Utilização de resíduo da torra de café em aplicação de impressão 3D
Use of coffee roasting waste in 3D printing applications
Palavras-chave:
No beneficiamento do café, os subprodutos representam cerca de 50%. O objetivo do presente trabalho foi utilizar o resíduo “Coffee Silver Skin” [CSS], oriundo da torra do grão de café, como aditivo de fonte renovável na fabricação de filamentos do biopolímero Poliácido Láctico [PLA] usado em impressão 3D “Fused Deposition Modeling“[FDM], bem como aplicar este filamento para impressão de peças decorativas. O resíduo passou por moagem e peneiramento, sendo determinado umidade, atividade de água e pH. Após, foi incorporado em um polímero de fonte biológica e biodegradável termoplástico, o PLA, contendo os percentuais mássicos de 10% e 20% de concentrado CSS/PLA e extrusora monorosca para obtenção de monofilamentos de 1,75 mm de diâmetro utilizados em impressoras 3D FDM. A redução da granulometria do resíduo para a obtenção de apenas partículas de diâmetro menor que 0,5 mm se mostrou fundamental para a fabricação e processamento dos filamentos, pois partículas grandes, além de ocasionar pontos de ruptura no filamento, causam obstrução do bico de impressão da impressora FDM. O teste contendo 20% de concentrado CSS no PLA foi descartado devido à dificuldade de estabilizar o diâmetro do filamento em 1,75 mm ± 0,1 mm e à tendência do filamento em se romper durante a extrusão.
RESUMO GRÁFICO
Coffee Silver Skin, Poliácido Láctico, filamento.
RESUMO
APLICABILIDADE
O Coffee Silver Skin, também conhecido como película prateada, é um subproduto da torra do grão de café pouco explorado. Potencial aditivo de fonte renovável para produção de filamentos destinados a tecnologia de impressão 3D, o CSS também pode ser aplicado na fabricação de peças decorativas, trazendo uma coloração diferenciada que dispensa adição de pigmentos, aumentando o apelo sustentável e a responsabilidade socioambiental.
[1] Introdução
Oagronegócio representa uma parte substancial do PIB brasileiro. De acordo com estudo publicado pelo Centro de Estudos Avançados em Economia Aplicada - CEPEA Esalq/USP, em parceria com a CNA - Confederação da Agricultura e Pecuária do Brasil, o PIB – Produto Interno Bruto brasileiro caiu 2,07% no quarto trimestre de 2023. Sendo assim, o PIB do agronegócio finalizou o ano com queda de 2,99%. Pesquisadores do CEPEA/CNA salientam que, até o segundo trimestre, o agronegócio vinha se recuperando da queda analisada em 2022. Em contrapartida, as baixas consecutivas nos dois últimos trimestres reverteram a tendência positiva. Apesar disso, levando em conta o desempenho econômico do Brasil em sua totalidade, o PIB do agronegócio correspondeu por 23,8% do PIB do País (CEPEA, 2023).
Um aspecto que muitas vezes passa despercebido é que o agronegócio gera uma quantidade extremamente grande de resíduos sólidos oriundos do processamento dos produtos agroindustriais e que muitas vezes acabam sendo descartados de forma incorreta no meio ambiente. Reduzir o chamado FLW (Food Lost and Waste), limitar o consumo de energia e os impactos ambientais e sociais são essenciais para um mundo mais sustentável. As perdas são na maioria das vezes abundantes, espacialmente concentradas e geralmente menos deterioradas do que os desperdícios (Zaro, 2018; Santos et al., 2020).
Essas biomassas de baixo custo e subutilizadas, geradas a partir de operações e consumo agroindustrial, são muitas vezes descartadas como resíduo orgânico ou enviadas para aterros sanitários. Transformar resíduos em recursos é um dos vetores da economia circular. Quando esses resíduos são advindos da biomassa, caracteriza-se a bioeconomia circular (Otoni et al., 2021). O aproveitamento dos resíduos agroindustriais reduz o consumo de recursos naturais, cria empregos e estimula o desenvolvimento de novas tecnologias e produtos.
