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Introducción
Pinus radiata es la especie de mayor interés industrial en Chile. Una parte de la producción es utilizada para elaborar embalajes para exportación (Infor 2016). La madera para embalajes de Pinus radiata requiere ser esterilizada de acuerdo con las normas fitosanitarias internacionales (FAO 2013). El principal riesgo fitosanitario para la madera son las plagas cuarentenarias tales como el nematodo del pino Bursaphelenchus xylophilus (Steiner and Buhrer 1934, Mamiya 1983, Dwinell 1997, Haack et al. 2011, Hopf-Biziks et al. 2017). El calentamiento con vapor es usualmente utilizado para esterilizar con calor la madera verde de Pinus radiata para embalajes de exportación (Ananías et al. 2015). Igualmente se ha utilizado el tratamiento de secado de esta madera (Ananías et al. 2013, Ananías y Venegas 2005).
El calentamiento en alta frecuencia incluye a las microondas (MO) y a las ondas de radiofrecuencia (RF). En ambos casos el calor se produce en el interior de un material dieléctrico tal como la madera, debido a la vibración molecular ocasionada principalmente por la rotación dipolar y la polarización iónica (Skaar 1998, Torgovnikov 1993). Las propiedades dieléctricas de la madera condicionan la distribución de la temperatura durante el proceso de calentamiento por alta frecuencia (Avramidis 2016, Koubaa et al. 2008) lo cual es además condicionado por la humedad de la madera (Huang et al. 2013).
El calentamiento por microondas implica la generación de ondas electromagnéticas mediante el uso de un magnetrón, el cual las transfiere a través del material dieléctrico, el cual generalmente está en movimiento continuo para mejorar la uniformidad del calentamiento. El uso de la RF como calentamiento permite proteger y esterilizar alimentos (Marra et al. 2009) y también se ha aplicado para tratar maderas (Hoover et al. 2010, Leal et al. 2010, Payette et al. 2015). Usando MO la penetración es menos profunda, pero rápida y es recomendable para tratar maderas delgadas (Fleming et al. 2004, Fleming et al. 2005, Henin et al. 2008, Nzokou et al. 2008).
En el calentamiento por radiofrecuencia la generación de ondas las produce un oscilador que aplica sobre dos electrodos entre los cuales se ubica un material dieléctrico tal como la madera (Marra et al. 2009, Resch 2009). La radiofrecuencia es recomendable para maderas gruesas ya que la penetración es profunda, pero relativamente lenta. Diversos autores han demostrado las condiciones de aplicación de radiofrecuencia (combinaciones de temperatura, espesor o diámetro, tiempo y tipo de ambiente) para que puedan ser eliminados de la madera hongos, insectos y nematodos (Dwinell 1997, Petrič et al. 1998, Fang et al. 2001, Watanabe et al. 2011, Tubajika et al. 2007, Lazarescu et al. 2015, Lazarescu et al. 2011, Lazarescu et al. 2009, Uzunovic et al. 2013, Dubey et al. 2016, Zhao and Wang 2018).
Ciertos problemas con la uniformidad de la temperatura en el interior de la madera han sido observados (Lazarescu and Avramidis 2012, Dubey et al. 2016). La aplicación del calentamiento por radiofrecuencia a 56 °C por 30 minutos ha demostrado ser letal para los nematodos (Uzunovic et al. 2013).
En este trabajo se estudia el tiempo de esterilización con calor por radiofrecuencia de madera apilada de Pinus radiata para embalajes de exportación. Se desea determinar el tiempo total de calentamiento para alcanzar una condición de 56°C o 60 °C de temperatura por un periodo de al menos 30 minutos o 1 minuto respectivamente, en la zona más fría de madera apilada.
Metodología
Se desarrolló un diseño de experimentos multifactorial con tres factores, en tres niveles y a
tres réplicas. (Tabla 1)
Se utilizó madera aserrada de Pinus radiata D. Don, procedente de plantaciones, cosechada para una empresa industrial maderera chilena, las piezas se recogieron de trozas al azar y de madera central en condición verde, con un contenido de humedad que osciló entre el 90% y 120%, cuyas dimensiones nominales como madera aserrada fueron: ancho de 10cm, largo de 300cm y el espesor varió en función del diseño experimental.
Se utilizó un secador por radiofrecuencia (Saga HF-VD30SA, Shijiazhuang, Hebei, China), con una capacidad de 3 m3 de madera, carga dimensionada en (1m x 1m x 3m), que oscila a una frecuencia de 6,78 Mhz y desarrolla una potencia de 30 KW (Torres 2017).
La carga completa debe ser dividida en cuatro paquetes, los cuales son intercalados entre cinco placas de aluminio, que a su vez funcionan como electrodos, los cuales se alternan, negativo y positivo, Figura 1, las piezas de madera en cada uno de los paquetes van juntas cara con cara, eliminando espacios vacíos, la distancia entre las placas es lo que se denomina “S=separación de placa” la cual varió en tres niveles 15, 20 y 30 cm. La carga completa es expresada en porcentaje “V=volumen de carga” la cual varió en tres niveles 100%, 75% y 50% y “E= espesor, el cual varió en tres niveles, 5cm, 7,5cm y 10cm.
