Relatório da Unidade Curricular. Projeto FEUP 2012/2013

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1 Relatório da Unidade Curricular Projeto FEUP 2012/2013 Como se fazem cápsulas de café? Coordenador: Prof. Teresa Margarida Guerra Pereira Duarte Monitor: Marieta de Sousa Rocha 22 de outubro de 2012 MIEM, Equipa 1M6_3: Carlos António de Francisco Machado, João Pedro Marques Pires, João Pedro Ferreira Rodrigues, Maria Castro Paupério Vila Pouca, Mariana Oliveira,

2 Resumo Neste relatório abordou-se temas como o tamanho e os materiais mais utilizados das cápsulas, o principal processo de fabrico, as vantagens deste produto face ao método mais tradicional e, por fim, a reciclagem. Assim sendo, observou-se que os materiais mais utilizados são o plástico, nomeadamente o polipropileno, e o alumínio, pois são materiais que são facilmente recicláveis e que permitem que o café se conserve durante aproximadamente sete meses em condições ótimas, sem perder qualidades gustativas. Existem também três processos de fabrico, moldagem por injeção, termoformação e prensagem. No primeiro processo, as cápsulas são inicialmente desenhadas através de programas informáticos, segue-se o fabrico dos moldes e posteriormente a produção das cápsulas. Depois de serem arrefecidas coloca-se o filtro e o café e estão prontas a serem embaladas e distribuídas. O segundo processo utiliza um método ligeiramente diferente, a termoformação, que molda o alumínio através do aquecimento e da aplicação de pressões. Por fim, o terceiro processo consiste apenas na prensagem do papel. Como já foi referido, os materiais constituintes da cápsula são recicláveis. Assim, separam-se as borras de café, que são utilizadas posteriormente como fertilizantes e recicla-se o plástico e o alumínio separadamente. Por fim, concluiu-se que as cápsulas possuem inúmeras vantagens, apesar de serem mais indicadas para escritórios e casas particulares. i

3 Índice 1. Introdução Cápsulas de café Características Tamanho Materiais Processos de Fabrico Moldagem por injeção Termoformação Prensagem Reciclagem Vantagens e desvantagens Conclusão Referências Bibliográficas... 16

4 1. Introdução As primeiras cápsulas com grãos de café foram desenvolvidas em 1970, no instituto de pesquisas Batelle. A Nestlé interessou-se pelo produto e comprou os direitos, patenteando a descoberta em Desde então que cada vez existem mais empresas a investir no produto e a produção de cápsulas tem aumentado exponencialmente. Atualmente, a empresa Nestlé é a líder na venda de cápsulas de café. Afinal, quem não conhece a expressão what else? de George Clooney? Contudo, mesmo as empresas mais pequenas têm lucros crescentes todos os anos, o que confirma o aumento de consumo deste produto a nível mundial. As vendas do Grupo Delta SGPS, que detém a marca de café Delta, cresceram 6.5% no ano passado face a 2010, para 305 milhões de euros [1]. Assim podemos afirmar que a utilização de cápsulas é uma atividade já vulgarizada pela sociedade. É no âmbito da unidade curricular Projeto FEUP que iremos desenvolver o seguinte trabalho, tendo como objetivo desenvolver as técnicas de pesquisa, de elaboração de relatório e também a capacidade de trabalhar em grupo. Iremos, para tal, tentar responder à questão problema Como se fazem cápsulas de café? abordando as propriedades das mesmas, isto é o tamanho, a espessura, bem como os materiais utilizados. Iremos ainda explicitar o seu processo de fabrico, a reciclagem e, por último, as vantagens e desvantagens. 1