Uma das indústrias que percentualmente mais geram resíduos é a do café. No beneficiamento do café, os subprodutos representam cerca de 50% da massa de seu fruto úmido. A polpa representa um dos sub-
produtos mais abundantes obtidos, seguido da casca, a quantidade de polpa e casca de café produzida para uma única tonelada de café fresco é de 0,5 e 0,18 toneladas respectivamente. Somente no Brasil, maior produtor mundial, são geradas aproximadamente 600 mil toneladas por ano de casca de café, 400 mil toneladas do pergaminho e 50 mil toneladas de “Coffee Silver Skin” (CSS) (FAOSTAT, 2023; Janissen & Huynh, 2018).
O CSS, também conhecido como película prateada, é o resíduo oriundo da torra final dos grãos de café. É constituído pelo tegumento do grão de café, e por isso tem uma massa muito baixa, compreendendo 4,2% do grão de café verde, altamente rico em fibra alimentar solúvel (54% da fibra alimentar total) e possui compostos com capacidade antioxidante, particularmente compostos fenólicos (Cruz, 2014; Oliveira et al., 2021).
Na Figura 1 pode ser vista a estrutura do grão de café e a localização do CSS, identificada como película prateada, a qual já foi abordada em trabalhos anteriores na utilização em polímeros termoplásticos. A utilização de CSS em polímeros termoplásticos já foi tema de trabalhos anteriores. Sarasini et al. (2018) investigaram a viabilidade de uso do CSS como agente reforçador em compósitos a base de biopolímeros. Já Dominici et al. (2019) e Hejna et al. (2021) investigaram o uso de CSS como agente de reforço em bio-polietileno, utilizando diferentes tratamentos superficiais no CSS para aumentar sua compatibilidade com a matriz polimérica.
A indústria do plástico constantemente busca inovações para disponibilizar ao mercado produtos sustentáveis, ecologicamente corretos e recicláveis. Um bom exemplo são os biocompósitos produzidos a partir de recursos de fontes renováveis. Além da versatilidade, destaca-se a economia de energia para produção e geração menor de gases de efeito estufa. As propriedades dos biocompósitos são influenciadas pelas propriedades dos materiais das fases constituintes, pela distribuição e interação entre o reforço e a matriz.
A utilização de FLW a granel (sem etapas de isolamento / extração e geralmente na forma de pós micronizados) é econômica e oferece vantagens ambientais. Os rendimentos são maiores, sendo assim, nada é extraído e menos resíduos são gerados. Além disso, nenhum tratamento químico está envolvido, e o uso de agentes agressivos é evitado (ou pelo menos minimizado), implicando em menor tempo de processamento,
Fig. 1. A) Morfologia do grão de café; B) Subprodutos de seu processamento.
FIGURA 1
A) Morfologia do grão de café; B) Subprodutos de seu processamento.
Fonte: A) Emater, 2016; B) Adaptado de Iriondo-DeHond et al., 2017.
redução de custos e menor impacto ambiental. Alguns pós FLW podem ser usados para preparação de materiais por processamento simples envolvendo apenas etapas físicas, aquecimento e técnicas de separação. Bioplásticos/biocompósitos derivados de plantas e outros materiais renováveis agrícolas, florestais e marinhos já começam a se posicionar no mercado. Seguindo as informações da Revista Amanhã, ERT, uma startup na Clemsom University - Carolina do Sul/EUA, iniciou uma pesquisa com a Universidade Federal do Paraná (UFPR) focada no desenvolvimento de biopolímeros fabricados a partir do bagaço da cana-de-açúcar (Revista Amanhã, 2021). A Polifibras, situada no Rio Grande do Sul, desenvolve compósitos para a formulação e fabricação de peças injetadas ou extrusadas com fibras naturais. Os produtos Evo, do Paraná, ao invés de serem totalmente fabricados em plástico, levam em sua composição madeira de reflorestamento e o Polietileno Verde I´m Green (Evo Design Responsável, 2024). A Bloom, do Mississippi/EUA, lançou o primeiro EVA misturado com algas do mundo para a indústria de calçados como um ingrediente sustentável em espumas flexíveis para aplicações de alto rebote, como sapatos, produtos esportivos e acessórios (Bloom Sustainable Materials, 2024).
