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Introducción
El comercio internacional de madera de coníferas implica ciertos riesgos fitosanitarios debido a la introducción de plagas, que producen impacto no sólo a nivel ecológico sino que también económico. Desde el punto de vista económico, los principales costos se deben a la desvalorización de la madera deteriorada y a los gastos en control y erradicación de las plagas. En USA y Australia el impacto económico por concepto fitosanitario en el ámbito forestal es significativo (Leal et al. 2010, Carnegie et al. 2018)
Uno de los agentes bióticos causante de riesgos fitosanitarios en la madera de pináceas es el nematodo del pino Bursaphelenchus xylophilus. Este nematodo ha sido encontrado asociado principalmente con el coleóptero xilófago Monochamus sp. (Haack et al. 2011). En Chile Monochamus sp. y su vector asociado Bursaphelenchus xylophilus son consideradas un riesgo de plaga potencial dada las extensas plantaciones de pino radiata (Pinus radiata); una de las plagas introducidas en Chile son los escarabajos de la corteza del pino, tal como Hylurgus ligniperda (Mausel et al. 2007).
Una forma de enfrentar los riesgos fitosanitarios de plagas como las citadas más arriba en el comercio internacional de maderas, es mediante la aplicación de la Norma Internacional de Medidas Fitosanitarias NIMF 15 (Haack et al. 2014). Los tratamientos fitosanitarios aceptados por las normas internacionales NIMF 15 para el comercio internacional de madera para pallets son el tratamiento con bromuro de metilo BM, el tratamiento térmico con calor convencional HT y el tratamiento térmico mediante calentamiento dieléctrico DH (NIMF 15 2019). Además, se ha aceptado la homologación del secado como medio de tratamiento de esterilización con calor en madera que ha sido secada debajo de 20 % HT-KD (Ananías et al. 2013, Wang 2010). A nivel mundial, además para reducir el uso de BM, que degrada la capa de ozono (MBTOC 2018), otros tratamientos químicos potencialmente más amigables ambientalmente, han estado igualmente siendo evaluados para esterilizar maderas (Arcos et al. 2015, Douda et al. 2015, Naves et al. 2019).
El tratamiento HT (heat treatment) para madera de exportación para embalajes se considera más amigable con el medio ambiente. Siendo así, las normas fitosanitarias internacionales (NIMF 15 2019), establecen que se debe conseguir calentar con vapor el centro de la madera a una temperatura de 56 ºC y mantener ésta por al menos 30 minutos, este tratamiento con calor HT permite esterilizar la madera de hongos, insectos y nematodos (Morrell 1995).
En la literatura se reporta que el tratamiento con vapor HT, es condicionado por la temperatura y el espesor de la madera. Una elevada temperatura en el ambiente en combinación con un bajo espesor de la madera disminuye la duración del tratamiento HT (Ananías y Venegas 2005). En el mismo sentido al incrementar sólo la temperatura disminuye el tiempo para la esterilización HT (Simpson 2003, Simpson 2006, Simpson e Illman 2004). La especie usada igualmente afecta el tiempo de tratamiento, las coníferas presentan tiempos más rápidos de esterilización con vapor (Chen et al. 2018).
Ensayos a la escala industrial realizados en Chile con madera de pino radiata, muestran que los programas de secado convencional acelerado y por alta temperatura, permiten homologar el secado como tratamiento de esterilización de esta madera para embalajes proceso HT-KD (heat treatment-kiln dried) (Ananías et al. 2013). En todos estos casos el programa de secado se inicia con un calentamiento inicial con la mínima diferencia psicrométrica hasta la temperatura de bulbo húmedo y posteriormente un aumento de la temperatura ambiente hasta la temperatura del programa respectivo, el secado continúa bajo esa condición hasta que la madera alcanza un contenido de humedad final menor o igual a 20 % base seca.
Este trabajo tiene como objetivo estudiar experimentalmente la evolución temporal de la temperatura en madera verde apilada (sin empalillar) de pino radiata durante ensayos de calentamiento usando vapor para cumplir con las exigencias de tratamiento térmico, esto es calentar el centro de la madera hasta 56 °C y mantener esta condición por 30 minutos continuos en todo el subpaquete de madera de acuerdo a lo especificado por la norma NIMF 15-2019. En adición se desea correlacionar el tiempo cumplido (tiempo que incluye los 30 minutos en el centro de la madera, requeridos por la norma NIMF 15) de esterilización con calor de la madera verde apilada en base al espesor y la altura del subpaquete, dada una temperatura de trabajo.