5 2. Cápsulas de café 2.1. Características Uma cápsula de café é uma embalagem que contém café em doses individuais. O principal objetivo deste produto é conservar o sabor original do café, problema que se colocava antes das mesmas serem criadas, já que após a abertura de um pacote de café os seus aromas eram gradualmente perdidos Tamanho Existem cápsulas com diversos tamanhos. Considerando as cápsulas perfeitamente circulares, estas podem ter diâmetros desde 2.25 até 3.35 mm. Também a espessura da mesma pode variar entre os 0.1 até aos 0.4 mm. No geral, quanto maior é a cápsula (ou seja, quanto maior é o diâmetro), mais espessa é e mais café contém, tornando-se assim mais impenetrável. Desta forma, uma cápsula de café pode conservar café até, pelo menos, sete meses, sem quaisquer sinais de degradação [1]. Contudo, não é só o tamanho ou a espessura que influenciam a conserva do produto. O material escolhido para o seu fabrico é também um componente a ter em conta Materiais As cápsulas de café podem ser fabricadas com diversos materiais, sendo os mais utilizados o alumínio e o plástico (mais especificamente o polipropileno). Existem ainda cápsulas de papel. Fig. 1 Esquema de uma cápsula. Adaptado de [2]. Etimologicamente, a palavra polímero quer dizer muitas partes. Um polímero é uma substância constituída por moléculas gigantes, macromoléculas. As 2

6 macromoléculas, por sua vez, são caracterizadas por um conjunto de átomos que se repete n vezes para formar a molécula. Os polímeros obtêm-se a partir de reações químicas (reações de polimerização) entre monómeros (espécies de baixa massa molecular) [6]. O polipropileno (PP) é um polímero, inserido na categoria dos termoplásticos e é muito utilizado na produção de cápsulas de café. Este polímero pode ser obtido através de polimerização do gás propeno. Devido ao seu custo de produção, este polímero é o terceiro termoplástico mais importante do ponto de vista do volume de vendas nos E.U.A, uma vez que pode ser sintetizado a partir de matérias-primas petroquímicas baratas (Smith 1998 [4]). É utilizado em produtos alimentares, material cirúrgico esterilizado, brinquedos, fibras, CD s, persianas, etc. A Tabela 1 ilustra algumas das propriedades deste material que o tornam tão mundialmente utilizado. Fig. 2 - Fórmula Química do polipropileno [3]. Tabela 1 Propriedades do Polipropileno. Adaptado de [9]. Propriedades Resistência química Ácidos concentrados Boa Ácidos diluídos Excelente Agentes oxidantes Regular Resistência a processos Esterilização em autoclave Sim Esterilização c/ gás Sim Esterilização seca a quente Não Esterilização com raios gama Não Esterilização química Sim Outros dados Temperatura máxima de utilização (ºC) 135 Temperatura mínima de utilização (ºC) -25 Flexibilidade Semirrígido Ponto de fusão (ºC) 170 Absorção de água % <0,02 3

7 Analisando a Tabela 1, verificamos que este material é muito resistente a ácidos (quer concentrados quer diluídos). Tendo em conta que o café é um ácido, é vantajosa a utilização de polipropileno nas cápsulas, uma vez que a mesma se manterá intacta mesmo com o café lá dentro. A utilização de outros materiais que pudessem reagir com ácidos, neste caso o café, poderia significar a perda das características originais do produto, ou até mesmo danificar a cápsula. Assim, com a utilização do polipropileno é garantida a conserva do produto, isto é, o café irá manter as suas características originais durante um maior período de tempo. Para além disso, este material é também facilmente esterilizável, devido à grande amplitude térmica que suporta (desde -25ºC até 135ºC). Tratando-se o café de um produto alimentar, é necessário a esterilização do recipiente onde este está contido, neste caso a cápsula, para que haja uma melhor conservação do produto. Como já foi mencionado, o polipropileno sendo um termoplástico pode ser fundido diversas vezes com alguma facilidade. Esta propriedade do material é benéfica não só na reciclagem de cápsulas, mas também na moldagem da cápsula. Fundindo aproximadamente a 170ºC este material é moldado praticamente em qualquer forma. Hoje em dia, podemos distinguir o polipropileno em três tipos: o homopolimero, o copolímero alternado e o copolímero estatístico. Um homopolímero é um polímero com um único monómero, A, sendo a cadeia do tipo: AAAAAA. Um copolímero estatístico é constituído por dois ou mais monómeros, inseridos sempre na mesma ordem, ou seja: ABABABAB. Por último, um copolímero alternado é constituído da mesma forma que o copolímero estatístico, mas a sua cadeia é aleatória, por exemplo: ABCAAACB. Existem ainda outros tipos de copolímeros que não iremos abordar neste relatório devido á sua reduzida relevância no tema [8]. Cada um destes três tipos de polímeros do polipropileno têm diferentes aplicações, as suas principais características estão expostas na Tabela 2. 4

