dissertação

Bark quantification and quality classification in Pinus spp. pellets: a non-destructive approach using nir spectroscopy and cielab colorimetry

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Resumo

A mistura de casca e serragem de Pinus spp. para obter pellets valoriza resíduos florestais, mas altera sistematicamente a densidade, a resistência mecânica e o conteúdo energético do produto. Os métodos convencionais para controle de qualidade são destrutivos e lentos, incapazes de verificar a proporção de casca em tempo real ou antecipar desvios antes da comercialização. A espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) e a colorimetria CIELab são alternativas não destrutivas, mas faltam calibrações para misturas de casca e serragem em todo o gradiente. Esta dissertação avaliou o potencial das duas técnicas para quantificar o conteúdo de casca e classificar a qualidade física, mecânica e energética de pellets produzidos em onze tratamentos (T0–T10, incrementos de 10% de casca, 0–100%). As propriedades físico-mecânicas e energéticas variaram entre tratamentos (p < 0,001). O melhor equilíbrio entre durabilidade e densidade energética ocorreu entre 40% e 60% de serragem, mas nenhum tratamento atingiu o limiar mínimo de resistência mecânica da ISO 17225-6 (classe B, ≥96%). Por meio da espectroscopia NIR, foi possível quantificar o conteúdo de casca com precisão elevada na biomassa solta (mistura não densificada) e nos pellets (R²p entre 0,997 e 0,998; RPDp entre 18,92 e 21,84); modelos PLS-DA classificaram o conteúdo de casca em categorias alta, média e baixa com exatidão entre 97,98% e 99,60% (máximo em pellets com primeira derivada). As propriedades físico-mecânicas e energéticas foram preditas com maior confiabilidade partir do espectro do pellet (R²p 0,710–0,974) do que da biomassa solta (R²p 0,513–0,807); a umidade foi a propriedade com maior acurácia na predição, e o poder calorífico superior e a densidade energética com as menores. Na colorimetria, a coordenada b* apresentou a associação mais forte com a densidade energética (r = −0,89; R² = 0,79). Três classes, definidas pela proporção de casca, apresentaram perfis distintos e faixas colorimétricas próprias: L* sem sobreposição entre classes e a* como coordenada mais associada ao conteúdo de casca. A Classe II (40–70% de casca) alcançou a maior densidade energética (13,47–14,32 GJ m⁻³). Uma análise de componentes principais, que integrou essas variáveis, confirmou a separação em três grupos e explicou 86,1% da variância nos três primeiros componentes. Os espectros NIR, combinados aos modelos PLS-DA e PLS-R, ofereceram a maior precisão para quantificar a proporção de casca em misturas e pellets de Pinus spp.; a colorimetria CIELab, com uso de colorímetro portátil, permitiu classificar rapidamente a qualidade energética dos pellets de forma não destrutiva. As duas técnicas são complementares e podem ser incorporadas ao controle de qualidade industrial de pellets de casca e serragem.

Abstract

Blending bark and sawdust from Pinus spp. to produce pellets adds value to forest residues, but it systematically alters the product's density, mechanical strength, and energy content. Conventional quality control methods are destructive and slow, unable to verify bark proportion in real time or to anticipate deviations before commercialization. Near-infrared (NIR) spectroscopy and CIELab colorimetry are non-destructive alternatives, but calibrations for bark–sawdust mixtures across the full gradient are lacking. This dissertation evaluated the potential of both techniques to quantify bark content and to classify the physical, mechanical, and energy quality of pellets produced under eleven treatments (T0–T10, 10% bark increments, 0–100%). Physical-mechanical and energy properties varied among treatments (p < 0.001). The best balance between durability and energy density occurred between 40% and 60% sawdust, but no treatment reached the minimum mechanical durability threshold set by ISO 17225-6 (class B, ≥96%). Through NIR spectroscopy, it was possible to quantify bark content with high accuracy in both the loose biomass (non-densified mixture) and the pellets (R²p between 0.997 and 0.998; RPDp between 18.92 and 21.84); PLS-DA models classified bark content into high, medium, and low categories with accuracies between 97.98% and 99.60% (highest for pellets with first-derivative preprocessing). Physical-mechanical and energy properties were predicted more reliably from the pellet spectrum (R²p 0.710–0.974) than from the loose biomass (R²p 0.513–0.807); moisture content was the property predicted with the highest accuracy, while higher heating value and energy density had the lowest. In colorimetry, the b* coordinate showed the strongest association with energy density (r = −0.89; R² = 0.79). Three classes, defined by bark proportion, showed distinct profiles and their own colorimetric ranges: L* showed no overlap between classes, and a* was the coordinate most closely associated with bark content. Class II (40–70% bark) achieved the highest energy density (13.47–14.32 GJ m⁻³). A principal component analysis integrating these variables confirmed the separation into three groups and explained 86.1% of the variance across the first three components. NIR spectra, combined with PLS-DA and PLS-R models, provided the highest accuracy for quantifying bark proportion in mixtures and pellets of Pinus spp.; CIELab colorimetry, using a portable colorimeter, allowed rapid, non-destructive classification of pellet energy quality. The two techniques are complementary and can be incorporated into the industrial quality control of bark-and-sawdust pellets.

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Ciência e Tecnologia da Madeira

Linha de pesquisa

Ciência e Tecnologia da Madeira

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ESCUDERO, Jhon Harold. Bark quantification and quality classification in Pinus spp. pellets: a non-destructive approach using nir spectroscopy and cielab colorimetry. 2026. 101 p. Dissertação (Mestrado em Ciência e Tecnologia da Madeira) - Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2026.

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