Desta forma, o objetivo do presente estudo é utilizar o resíduo da pele prateada de café - CSS, uma matéria-prima oriunda da torra dos grãos de café, como
aditivo de fonte renovável na fabricação de filamentos do biopolímero Poliácido Láctico (PLA) utilizados em impressão 3D, bem como utilizar este filamento para impressão de peças decorativas.
[2] Metodologia
O processo de obtenção das peças impressas com o filamento contendo resíduo de CSS foi dividido em quatro etapas, conforme pode ser visto na Figura 2. Cada etapa executada sequencialmente, onde o início da próxima etapa dependia da finalização bem-sucedida da precedente.
O resíduo de CSS foi obtido de uma torrefadora de café do município de Porto Alegre, Rio Grande do Sul, a partir de grãos da variedade Coffee arábica. É apresentado na forma de escamas muito finas com tamanho que varia de 2 mm a 5 mm, de coloração castanha escura e odor característico de café.
O CSS foi inicialmente peneirado em peneira Mesh 10 (abertura de 2 mm) com o objetivo de eliminar impurezas e materiais estranhos, constituídos principalmente por grãos de café torrados. Após esta etapa o CSS foi moído em um processador de lâminas rotativas marca Nutri Bullet de 900W de potência, durante 60 segundos a temperatura ambiente. O pó obtido foi peneirado
FONTE: Emater, 2016; B) Adaptado de Iriondo-DeHond et al., 2017.
Fig. 2: Fluxograma para obtenção das peças impressas com filamento contendo resíduo de
FIGURA 2
Fluxograma para obtenção das peças impressas com filamento contendo resíduo de CSS.
CSS.
Fonte: Elaborado pelos autores.
utilizando uma peneira de metal Mesh 35 (abertura de 0,5 mm) para garantir que apenas partículas menores que este diâmetro fossem utilizadas na sequência de processamento. Foram realizadas análises laboratoriais de umidade, atividade de água e pH segundo método descrito por AOAC 1995.
A segunda etapa envolveu a obtenção do concentrado (masterbatch) do CSS passante em Mesh 35 em um polímero utilizado para fabricação de filamentos. Esta etapa se faz necessária pois a dispersão direta do CSS na etapa de extrusão do filamento não se mostra viável devido ao baixo poder de homogeneização e dispersão deste equipamento. O polímero escolhido foi o “Poliácido Láctico” (PLA), por se tratar de um polímero de fonte biológica muito utilizado na fabricação de filamentos e apresentar facilidade de impressão. O PLA utilizado foi o grade Ingeo 3D850 fabricado pela empresa NatureWorks LLC, o mesmo que será utilizado na fabricação do filamento. Para a obtenção do concentrado, primeiramente foi utilizado um misturador termocinético de câmara fechada tipo “Drais” com capacidade de 100 cm³ marca MH modelo MH-100. O CSS e o PLA, na proporção mássica de 50% m/m, foram pesados, misturados e carregados na câmara de mistura. A temperatura de trabalho utilizada foi de 230°C e o tempo de dispersão de 60 segundos. Após
FONTE: Elaborado pelos autores. 2
retirada da câmara de mistura, a massa plastificada foi resfriada e moída em um moinho de facas rotativas marca Mecanofar modelo MF300 dotado de peneira com furos de 5 mm de diâmetro. O concentrado CSS assim moído foi coletado e acondicionado em embalagem plástica adequada com barreira contra umidade.
Na terceira etapa foi produzido o filamento para impressora tipo “Fused Deposition Modeling“(FDM), a partir de uma mistura de 10% de concentrado CSS e 90% de PLA Ingeo 3D850 (proporção m/m). Esta mistura foi extrusada em uma extrusora monorosca marca LGMT de 35 mm de diâmetro dotada de uma matriz de furo único de 1,75 mm de diâmetro. O filamento passou por um resfriamento em água antes de ser bobinado em carretéis de 1 Kg. Os carretéis foram acondicionados em embalagem plástica seladas a vácuo para posterior utilização.