8 Tabela 2 - Características e aplicações dos diferentes tipos polipropileno [8]. Família de Produtos Rigidez Resistência a choques/baixa temperatura Transparência Aplicação Homopolímero Fibras Copolímero Estatístico Copolímero Alternado Embalagens Automóveis O copolímero estatístico de polipropileno obtém-se através da adição de eteno ao propeno. Este produto é mais resistente ao impacto do que o homopolímero, sendo também mais o transparente de todos. Este tipo de polipropileno é o mais utilizado no fabrico de cápsulas de café devido a estas características. Para além deste aditivo, os polímeros em geral, após a sua síntese sofrem a aplicação de diversos aditivos como: estabilizadores, plastificantes, corantes, etc., para facilitar o processamento e melhorar o desempenho dos produtos finais. Esta operação chama-se composição do polímero. (Dantas e Ramalho 2011 [5]). A Tabela 3 ilustra alguns dos principais aditivos que se podem aplicar. Tabela 3 Principais aditivos dos polímeros. Adaptada de [5]. Nome Lubrificante Função Facilitar a moldagem Corante Plasticizador Estabilizador Dá cor ao material Aumenta a flexibilidade Conferir resistência à degradação Os corantes são geralmente compostos orgânicos solúveis na matriz polimérica. Estes atuam por absorção de uma determinada faixa de comprimentos de onda da luz [8]. Os plastificantes alteram a viscosidade do sistema polimérico usado, ou seja, aumentam a mobilidade das macromoléculas melhorando a sua processabilidade, tornando o produto mais flexível. 5

9 A adição de um lubrificante provoca uma redução da viscosidade do polímero, diminuindo assim a aderência do material às paredes do equipamento. Desta forma, a sua moldagem é facilitada. Para além destes aditivos, podemos adicionar também PEAD (polietileno de alta densidade) ou copolímeros que contenham eteno, para maximizar a resistência ao impacto sob baixas temperaturas. Ao juntarmos um antioxidante ao polímero a sua faixa de temperatura de fusão (intervalo de amolecimento entre 165ºC e 177ºC) aumenta, facilitando, assim, a sua moldagem. Desta forma, o polipropileno torna-se um material ideal no fabrico de cápsulas de café, tanto no ponto de vista mecânico como estético. Fig. 4 -Símbolo químico do Alumínio [15] O alumínio é, juntamente com o polipropileno, um dos materiais mais utilizados na construção de cápsulas. De símbolo químico Al (Fig.4), é um metal que se encontra correntemente na natureza, principalmente sob a forma de óxidos e de silicatos [12]. É um metal que possui uma densidade relativamente baixa, cerca de 2,7 g/cm 3, um ponto de fusão de 660,45ºC e um ponto de ebulição de 2520ºC. É geralmente utilizado em aplicações a baixas temperaturas pois a sua resistência aumenta sem perder a ductilidade a temperaturas abaixo de zero. Possui uma refletividade acima de 80% e é impermeável ao oxigénio, o que o torna um elemento de barreira face à luz e à humidade. Estas características são muito importantes no que diz respeito a embalagens alimentares, como as cápsulas de café, pois permitem que o alimento se conserve a boas condições durante um maior período de tempo. Sendo completamente impermeável, não permite a entrada de luz nem a saída de aromas ou sabores e também não contamina os produtos com a libertação de substâncias. Fig. 3 Cápsulas de café. [10] Existem muitas aplicações diferentes na indústria (Fig.5), nomeadamente na construção civil (fachadas de edifícios), na aeronáutica e no setor automóvel 6