Metodologia
Se realizaron ensayos experimentales para determinar el tiempo cumplido del tratamiento térmico con vapor reconocido por la NIMF 15, HT 56/30 (°C/min) en madera verde apilada de pino radiata. Los ensayos se realizaron en un horno convencional de 40 m3 de capacidad (ensayo piloto), luego se realizaron algunas pruebas de validación en horno certificado y cámara de vaporizado de 100 m3 de capacidad (ensayo industrial).
Ensayo piloto
Los ensayos experimentales fueron llevados a cabo en un horno industrial de 40 m3 de capacidad en madera sólida, calefaccionado con vapor (Figura 1).
En el horno se instaló una carga de 4 torres de madera de 1,9 m x 1,1 m x 4 m de largo, con escuadrías de 16 mm x 100 mm x 4 m, 38 mm x 96mm x 4 m, 53 mm x 83 mm x 4 m con subpaquetes de 150 mm, 200 mm y 400 mm (Figura 2). Estas escuadrías son representativas de la madera utilizada en la industria nacional chilena para embalajes de exportación. La madera recién aserrada, se mantuvo en estado verde, húmeda y fría a la temperatura ambiente (18 °C a 20 °C), antes de cada ensayo.
Cada subpaquete fue apilado con piezas de madera de 4 m de largo, combinando al azar la altura del subpaquete y espesor de la madera para trabajar con una temperatura de 80 °C, 90 °C y 100 °C. El espaciamiento de cada subpaquete se realizó con separadores de 19 mm (Figura 2).
Las variaciones del espesor de la madera fueron de ± 1 mm. La variación de la altura del subpaquete fue de aproximadamente ± 10 mm.
Se determinó el tiempo cumplido que demora en calentar mediante vapor húmedo (ambiente saturado) el centro de la madera a 56 °C por 30 minutos para diferentes niveles de temperatura, altura de subpaquetes y espesor de la madera. El tiempo cumplido de esterilización con calor para la condición 56/30 (°C/min), se controló como función de la temperatura de bulbo seco (80 °C, 90 °C y 100 °C), la altura de subpaquetes (150 mm, 200 mm y 400 mm) y el espesor de la madera (16 mm, 38 mm y 53 mm).
El horno estaba equipado con 4 sensores de temperatura de bulbo seco y 1 sensor de temperatura de bulbo húmedo. Los sensores fueron debidamente calibrados. Un sistema de control PLC permitió conducir y registrar de manera continua cada 1 minuto las condiciones ambientales al interior del horno: Temperatura de bulbo seco (Tbs) y temperatura de bulbo húmedo (Tbh). Para cada temperatura se aceptó una diferencia psicrométrica de ± 1 °C. Se implementó una base de datos de temperatura para asegurar un sistema encriptado de estos datos. No se usó ventilación forzada, tal como usualmente se realiza este tratamiento en cámaras de vaporizado en la industria nacional, sino la aplicación de vapor húmedo mediante tina.
Se usaron 4 termopares tipo T, debidamente testeadas, para monitorear la temperatura de la madera en cada subpaquete. Los termopares se insertaron en el centro de las piezas centrales de cada subpaquete, mediante perforación y aislando con silicona de alta temperatura (Figura 3).
Un sistema de adquisición de datos de temperatura en base a PLC/multiplexores fue utilizado para registrar los datos cada 1 minuto, hasta cumplir el tiempo requerido para esterilizar la madera (tiemplo cumplido 56/30 °C/min) (Figura 4).
El diseño experimental incluyo como factores de variación la temperatura ambiente (en 3 niveles), espesor de la madera (en 3 niveles) y altura del subpaquete (en 3 niveles). El diseño experimental considera combinaciones de 81 tratamientos tal como se describe en la Tabla 1.
La influencia de los factores con el tiempo de esterilización fue determinada con un análisis multifactor (ANOVA, p<0,01) y prueba de comparaciones múltiples (LSD) a un 99 % de nivel de confianza, para determinar diferencias significativas entre los niveles de cada factor. Para la predicción del tiempo de esterilización en función de los factores, se consideró un análisis de regresión múltiple por pasos hacia adelante, verificando la calidad de los modelos con análisis de bondad del ajuste, residuos y autocorrelación.