Figura 1: Ejemplo del acomodo de las piezas dentro del equipo, cuya configuración es (E=10cm, S=20 cm y V= 100%).
Para la obtención de las temperaturas de la madera se instalaron de la superficie hacia el centro de cada paquete y a una distancia equidistante, 3 sensores de fibra óptica, la distribución se observa en la Figura 2. Se monitoreó la temperatura, utilizando un equipo de adquisición de datos con seis canales Oriental Rayzer (ORZ-FTM1000, Beijing, China), los datos se almacenaron cada 10 segundos.
Se determinó el tiempo de calentamiento a 56/30 y 60/1 (°C/min), en las 3 profundidades de las que se midió la temperatura de la madera.
Los tiempos de calentamiento obtenidos, fueron analizados en el programa de computo Design-Expert® Versión 10, con el fin de determinar cuáles son los factores que más influyen en el tiempo de calentamiento y así poder optimizar el proceso. Con el fin de determinar similitudes o semejanzas en los tiempos de calentamiento de la madera dependiendo de su ubicación en la carga, se utilizó el programa de computo Statgraphics Centurion XV.II. Se realizaron comparaciones múltiples para determinar cuáles medias muestran una diferencia estadísticamente significativa, utilizando el procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher con un 95% de confiabilidad.
Discusión y análisis de resultados
La norma NIMF-15 (FAO, 2013) especifica dos procedimientos para dar tratamiento térmico, 56°C por 30 minutos es cuando se usa vapor convencional y 60° por un minuto es cuando se usa una fuente dieléctrica, se determinaron los tiempos para ambas condiciones. (Tabla 2)
En general se aprecia que el tiempo de calentamiento por radiofrecuencia en la superficie de la pila es mayor que en el interior (central) comportamiento similar para ambos tratamientos, corroborado con un procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher, resultaron diferencias estadísticamente no significativas.
Tabla 2: Tiempo total de esterilización en segundos de Pinus radiata mediante calor por radiofrecuencia (carga completa, 3 m3).
En negritas: Promedio de 3 repeticiones. Entre paréntesis: Desviación estándar. (-): Sin datos suficientes.
En la Figura 3 se observan la misma tendencia desde el centro a la periferia de la pila considerando todas las combinaciones experimentales y ambos programas de esterilización con calor por radiofrecuencia. Se observó un comportamiento con una diferencia estadísticamente significativa, entre la temperatura de la zona intermedia y de la superficie, así como similitudes entre las temperaturas del centro y la zona intermedia, además de una diferencia entre la zona central y la de la superficie, sin embargo esta no es significativa.
Figura 3: Variación espacial del tiempo de calentamiento por radiofrecuencia. a) Condición 56/30 (°C/min), b) Programa 60/1 (°C/min). Método: 95 porcentaje Duncan C: Central, I: Intermedia, S: Superficie.
El diseño de experimentos marca la realización de tres replicas, es por ello que se realizó una prueba de rangos múltiples, utilizando el procedimiento de diferencia mínima significativa (LSD) de Fisher, con un 95% de confianza, Figura 4, dicho análisis se desarrolló para las tres zonas de donde se obtuvieron los tiempos totales de tratamiento térmico.
Los modelos de predicción sobre el tiempo total de calentamiento por radiofrecuencia se presentan en la Tabla 3. Dichos modelos de predicción fueron realizadas en base a cada uno de los resultados individuales y predicen satisfactoriamente los resultados experimentales con niveles de confianza superiores al 90%, estos modelos sólo son aplicables para este tipo de equipos, misma capacidad y mismas condiciones de la madera, así como deben de mantenerse constantes otras variables como la potencia y la presión.
Tabla 3: Modelos de predicción del tiempo total de calentamiento.
Tiempo (segundos), S=Separación de placa (cm), V=Volumen de carga (%), E=Espesor (cm).
Tomando como referencia el análisis de varianza (Tabla 4) que corresponde a la temperatura de la superficie para la condición 56°C/30 min, se observa que la separación de placas es la variable que más influye en el tiempo de calentamiento, seguido por el porcentaje de carga y en menor cantidad el espesor de la madera, este comportamiento se observa de manera similar para las tres zonas de temperatura para ambas condiciones de tratamiento térmico.
Conclusiones
El tiempo total de esterilización para alcanzar las condiciones 56/30 y 60/1 (°C/min) mediante calor por radiofrecuencia, en madera de Pinus radiata para embalajes de exportación es condicionado significativamente por la separación de placa, el volumen y el espesor de la madera, en orden decreciente. El tiempo total de esterilización con calor por radiofrecuencia de Pinus radiata para embalajes de exportación se predice satisfactoriamente por modelos basados en los factores antes señalados. El tiempo total de tratamiento térmico con fines fitosanitarios para las condiciones de 56°C/30min y 60°C/1min, no presentan diferencias estadísticamente significativas.
