimed to evaluate the real effect of wood basic density on pulping yield, since their chemical constitutions were similar and the difference of density attributed only anatomical characteristics of the wood. For similar conditions of pulping, the high wood basic density resulted in pulps with kappa number higher than woods with low basic density. The pulping of woods with high basic density could result in similar yield of woods with low density if lower temperatures and longer cooking times were used for high density wood. This gain on pulping yield may be important if the digester capacity would allow longer cooking time without jeopardizing the production. The determination of wood quality by carrying chemical analysis laboratory and kraft pulping is expensive and require a longer time of analysis. An alternative technique to evaluate this quality is the near infrared spectroscopy (NIRS), which has a lower cost, higher processing speed and does not require chemical reagents. Seventy five Eucalyptus clones were used in this study, the selected NIRS models presented 0.87, 0.95 and 0.90 as determination coefficients (R²) for basic density, total lignin and extractive contents, respectively. Twenty four samples were used for external validation of the selected models. The models showed good predictive abilities, resulting in 83% of the predictions with residues between +/-17 kg/m³ for basic density of wood, 82% of the predictions with residues between +/- 1% for lignin and 76% of the predictions with residues between +/-0.6% for extractives. For the kraft pulping parameters, the coefficients of determination (R2) for NIRS models were 0.84 for active alkali, 0.88 for pulping yield and 0.90 for specific wood consumption (m³ of wood/ton pulp). For active alkali, 96% of the predictions presented residues between +/- 1.0%. For pulping yield, 96% of the predictions presented residues between +/- 1% and for specific wood consumption, 92% of all predictions presented residues between +/-0.20 m³ wood/ton pulp. Results have shown that the NIRS technology could be applied as a tool for characterization of the Eucalyptus wood quality for pulping. Considering the results presented sought to develop NIRS general model to predict the wood basic density and chemical characteristics of Eucalyptus clones grown in Brazil. The objectives of this study was the development of NIRS models using a large number of Eucalyptus wood samples (2900 samples) and compare them with models developed using less number of samples. The Eucalyptus wood samples were evaluated for density, lignin content and extractives content. The statistical parameters of NIRS models developed with 250 wood samples were close to the one developed using the total number of available samples (2900) in terms of prediction accuracy. The reduced samples models presented good predictive abilities for all three characteristics demonstrating that use of some representative samples can be as precise as using large number of samples. Today, all studies involving wood quality by destructive methods or nondestructive methods are performed on clones that were improved by different cloning techniques. However, polyploidy induced by colchicine is an unusual technique for Eucalyptus wood and publications related to its effect on wood quality are difficult to find, so in the last chapter of this study the goal was to evaluate the wood quality of the Eucalyptus grandis polyploidies x Eucalyptus urophylla clones. The Eucalyptus clones were evaluated for wood basic density, chemical composition, anatomical characteristics and kraft pulping performance. Clones derived from polyploidies presented longer fibers, higher wood basic density, lower lignin content, higher syringyl/guaiacyl ratio, lower alkali charge for same kappa level and higher screened yield. These results demonstrate that the polyploidy technique can be used as an important tool in Eucalyptus forest improvement programs for pulping process. The analyzes described in seven chapters of this study indicate that the physicochemical characteristics of the wood, silvicultural aspects and process variables determine the potential of an eucalyptus clone for kraft pulp production.