Ensayo industrial
Para la validación industrial, se realizaron ensayos en hornos de secado acreditados para realizar la esterilización con vapor y en una cámara de vaporizado certificada para realizar el tratamiento de esterilización con vapor HT (SAG 2006). Tres ensayos fueron realizados en tres plantas industriales chilenas, en donde para cada una de las temperaturas (80 °C, 90 °C, 100 °C) se varió espesor de la madera y altura del subpaquete. En este caso se usó la madera recién aserrada disponible en cada planta al momento de realizar los experimentos. En todos los casos se armó la carga en subpaquetes de 150 mm, 200 mm y 400 mm de altura tal como en el ensayo piloto (Figura 5a). Las variaciones del espesor de la madera fueron de ± 1 mm. La variación de la altura del subpaquete fue de aproximadamente ± 10 mm.
Figura 5: Instalaciones e instrumental para tratamientos industriales con vapor. (a) Horno secado certificado, (b) Cámara de vaporizado, (c) Sistema adquisición datos.
En los hornos de secado se controló la temperatura de bulbo seco (Tbs) y la temperatura de bulbo húmedo (Tbh), se aceptó una diferencia psicrométrica de ± 1 °C. La temperatura de bulbo húmedo tuvo una variación de ± 1 °C con la temperatura ambiente (temperatura de bulbo seco). Los datos de la Tbs y Tbh durante el proceso fueron recogidos al final de cada ensayo del propio sistema de control de los hornos de secado y cámara de vaporizado. En la cámara de vaporizado se controló la temperatura de bulbo seco. En los hornos de secado, no se usó ventilación forzada, tal como usualmente se realiza este tratamiento en cámaras de vaporizado en la industria nacional chilena. (Figura 5b)
Se instalaron 12 termopares debidamente probadas para combinaciones de espesores y altura, 4 termopares en piezas de madera ubicadas en el centro de cada subpaquete. El espaciamiento de cada subpaquete se realizó con separadores de 19 mm. La temperatura al interior de la madera fue registrada cada 1 minuto usando termopares tipo (T), las cuales fueron registradas en un sistema de adquisición de datos (Digi-Sense Scaning Thermometer). Se implementó una base de datos de temperatura para asegurar un sistema encriptado de estos datos. (Figura 5c).
Resultados y discusión
Ensayo piloto
En la Figura 6, Figura 7 y Figura 8 se muestran la evolución de la temperatura interna de la madera para los programas de calentamiento con vapor a escala piloto con temperaturas 80 °C, 90 °C y 100 °C. La temperatura de la madera siempre se ubica por debajo de la temperatura ambiente, la temperatura de la madera comienza en el rango de 6 °C a 10 °C.
Se observa que los paquetes de 150 mm y 200 mm de altura alcanzan más rápidamente el tiempo cumplido de esterilización con vapor 56/30 (°C/min). El proceso es mucho más lento para una altura de 400 mm, incluso a 100 °C, la esterilización con vapor de estos paquetes de 400 mm de altura demora en completar el ciclo.
La Tabla 2 muestra los resultados experimentales del tiempo promedio mínimo requerido para que la madera cumpla con la combinación de 56/30 ºC/min en el centro de la madera.
El tiempo mínimo varió desde 123 min hasta un máximo de 2275 min. Como se esperaba, de acuerdo con lo reportado por la literatura (Ananías y Venegas 2005, Simpson 2003, Simpson 2006, Simpson e Illman 2004, Simpson et al. 2005), el espesor de la madera apilada (sin empalillar) influencia significativamente los tiempos de esterilizado.
El tiempo de esterilización mínimo corresponde a la combinación de 100 °C, una altura del subpaquete de 150 mm y un espesor de la madera de 38 mm. El máximo corresponde a la temperatura de 80 °C, una altura del subpaquete de 400 mm y un espesor de la madera de 16mm. Una notable heterogeneidad del tiempo del tratamiento es observada en la misma Tabla 2. Esta heterogeneidad ha sido reportada en trabajos anteriores como consecuencia de la propia variabilidad del apilado de la madera sin empalillar como también del contenido humedad inicial de la madera (Simpson et al. 2003, Simpson et al. 2005, Wang y Simpson 2020).
