Monitoramento da produção de açúcar empregando espectrômetro NIR portátil

Abstract

O uso da espectroscopia no infravermelho próximo (NIRS) para identificar e quantificar diferentes tipos de analitos apresenta vantagens em comparação às metodologias convencionais: é uma técnica rápida, não destrutiva e não invasiva. Por essa razão, vem sendo amplamente empregada no setor industrial, pois permite agilidade na tomada de decisões diante de urgências na cadeia produtiva. No setor sucroalcooleiro em particular, destacam-se a determinação do teor de sólidos solúveis (brix) e sacarose aparente (pol), parâmetros importantes no monitoramento da produção de açúcar. Lidar com amostras reais em uma indústria pode ser desafiador, uma vez que efeitos inerentes ao processo estão comumente presentes nos dados, como os acarretados por variações no tipo de amostra, concentração de analitos, viscosidade, entre outros, que podem afetar a qualidade dos espectros e dificultar o tratamento de dados. Diferentes técnicas de calibração multivariada podem ser empregadas para lidar com estes efeitos, geralmente associados a desvios da linearidade. Nesse contexto, o presente trabalho direcionou-se a avaliar o desempenho de um espectrômetro NIR portátil e comparar as técnicas de regressão por mínimos quadrados parciais (Partial Least Squares - PLS) e máquinas de vetores de suporte (Support Vector Machines - SVM) na construção de modelos para quantificação de brix e pol de diversos substratos da fabricação de açúcar de uma usina situada no estado de Pernambuco, visando maior eficiência no controle do processo, rapidez na obtenção de resultados e controle de perdas. Para isso, medidas de transmitância e reflectância difusa, assim como as análises de referência, foram realizadas nas amostras provenientes dos processos derecepção de matéria-prima, extração e tratamento do caldo, evaporação, cristalização e cozimento, centrifugação e refinamento de açúcar VHP (Very High Polarization). As amostras foram coletadas em 2 safras (2019/2020 e 2020/2021), totalizando 1507, e ainda submetidas à análise pelo método de referência para brix, e 769 dessas, quantificadas também para pol. Através da análise espectral e comparação entre os modelos, foi constatada a presença de efeitos não-lineares, sobretudo nas amostras medidas por reflectância difusa, por serem mais concentradas e apresentarem maior variabilidade de tipo de amostra. Dentre os modelos obtidos, aqueles construídos com SVM demonstraram maior capacidade em lidar com não-linearidades, e menores valores de RMSEP (Root Mean Square Error of Prediction) foram observados: 0,59 e 0,69% (m/m) para brix e pol por transmitância, e 1,44 e 2,44% (m/m) para brix e pol por reflectância difusa, respectivamente. O emprego de espectrômetros portáteis e calibração multivariada no setor sucroalcooleiro mostra uma melhor relação custo/benefício comparado aos espectrômetros de bancada, que são em geral mais caros, indicando a viabilidade de se utilizar a estratégia de modelagem sugerida para o monitoramento dos parâmetros de qualidade do processo.