10 (carroçarias dos carros), em vários tipos de máquinas e equipamentos, entre outros, contudo, as embalagens são um dos mercados mais proeminentes do alumínio [13] [14]. [16] [17] [18] Fig. 5- Exemplos de aplicações do alumínio. Apesar de todas estas características, muito raramente se utiliza o alumínio no estado puro pois a sua resistência mecânica é relativamente baixa. Como alternativa, criam-se ligas de alumínio, ou seja, combinam-se outros materiais cujas propriedades, aliadas às do alumínio, sejam adequadas para uma aplicação específica [14]. A Figura 6 resume os principais tipos de ligas existentes. Fig. 6 Ligas de alumínio existentes No âmbito deste tema, apenas se vai abordar as ligas de alumínio para trabalho mecânico sem tratamento térmico. Os principais grupos deste tipo de liga são os grupos 1xxx, 3xxx e 5xxx, que estão representados na Tabela 4. 7

11 Tabela 4 - Características das ligas de alumínio para trabalho mecânico sem tratamento térmico. Adaptada de Smith 1998 [4]. Ligas para trabalho mecânico sem tratamento térmico* Composição Química (% pond.) ** Aplicações típicas ,0 Al min; 0,12 Cu Chapa fina para trabalho mecânico, varões ,2 Mn Reservatórios de pressão, equipamento químico, chapa fina para trabalho mecânico ,5 Mn; 0,25 Cr Autocarros, camiões, indústria naval, tubos hidráulicos. * Número da Aluminium Association ** Restante de alumínio É possível verificar então que o tipo de liga utilizado nas cápsulas de café é a 1100 pois a sua aplicação típica é chapa fina para trabalho mecânico (Fig.7). É constituída por 99% de alumínio, sendo o ferro e o silício as principais impurezas, e adiciona-se apenas 0,12% de cobre para aumentar a resistência mecânica. É muito dúctil no estado recozido, indicada para Fig. 7 - Cápsula de café de alumínio [20]. deformações a frio e tem uma excelente resistência à corrosão (Smith 1998 [4]). Existem também certas empresas que fabricam cápsulas de papel (Fig.8). Estas são constituídas por café moído e torrado que está envolvido num invólucro de papel. Este papel é constituído essencialmente por celulose [24]. Fig. 8 Cápsulas de café de papel [21]. 8

12 2.2. Processos de Fabrico As características mais importantes das cápsulas de café são o seu formato e material de que é feito. Tendo em conta esse facto, os diferentes processos de fabrico das cápsulas de café terão como base esses dois importantes detalhes Moldagem por injeção Antes de iniciar a produção das cápsulas é necessário desenhar o seu formato com programas informáticos próprios de forma a configurar todas as suas características, visto que a cápsula tem que ser feita de forma a resistir ao calor e à pressão. Depois disto inicia-se a produção dos moldes, que são feitos de aço, tendo como base o desenho do formato da cápsula realizado pelos programas informáticos. Os moldes têm que ser aperfeiçoados com bastante rigor, visto que a cápsula terá que encaixar na máquina de café. Após isto poderá dar-se início ao processo de produção. Normalmente os moldes possuem uns tubos de plástico onde é injetado plástico quente, para que preencham as ranhuras do molde. (Fig.9) A seguir, as cápsulas e as Fig. 9 Esquema da moldagem por injeção [23] tampas obtidas nos moldes serão levadas para outra divisão onde serão arrefecidas. Posteriormente serão analisadas através de câmaras ligadas a sistemas informáticos, de forma a detetar possíveis imperfeições. As que forem aprovadas pelo sistema serão armazenadas. As cápsulas obtidas vão ser depois recolhidas e introduzidas numa outra máquina, através de tapetes rolantes. A máquina irá colocar um filtro nas cápsulas, seguindo-se depois o despejo do café e a sua pesagem, de forma a garantir que todas as cápsulas tenham o mesmo conteúdo. Após isto, a máquina irá fechar as cápsulas com as tampas, introduzindo o selo com a marca do café. 9