Comparaciones múltiples (prueba LSD 99 %)
La altura del subpaquete y el espesor de la madera resultaron tener una influencia en el tiempo de esterilizado, en concierto con lo indicado por Simpson et al. (2005), Wang (2010), Wang y Simpson (2020). De acuerdo con la prueba de comparaciones múltiples presentado en la Tabla 3, se observan diferencias significativas en el tiempo cumplido de esterilización entre alturas y espesores de la madera, para una temperatura dada.
Tabla 3: Prueba LSD 99 % nivel de confianza entre alturas del subpaquete (H) y espesor de la madera (e) para 80 °C, 90 °C y 100 °C.
Letras iguales indican que no hay diferencias significativas entre sí, según prueba de LSD.
En particular, el tiempo de esterilizado presenta diferencias estadísticamente significativas entre las alturas del subpaquete de 150 mm, 200 mm y 400 mm, trabajando con una temperatura de 80°C. Así como usando 90 °C y 100 °C, con una altura de 400 mm.
En el caso de los espesores de la madera, existen diferencias estadísticas significativas entre 16 mm, 38 mm y 53 mm, usando temperatura de 80 °C. Sin embargo, para 90 °C las diferencias estadísticas significativas, se presentaron entre 16 mm y 53 mm. En tanto trabajando con 100 °C, las diferencias significativas se presentaron entre 16 mm y 38 mm.
En promedio, el tiempo de esterilización con vapor aumenta con la altura del subpaquete y disminuye con un aumento de la temperatura del vapor. El tiempo de esterilización con calor para una determinada temperatura y altura de subpaquete tiende a aumentar al reducir el espesor de la madera. Wang (2010) ha reportado estas mismas tendencias trabajando con madera apilada (sin empalillar).
Regresión múltiple
La variabilidad del tiempo de esterilizado de la madera apilada (Simpson 2003) y las particularidades en los procesos de la industria maderera chilena, propician el desarrollo de modelos para cada una de las temperaturas ajustados a los datos experimentales. En este contexto, Simpson et al. (2003), Simpson et al. (2005), Simpson (2006) y Wang y Simpson (2020), han indicado la buena capacidad de estimación del tiempo de esterilizado a través de modelos de regresión múltiple. Sin embargo, la calidad del ajuste para un modelo predictor con las variables temperatura, altura del subpaquete y espesor de la madera como variables, resulto con un R2 de 67 %, sin embargo, no predice valores lógicos para la temperatura de 100 °C y se ha desestimado como resultado. En este contexto, atendiendo la heterogeneidad de las condiciones de operación del equipamiento que presenta la industria maderera en Chile, ha resultado práctico establecer modelos para predecir el tiempo cumplido de esterilización para cada nivel de temperatura.
De acuerdo con la ANOVA (Tabla 4), resulta para una temperatura de 80 °C, una regresión múltiple en función de la altura y el espesor con un R2 de 84 %, tal como presentado en la Ecuación 1:
(1)
Para una temperatura de 90 °C la regresión múltiple alcanza un R2 de 76,5 % y se expresa como descrito en la Ecuación 2:
(2)
La regresión resultante para 100 °C presenta un R2 de 45 % y es representada por la Ecuación 3:
(3)
En cada uno de los modelos, el valor-P en la tabla ANOVA es menor que 0,05 por lo que, desde el punto de vista estadístico, existe una relación significativa entre altura del subpaquete y espesor de la madera. Con esto, la altura del subpaquete y el espesor de la madera, permiten predecir el tiempo cumplido de esterilización en un 84 % para 80 °C, 76 % para 90 °C y 45 % para 100 °C.
Coeficiente determinación r del modelo
Con un 99% de nivel de confianza, la variabilidad del tiempo correlacionado (datos esperados) para una temperatura de 80 °C y 90 °C se ajusta muy fuertemente al tiempo de esterilizado (datos experimentales) de acuerdo al coeficiente de regresión lineal r=0,92 y r=0,88 respectivamente; en tanto para 100 °C su ajuste es moderadamente fuerte (r=0,69). El error estándar resulto de 255 min para 80°C, 229 min para 90 °C y 63 min para 100 °C (Figura 9). En el mismo orden de grandeza, coeficientes de regresión lineal (r) entre 0,67 y 0,78 han sido reportados para estimar el tiempo de esterilizado de la madera. (Simpson et al. 2003 Wang y Simpson 2020).