Por fim, na quarta etapa, o filamento obtido foi utilizado em uma impressora tipo FDM marca Creality Ender 3 V2. Foram impressas peças teste para avaliação da aptidão do filamento à impressão e definição dos parâmetros de regulagem e impressão de peças decorativas para avaliação das possibilidades de utilização prática do filamento. Os arquivos STL foram fatiados no software Cura utilizando os parâmetros de impressão descritos na Tabela 1
TABELA 1
Tabela 1. Parâmetros de impressão utilizados na impressão das peças.
Parâmetros de impressão utilizados na impressão das peças.
Parâmetro Valor
Altura de Camada
Diâmetro de bico
Largura de linha
0,4 mm
0,8 mm
0,8 mm
Número de paredes 4
Percentual de preenchimento 100%
Padrão de preenchimento
Linhas [45° /45°]
Temperatura de bico 210°C
Temperatura de Mesa 55°C
Velocidade de impressão 50 mm s-1
FONTE: Elaborado pelos autores
Fonte: Elaborado pelos autores.
[3] Resultados e discussão
O resíduo de CSS, antes e após o processamento e o material retido na peneira Mesh 10, podem ser vistos na Figura 3. O CSS se apresenta inicialmente em forma de pequenas escamas, uma superfície rugosa e com baixa densidade. Não sendo possível a identificação de áreas queimadas ou danificadas pelo processo de torra. O rendimento foi de 98% devido a presença de grãos de
café inteiros. A redução da granulometria se mostrou fundamental para a fabricação dos filamentos, pois partículas grandes, além de ocasionar pontos de ruptura no filamento, causam obstrução do bico de impressão da impressora FDM.
De acordo com as análises feitas em laboratório, na Tabela 2, o pH ácido, a baixa umidade e a atividade de água determinados corroboram os resultados da literatura. Neves, 2016, por exemplo, encontrou resultados mais altos que variaram de 14,4% a 17% de umidade. O baixo percentual de umidade é um aspecto de extrema importância, pois elimina uma etapa de secagem intensiva em consumo energético, que normalmente é necessária para viabilizar o uso de resíduos agroindustriais em materiais termoplásticos.
A preparação do concentrado CSS resultou em um concentrado de aspecto castanho e com cheiro que lembra o café. A distribuição granulométrica do material ficou abaixo dos 5 mm de diâmetro, o que facilita a posterior incorporação ao polímero final. Para a etapa de produção do filamento foram testadas duas formulações
FIGURA 3
Tabela 2. Resultados das análises químicas.
TABELA 2
Resultados das análises químicas.
Item analisado Resultado
Umidade 6,34% ±0,25
Atividade de água 0,5835 ±0,07 pH 5,15 ±0,05
FONTE: Elaborado pelos autores
Fonte: Elaborado pelos autores.
A) resíduo CSS como recebido e após processamento; B) material retido em peneira Mesh 10.
FONTE: Elaborado pelos autores.
contendo o polímero PLA e o concentrado CSS. Estas formulações se diferenciam apenas pelo percentual de concentrado CSS adicionado, que foram nos percentuais mássicos de 10% e 20% de concentrado CSS no PLA. O percentual de 20% foi descartado devido à dificuldade de estabilizar o diâmetro do filamento em 1,75 mm ± 0,1 mm e à tendência do filamento se romper durante a extrusão. A causa provável deste comportamento se deve
à concentração excessiva de partículas de CSS dispersas no PLA. O mesmo comportamento não foi observado na extrusão da amostra contendo 10% de CSS e este percentual foi escolhido para produção do filamento. Na Figura 4 pode-se ver os grãos de concentrado CSS e o filamento produzido.
Para a etapa seguinte de utilização do filamento e impressão de peças de teste primeiramente definiu-se
Fig. 4. A) Concentrado CSS; B) Filamento produzido contendo 10% de concentrado CSS em
PLA.