13 Por fim, recolhe um número específico de cápsulas para seguirem à fase do embalamento. Nesta fase a máquina monta as caixas de cartão e introduz automaticamente as cápsulas nas caixas. Após isto, a máquina junta um determinado número de caixas, de forma as juntar numa embalagem maior. E finalmente será colocado um autocolante na embalagem, com o lote, o dia de produção e a validade do produto [22] Termoformação: Como uma alternativa ao processo de fabrico de cápsulas utilizado pela Delta Cafés existe o processo de termoformação, realizado pela máquina ATF-23CC (Fig.10). Esta máquina foi desenhada especificamente para produzir cápsulas de café por um processo de termoformação. Este consiste na moldagem de um certo material, neste caso alumínio, através de aquecimento e da utilização de pressões tanto positivas como negativas (ex., vácuo). As cápsulas produzidas por esta máquina podem ter apenas um diâmetro de corte de 48 mm e um diâmetro interno de 40 mm. Tudo o que esteja acima destes valores é considerado Fig Fotografia da máquina ATF-23CC [19]. feito à mão, embora propriedades como a cor das cápsulas, a forma e até mesmo volumes podem ser adaptadas conforme a preferência da empresa que a utiliza. Segue-se uma breve descrição do modo de operação desta máquina e os diferentes processos necessários para a formação de uma cápsula de café. As variáveis do processo são acessíveis e podem ser controlados por interface "touch screen". Após um minuto da ocorrência deste processo são fabricadas perto de 50 cápsulas de café completamente acabadas [19]. 10

14 Modo de operação da máquina ATF-23CC: 1. Rolo de película de polipropileno com uma espessura de cerca de 700 micros (0,7 mm); 2. Aquecimento módulo 1 - aquecimento do material a 120 C; 3. Aquecimento módulo 2 - reaquecimento do material a 240 C; 4. Molde de extrusão - 6 cápsulas são feitas pela formação por vácuo ; 5. Enchimento das capsulas - o produto é preenchido por 3 plataformas de enchimento trabalhando com motor de passo programável. Volume da dose pode ser definido a partir do painel de controlo; 6. Rolo de duplo ou triplo com uma camada de alumínio; 7. Selagem - executa uma selagem térmica e de pressão da camada superior; 8. Perfuração processo mecânico utilizado para cortar as cápsulas; 9 Processo durante o qual se embala o material desperdiçado [19]. Fig Disposição das diferentes estações da máquina ATF-23CC [19] Prensagem O processo de fabrico deste produto passa apenas pela preparação do café, que é colocado entre duas folhas de papel. As folhas são posteriormente prensadas e formarão o produto final, que se assemelha bastante a uma saqueta de chá. [24] 11

15 2.3. Reciclagem Todos os dias são consumidos milhões de cafés por todo o planeta. As cápsulas, como qualquer outro produto, perdem a sua utilidade após usadas e, para um individuo indevidamente informado, é-lhe desconhecido outro fim para as capsulas que não seja o lixo Visto numa escala mundial, seriam desperdiçadas quantidades enormes de material proveniente destas cápsulas, contribuindo para um aumento significativo da poluição. No entanto, o ser humano mantém uma preocupação com a natureza e o meio ambiente, portanto, está constantemente a desenvolver novas e melhores técnicas de reciclagem. Atualmente, os métodos de reciclagem de cápsulas de café são bastante simples e efetivos, acessíveis à maioria da população, Fig Reciclagem das cápsulas [25]. havendo já milhares de pontos de reciclagem espalhados por todo país. A reciclagem é também tida em conta pelos fabricantes de café, que optam cada vez mais, por materiais recicláveis na confeção das cápsulas. Durante o processo de reciclagem, as borras de café são extraídas das cápsulas e seguem para o seu processo de reutilização onde irão ser convertidas em compostos químicos, que podem ser usados como fertilizantes agrícolas. Quanto às cápsulas, o processo depende do material com que foram produzidas. No caso do alumínio, este é extraído dos restantes materiais, procedendo-se posteriormente à sua reciclagem, que consiste na compactação do material (para impedir brechas de oxigénio, que oxida o metal) e posteriormente ao aquecimento do mesmo até este passar ao estado liquido (ponto de fusão de aproximadamente 660º C). Depois o alumínio é solidificado com a forma de lingotes que são processados na forma desejada para o seu efeito. Este material pode ser reciclado infinitas vezes, mantendo sempre as suas características e qualidades básicas. Assim sendo, as cápsulas de café feitas a 12

