Prediction of wood and charcoal quality parameters of Eucalyptus and Corymbia clones using benchtop and portable NIR instruments
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Universidade Federal de Viçosa
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Brazil ranks seventh among the world’s largest producers of wood from planted forests. One of the main destinations of this raw material is the charcoal industry, with emphasis on the use of species from the genera Eucalyptus and Corymbia, due to characteristics such as rapid growth and high adaptability, which result in higher industrial yields. The growing demand of the industrial sector for high-quality wood and charcoal has driven the development and application of analytical techniques for their characterization. In this context, near-infrared (NIR) spectroscopy emerges as a promising tool, as it is a rapid, accurate, non-destructive, and cost-effective analytical technique when compared to conventional laboratory analyses. The appeal of this approach has been further strengthened by the emergence of portable NIR instruments, whose operational simplicity and portability allow analyses to be carried out directly in the field or in industrial environments, in addition to presenting lower acquisition costs compared to benchtop NIR instrument. This study aimed to predict quality parameters of wood and charcoal from Eucalyptus and Corymbia clones using benchtop and portable NIR instruments. To this end, the research was structured into four chapters. Chapter 1 presented a bibliometric analysis and a literature review on the use of benchtop and portable NIR instruments in the wood industry. Chapter 2 addressed the prediction of wood quality parameters of Eucalyptus and Corymbia clones using both types of NIR instruments. The portable NIR instrument showed a reduction in model performance parameters compared to the benchtop NIR; nevertheless, the results obtained were considered promising. Chapter 3 discussed the prediction of the energetic properties of charcoal from the same clones, also based on data obtained from both types of instruments. For Eucalyptus charcoal, the NIR instruments presented models with similar performance. However, for Corymbia charcoal, the portable NIR showed inferior model performance compared to the benchtop NIR. Chapter 4 explored the prediction of the apparent density of wood and charcoal based on spectral signatures obtained with benchtop (MPA) and portable (MicroNIR and Trinamix) NIR devices, as well as density values determined by X-ray densitometry. The models developed with the benchtop NIR instrument showed superior parameters compared to those obtained with portable NIR instruments for both wood and charcoal. Among the portable instruments, the parameters were similar for charcoal; however, in wood analysis, the MicroNIR exhibited superior performance compared to the Trinamix. The results of this thesis demonstrated that NIR spectroscopy, whether using benchtop or portable instruments, is an effective tool for characterizing qualitative parameters of wood and charcoal from Eucalyptus and Corymbia clones. Thus, the implementation of this non-destructive technology can contribute to process simplification and to the reduction of operational costs in the forestry sector. Keywords: bioenergy; forest biomass; multivariate statistics; non-destructive techniques; x-ray densitometry
O Brasil ocupa a sétima posição entre os maiores produtores mundiais de madeira proveniente de florestas plantadas. Um dos principais destinos dessa matéria-prima é a indústria de carvão vegetal, com ênfase no uso de espécies dos gêneros Eucalyptus e Corymbia, devido a características como rápido crescimento e alta adaptabilidade, que resultam em maior rendimento industrial. A crescente demanda do setor industrial por madeira e carvão vegetal de alta qualidade tem impulsionado o desenvolvimento e a aplicação de técnicas analíticas para sua caracterização. Nesse contexto, a espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) surge como uma ferramenta promissora, por se tratar de uma técnica analítica rápida, precisa, não destrutiva e economicamente viável quando comparada às análises laboratoriais convencionais. O apelo dessa abordagem tem sido ainda mais reforçado pelo surgimento de instrumentos NIR portáteis, cuja simplicidade operacional e portabilidade permitem que as análises sejam realizadas diretamente em campo ou no ambiente industrial, além de apresentarem menor custo de aquisição em comparação com equipamentos NIR de bancada. Este estudo teve como objetivo prever parâmetros de qualidade da madeira e do carvão vegetal de clones de Eucalyptus e Corymbia utilizando instrumentos NIR de bancada e portáteis. Para isso, a pesquisa foi estruturada em quatro capítulos. O Capítulo 1 apresentou uma análise bibliométrica e uma revisão da literatura sobre o uso de instrumentos NIR de bancada e portáteis na indústria madeireira. O Capítulo 2 abordou a predição de parâmetros de qualidade da madeira de clones de Eucalyptus e Corymbia utilizando ambos os tipos de instrumentos NIR. O instrumento NIR portátil apresentou uma redução no desempenho dos parâmetros matemáticos dos modelos em comparação ao NIR de bancada. Ainda assim, os resultados obtidos foram considerados promissores. O Capítulo 3 