FIGURA 4
A) Concentrado CSS; B) Filamento produzido contendo 10% de concentrado CSS em PLA.
FONTE: Elaborado pelos autores.
Fonte: Elaborado pelos autores.
FIGURA 5
Fig. 5. A) Anéis de guardanapo; B) Suportes para ovos; C) Bandeja; D) Cortadores de 35 biscoito; E) Vaso; F) Vaso; G) Vaso; H) Apoio para celular.
A) Anéis de guardanapo; B) Suportes para ovos; C) Bandeja; D) Cortadores de biscoito; E) Vaso; F) Vaso; G) Vaso; H) Apoio para celular.
FONTE: Elaborado pelos autores.
o diâmetro do bico a ser utilizado na impressora. Normalmente bicos de 0,4 mm de diâmetro são utilizados, porém quando utilizados com o filamento contendo CSS ocorreu entupimento do bico com grande frequência. Isto se deve ao fato das partículas de CSS terem um diâmetro máximo de 0,5 mm, superior, portanto, ao diâmetro do bico. Como a partícula do CSS é rígida e não se deforma, ocasiona a obstrução do bico.
Bico de 0,6 mm de diâmetro foi testado, eliminando quase que completamente o problema de entupimento. Porém foram observadas falhas em alguns pontos das peças impressas, cuja causa foi atribuída a uma pequena espessura de polímero em volta da partícula de CSS. Considerando um tamanho de partícula CSS de 0,5 mm e um bico de 0,6 mm, sobram apenas 0,1 mm de espessura para o PLA encapsular a partícula. O bico que se mostrou ideal para impressão do filamento contendo CSS foi de 0,8 mm de diâmetro. Com este diâmetro não ocorreu obstrução do bico e o aspecto das peças impressas ficaram perfeitas. A altura da camada foi definida como 50% do diâmetro do bico, ou seja, de 0,4 mm.
Não foi objetivo deste trabalho avaliar as propriedades mecânicas das peças impressas, mas sim os aspectos relacionados ao processamento do CSS, obtenção do filamento, a definição dos parâmetros adequados de impressão e avaliação estética das peças obtidas. Neste aspecto os parâmetros utilizados na impressão do filamento contendo CSS (Tabela 1) são similares aos utilizados em filamentos de PLA convencionais. Não foram necessárias alterações de temperatura ou velocidade de impressão. Isto demonstra que a inclusão do CSS no filamento não alterou as características de processamento do PLA. Com relação aos modelos impressos, a escolha se concentrou em vasos e adornos decorativos onde frequentemente são utilizados filamento do PLA para sua confecção.
A impressão do filamento de PLA contendo CSS se mostrou estável e repetitiva, não tendo ocorrido perdas de peça por entupimento do bico ou falha de adesão entre camadas. A adesão entre camadas, uma característica fundamental de um filamento e que influencia na integridade e resistência da peça impressa, apresentando total adequação para a aplicação desejada. As peças se mostraram perfeitamente coesas e puderam ser utilizadas na prática como vaso ou peça decorativa.
A Figura 5 apresenta algumas das peças impressas com o filamento de PLA contendo o resíduo de CSS. Ao total foram testados 16 modelos de peças.
[4] Considerações finais
O aproveitamento de resíduos agroindustriais em compostos plásticos é uma tendência na área de materiais, visto que agrega valor ao que muitas vezes é tratado como lixo. Este trabalho mostrou ser possível
o aproveitamento do CSS na fabricação de filamentos e impressão de peças pelo processo FDM, sem perda de desempenho e utilizando parâmetros de impressão similares a um filamento PLA convencional. Além disto, o uso de filamentos contendo CSS confere diferenciais às peças impressas, tais como uma coloração castanha que dispensa a adição de pigmentos, aspecto diferenciado no acabamento e uma atratividade comercial principalmente em segmentos que valorizem e estão focados em aumentar o apelo sustentável e o compromisso socioambiental de seus negócios/produtos. Em um próximo estudo pretende-se imprimir corpos de prova para ensaios de tração e flexão para avaliação mecânica do filamento contendo CSS.
REFERÊNCIAS
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