16 partir deste metal são as favoritas para reciclagem e têm portanto visto a sua popularidade aumentar perante os fabricantes [25] [39]. No caso dos plásticos, nem todos os polímeros podem ser reciclados, dependendo do tipo. O polipropileno, neste caso, é reciclável. Seleção Trituração Lavagem Secagem Granulação Extrusão Aglutinação Fig. 13 Esquema do processo de reciclagem de plásticos. A primeira parte deste processo de reciclagem consiste na separação dos diferentes tipos de plásticos. Segue-se a trituração do material, lavagem em grandes tanques com água e a secagem em centrífugas. Posteriormente, o aglutinador aquece o plástico, transformando-o numa espécie de farinha. Seguidamente, aplica-se água para provocar um choque térmico que resulta na aglutinação, isto é, as moléculas dos polímeros contraem-se (aumenta a sua densidade), transformando-se em grãos. Já aglutinado o plástico é levado para a extrusora que homogeneiza o material através do seu aquecimento. Depois desta fase, o plástico tem a forma de esparguete. Por fim é granulado, isto é, depois de arrefecido em tanques com água, os fios de plástico são picotados e estão prontos para serem vendidos [40]. Relativamente às cápsulas de papel, estas podem ser decompostas em adubo, satisfazendo deste modo as preocupações ambientais [24]. As cápsulas de café também podem ser reutilizadas em casa (dependendo da marca de café adquirida), o que é um método muito simples e que permite uma poupança significativa de dinheiro. 13

17 2.4. Vantagens e Desvantagens As cápsulas de café foram uma inovação que causou algum impacto na sociedade, trazendo inúmeras vantagens para os consumidores regulares deste produto. No processo de fabrico o café passou a ser hermeticamente fechado no interior da cápsula. o que faz com que a sua preservação seja muito mais duradoura, impedindo o café de perder qualidades gustativas. As máquinas de café que utilizam este processo são de fácil utilização e são muito mais indicadas para locais como escritórios e casas particulares devido ao seu tamanho e estética. Atualmente, existe uma grande oferta deste tipo de máquinas, não só a nível de marcas como também de design, já que existem em todas cores e feitios (Fig.9). Por outro lado, o preço pode ser um inconveniente. Apesar de serem mais económicas do que o preço médio de um café comercializado em diversos locais, acabam por se tornar um pouco dispendiosas se comparadas com custo de um saco de café de maiores dimensões. Para além disso, é mais difícil controlar a intensidade do café e variar a sua qualidade devido à existência de encaixes particulares para cada marca [42] [43]. Fig Variedade das máquinas de café que funcionam com cápsulas [41]. 14

18 3. Conclusão Num mundo onde o café tem tamanha popularidade, é de entender o rigor imposto no fabrico das cápsulas. Desde a escolha dos materiais mais indicados para a preservação do sabor e qualidades do café, até à obtenção do formato ideal e métodos de distribuição. É uma disputa entre empresas para ver qual consegue criar o processo mais inovador e eficaz, tendo sempre em conta a qualidade do produto final. No plano de vista do comprador, esta novidade na maneira de obter café acarreta uma série de vantagens, tanto para consumidores casuais como diários, que podem cada vez mais desfrutar do sabor e aptidão únicos desta bebida, tanto em casa como no escritório. No entanto, o preço pode ser um inconveniente. Nunca esquecendo o bem-estar do planeta, a reciclagem é também uma importância constante dos fabricantes de cápsulas, que adequam cada vez mais o seu processo de fabrico e materiais usados de forma a poluir o menos possível. Em suma, é um ganho para as empresas fabricantes, para os consumidores e para o meio ambiente. 15

19 4. Referências Bibliográficas [1] [2] [3] [4] Smith, William F., Princípios de Ciência e Engenharia dos Materiais. Alfragide: McGRAW-HILL de Portugal, Lda. [5] Dantas, Maria da C. e Ramalho, Marta D., Jogo de Partículas. Texto Editores [6] [7] [8] uivos/conhecimento/bnset/polipr2a.pdf [9] [10] [11] [12] Nova Enciclopédia Larousse vol.2, Círculo de Leitores, Lda. [13] [14]ftp://ftp.demec.ufpr.br/disciplinas/EngMec_NOTURNO/TM343/09_1fundament os-alum%ednio.pdf [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] 16

20 [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] Gusto/Sustentabilidade/Consumo/Pages/Reciclagem.aspx [32] fera [33] =61 [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] chines.html [31] [42] [43] 17