Validación del modelo de regresión
El análisis de los residuos indica que los modelos ajustados son satisfactorios y cumplen los supuestos de la regresión: residuos normales, con varianza constante y sin correlación. Así mismo el estadístico de Durbin-Watson (DW=1,8 para 80 °C; 1,6 para 90 °C; 1,7 para 100 °C) y los residuos studentizados se encuentran dentro de lo esperado, para los tres modelos, con un valor menor a (2(.
Ensayo industrial
La evolución temporal de la temperatura durante las pruebas del ensayo industrial se presenta en la Figura 10. El tiempo de esterilización con calor fue más rápido durante el ensayo industrial debido a las tecnologías de secado y vaporizado utilizadas, esto es hornos de secado y cámaras de vaporizado potenciadas térmicamente para madera de pino radiata. Igualmente, la temperatura inicial de la madera partió en el rango de 6 °C a 18 °C, más alta que para el ensayo piloto. Como dicho anteriormente, se observa que los paquetes de 150 mm y 200 mm de altura alcanzan más rápidamente el tiempo cumplido de esterilización con vapor 56/30 (°C/min). El proceso es mucho más lento para una altura de 400 mm, incluso a 100 °C la esterilización con vapor de estos paquetes de 400 mm de altura demoran en completar el ciclo.
La diferencia en la magnitud del tiempo de esterilización con calor probablemente sea atribuible a la tecnología utilizada y a las combinaciones de espesor y altura del subpaquete, tal como descrito por Simpson et al. (2003).
Figura 10: Evolución temporal de la temperatura durante ensayo industrial. (a) 80 °C (horno certificado), (b) 90 °C (horno certificado), (c) 100 °C (cámara certificada).
Al comparar los resultados industriales con las correlaciones por cada temperatura encontradas durante el ensayo piloto (Correlación Apilado), se observa que el tiempo de esterilización con vapor es generalmente sobreestimado por dichas correlaciones, el efecto es más notable a una temperatura de 100 °C (Tabla 5).
Igualmente en la Tabla 5, se comparan los datos experimentales con la relación empleada por Ananías y Venegas (2005) para predecir el tiempo de esterilización durante el proceso de homologación del secado de pino radiata (Correlación Secado). Se observa que a 80 °C y 90 °C la correlación usando la homologación del secado subestima el tiempo de esterilización con vapor de la madera apilada de pino radiata. En cambio a 100 °C la correlación del secado sobrestima el tiempo de esterilización con vapor de pino radiata apilado.
Tabla 5: Comparación del tiempo cumplido (min) de esterilización con vapor durante ensayos experimentales, correlación madera apilada (presente trabajo) y correlación secado (Ananías y Venegas 2005).
80-corr apilado: t=561,8+5,2H-20,9e; 90-corr apilado: t=37,9+4,2H-8,7e; 100-corr apilado: t=167,7+0,72H-2,4e; Corr Secado: t=109,3-0,78T+1,7e.
Altura del subpaquete: 150 mm, 200 mm, 400 mm
Espesor de la madera: 16 mm, 38 mm, 53 mm
Conclusiones
La evolución temporal de la temperatura en madera verde apilada de pino radiata usando vapor a una temperatura entre 80 °C y 100 °C depende significativamente de la altura del subpaquete y del espesor de la madera.
El tiempo para obtener las condiciones de esterilización con vapor de madera apilada de pino radiata, varió de 123 min (38 mm de espesor de la madera, 150 mm altura del subpaquete y 100 °C de temperatura) hasta un máximo de 2275 min (16 mm de espesor de la madera, 400 mm altura del subpaquete y 80 °C de temperatura). El menor tiempo de esterilización de pino radiata apilado para embalajes de exportación resulta de la combinación de una temperatura del vapor a 100 °C, apilado con una altura del paquete de 150 mm y usando un espesor de la madera de 38 mm.
A partir de las variables altura del subpaquete y el espesor de la madera, es factible predecir el tiempo cumplido de esterilización en un 84 % para 80 °C, 76 % para 90 °C y 45 % para 100 °C.
Los resultados son aplicables a la industria nacional chilena que procesa madera aserrada de pino radiata verde empaquetado para embalajes de exportación.