discutiu a predição das propriedades energéticas do carvão vegetal dos mesmos clones, também com base nos dados obtidos pelos dois tipos de instrumentos. Para o carvão vegetal de Eucalyptus, os instrumentos NIR apresentaram modelos com desempenho semelhante. No entanto, para o carvão vegetal de Corymbia, o NIR portátil apresentou modelos com desempenho inferior aos obtidos com o NIR de bancada. O Capítulo 4 explorou a predição da densidade aparente da madeira e do carvão vegetal a partir de assinaturas espectrais obtidas com dispositivos NIR de bancada (MPA) e portáteis (MicroNIR e Trinamix) e de valores de densidade determinados via densitometria de raios X. Os modelos desenvolvidos com o instrumento NIR de bancada apresentaram parâmetros superiores aos obtidos com os instrumentos NIR portáteis, tanto para a madeira quanto para o carvão vegetal. Entre os instrumentos portáteis, os parâmetros foram similares para o carvão vegetal; contudo, na análise da madeira, o MicroNIR apresentou desempenho superior ao Trinamix. Os resultados da tese demonstraram que a espectroscopia NIR, seja com instrumentos de bancada ou portáteis, é uma ferramenta eficaz para caracterizar parâmetros qualitativos da madeira e do carvão vegetal de clones de Eucalyptus e Corymbia. Assim, a implementação dessa tecnologia não destrutiva pode contribuir para a simplificação de processos e para a redução de custos operacionais no setor florestal. Palavras-chave: bioenergia; biomassa florestal; estatísticas multivariadas; técnicas não-destrutivas; densitometria de raios X
O Brasil ocupa a sétima posição entre os maiores produtores mundiais de madeira proveniente de florestas plantadas. Um dos principais destinos dessa matéria-prima é a indústria de carvão vegetal, com ênfase no uso de espécies dos gêneros Eucalyptus e Corymbia, devido a características como rápido crescimento e alta adaptabilidade, que resultam em maior rendimento industrial. A crescente demanda do setor industrial por madeira e carvão vegetal de alta qualidade tem impulsionado o desenvolvimento e a aplicação de técnicas analíticas para sua caracterização. Nesse contexto, a espectroscopia no infravermelho próximo (NIR) surge como uma ferramenta promissora, por se tratar de uma técnica analítica rápida, precisa, não destrutiva e economicamente viável quando comparada às análises laboratoriais convencionais. O apelo dessa abordagem tem sido ainda mais reforçado pelo surgimento de instrumentos NIR portáteis, cuja simplicidade operacional e portabilidade permitem que as análises sejam realizadas diretamente em campo ou no ambiente industrial, além de apresentarem menor custo de aquisição em comparação com equipamentos NIR de bancada. Este estudo teve como objetivo prever parâmetros de qualidade da madeira e do carvão vegetal de clones de Eucalyptus e Corymbia utilizando instrumentos NIR de bancada e portáteis. Para isso, a pesquisa foi estruturada em quatro capítulos. O Capítulo 1 apresentou uma análise bibliométrica e uma revisão da literatura sobre o uso de instrumentos NIR de bancada e portáteis na indústria madeireira. O Capítulo 2 abordou a predição de parâmetros de qualidade da madeira de clones de Eucalyptus e Corymbia utilizando ambos os tipos de instrumentos NIR. O instrumento NIR portátil apresentou uma redução no desempenho dos parâmetros matemáticos dos modelos em comparação ao NIR de bancada. Ainda assim, os resultados obtidos foram considerados promissores. O Capítulo 3 discutiu a predição das propriedades energéticas do carvão vegetal dos mesmos clones, também com base nos dados obtidos pelos dois tipos de instrumentos. Para o carvão vegetal de Eucalyptus, os instrumentos NIR apresentaram modelos com desempenho semelhante. No entanto, para o carvão vegetal de Corymbia, o NIR portátil apresentou modelos com desempenho inferior aos obtidos com o NIR de bancada. O Capítulo 4 explorou a predição da densidade aparente da madeira e do carvão vegetal a partir de assinaturas espectrais obtidas com dispositivos NIR de bancada (MPA) e portáteis (MicroNIR e Trinamix) e de valores de densidade determinados via densitometria de raios X. Os modelos desenvolvidos com o instrumento NIR de bancada apresentaram parâmetros superiores aos obtidos com os instrumentos NIR portáteis, tanto para a madeira quanto para o carvão vegetal. Entre os instrumentos portáteis, os parâmetros foram similares para o carvão vegetal; contudo, na análise da madeira, o MicroNIR apresentou desempenho superior ao Trinamix. Os resultados da tese demonstraram que a espectroscopia NIR, seja com instrumentos de bancada ou portáteis, é uma ferramenta eficaz para caracterizar parâmetros qualitativos da madeira e do carvão vegetal de clones de Eucalyptus e Corymbia. Assim, a implementação dessa tecnologia não destrutiva pode contribuir para a simplificação de processos e para a redução de custos operacionais no setor florestal. Palavras-chave: bioenergia; biomassa florestal; estatísticas multivariadas; técnicas não-destrutivas; densitometria de raios X
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Citation
MARTINS, Caio Cesar Nemer. Prediction of wood and charcoal quality parameters of Eucalyptus and Corymbia clones using benchtop and portable NIR instruments. 2025. 156 f. Tese (Doutorado em Ciência Florestal) - Universidade Federal de Viçosa, Viçosa. 2025.