A Tetra Pak usa o Simcenter para passar por sua transformação digital, liderando o caminho em embalagens de alimentos, disponibilidade e segurança.
Liderando com embalagens seguras e sustentáveis
A cadeia alimentar global está no centro das atenções, e a mudança nas preferências dos consumidores, incluindo clientes mais conscientes sobre a saúde, a instabilidade regional e as mudanças climáticas tornam os recursos agrícolas primários incertos. Tendências como fornecimento, processamento e embalagens sustentáveis, consumo local, orgânico e da estação, além de alimentos veganos e inovadores, são fatores decisivos por trás das escolhas dos consumidores.
O desperdício de alimentos é outro desafio, com a Organização das Nações Unidas (ONU) estimando que 17% de toda a produção global de alimentos seja desperdiçada. Uma abordagem mais circular e sustentável poderia ajudar a alimentar todo o planeta até 2050.
A Tetra Pak, empresa líder mundial em soluções de processamento e embalagem de alimentos com mais de 70 anos de experiência, continua inovando suas revolucionárias embalagens cartonadas à base de papel para alimentos e bebidas, desenvolvidas originalmente na década de 1950. Essa opção popular de embalagem garante a segurança alimentar por meio da embalagem asséptica, o que significa que ela pode esterilizar o alimento em um fluxo e o material de embalagem em outro. O processamento final reúne o produto alimentício e o material de embalagem em um ambiente estéril, a máquina de enchimento, resultando em uma opção de embalagem reciclável e fácil de usar.
Com o processamento e a embalagem assépticos, tudo na cadeia de produção é comercialmente estéril, incluindo alimentos, materiais de embalagem e equipamentos, bem como o próprio ambiente de embalagem. Isso ajuda a manter os alimentos líquidos perecíveis seguros e saborosos por até um ano, sem a necessidade de refrigeração ou conservantes, mantendo a cor, a textura, o sabor e o valor nutricional.
Existem inúmeras vantagens, incluindo prazos de validade mais longos e seguros e, portanto, menos desperdício de alimentos, além de planos de produção aprimorados e uso otimizado de matéria-prima. A embalagem asséptica é extremamente eficiente em termos de distribuição. Os fabricantes podem alcançar consumidores em locais remotos e fornecer alimentos seguros e nutritivos. No lado da reciclagem, as embalagens cartonadas assépticas para bebidas podem ser recicladas onde quer que haja infraestrutura de coleta, triagem e reciclagem, tornando-as uma escolha popular para embalagens de leite e suco, especialmente na Europa.
“Os consumidores procuram menos embalagens plásticas e ingredientes e produtos provenientes de fontes sustentáveis”, diz Ulf Lindblad, Especialista em Tecnologia do departamento de Equipamentos de Embalagem e Automação D&T da Tetra Pak. “Eles também estão usando seu poder de compra para apoiar produtos e marcas que garantem que os recursos em toda a produção de alimentos sejam reduzidos, recuperados e otimizados por meio de tecnologias inovadoras e avançadas e processos eficientes. Essas são mudanças e desafios de mercado claros que estamos levando muito a sério.”
Produzindo mais de 179 bilhões de embalagens anualmente
Em 2023, a Tetra Pak produziu mais de 179 bilhões de embalagens. Isso se traduz aproximadamente em cerca de 22 embalagens Tetra Pak para cada pessoa no planeta anualmente. Para alcançar isso, há uma quantidade colossal de máquinas de enchimento (8.426), unidades de processamento (108.396) e equipamentos downstream (21.789) em operação em todo o mundo. Isso coloca uma enorme pressão sobre as equipes de desenvolvimento e tecnologia (D&T) da empresa, gerentes de produção e engenheiros especializados que mantém tudo funcionando de forma rápida, segura e sustentável.
Para aliviar os custos e a complexidade que vêm com essa escala de produção, a Tetra Pak contratou a Siemens Digital Industries Software e aproveitou o software Simcenter™, que faz parte da plataforma de negócios Siemens Xcelerator.
Acompanhando o ritmo de 10 embalagens por segundo
A máquina de embalagem mais rápida da Tetra Pak, a Tetra Pak E3/Speed Hyper, pode produzir 10 embalagens por segundo. O embalamento preciso e seguro nessas velocidades hiper-rápidas de processamento é um grande desafio de engenharia devido à velocidade, volume, rígidas regulamentações de segurança alimentar, exigências de redução de resíduos e ao compromisso da empresa em usar a inovação para reduzir as emissões de carbono em cada etapa.
“Graças às nossas ferramentas multifísicas do Simcenter, podemos obter insights antecipados sobre nossos processos de P&D e produção, levando a produtos e processos de fabricação de alto desempenho.”
— Ulf Lindblad, Especialista em Tecnologia no departamento de Equipamentos de Embalagem e Automação D&T da Tetra Pak.
“O processamento e a embalagem de produtos alimentícios líquidos cobrem várias disciplinas de engenharia, incluindo fluidos difíceis de modelar e elementos térmicos e eletromecânicos”, diz Lindblad. “E os modelos de simulação que desenvolvemos na Tetra Pak geralmente combinam múltiplos modelos físicos simultaneamente em várias escalas no tempo e no espaço.”
“Ao combinar nossas ferramentas avançadas de simulação Simcenter com a experiência de nossos engenheiros, podemos transformar essa complexidade em uma vantagem competitiva. Estamos focados em eliminar o desperdício em todas as frentes, aumentando a eficiência da produção, reduzindo o consumo de energia e água e fortalecendo a otimização de produtos e materiais.”
“Mais importante ainda, obtemos uma compreensão fundamental de toda a cadeia de processos de ponta a ponta, o que nos permite melhorar continuamente o perfil ambiental das soluções de processamento e embalagem de alimentos.”
Simulando a cadeia de valor alimentar
Devido a esses benefícios, a Tetra Pak está expandindo seu processo de simulação por toda a cadeia de valor alimentar, o que inclui processamento, embalagem, enchimento, manuseio, uso e reciclagem, desde o fornecimento e locais de produção até a eliminação final e descarte. A empresa também trabalha em aplicações inovadoras, como redução de emissões durante a produção para a segurança dos trabalhadores, incluindo níveis de ozônio, embalagens para segurança alimentar e modelagem para regulamentações obrigatórias, como as diretrizes da FDA (Food and Drug Administration) dos EUA.
“Adotamos uma visão muito holística quando se trata das soluções de simulação que usamos”, diz Lindblad. “É somente graças aos nossos modelos avançados de simulação e insights multifísicos que entendemos o que está acontecendo com nossos equipamentos durante a produção. Podemos prever e corrigir paralisações e problemas de qualidade antes que eles aconteçam.”
“Nosso compromisso é tornar os alimentos seguros e disponíveis em todos os lugares, e prometemos proteger o que é bom: alimentos, pessoas e o planeta. Graças às ferramentas multifísicas do Simcenter, podemos obter insights antecipados sobre nossos processos de P&D e produção, resultando em produtos e processos de fabricação de alto desempenho.”
Mergulhando nas soluções Simcenter
Ao trabalhar com especialistas da Siemens, a Tetra Pak desenvolveu um sofisticado gêmeo digital (digital twin) de seus sistemas de processamento e embalagem. Eles usam esses modelos para otimizar, validar e controlar processos, desde o processamento do leite cru até a melhoria do desempenho dos materiais de embalagem, máquinas de enchimento e embalagens.
“Somos conhecidos por todos os tipos de formatos de embalagem que criamos usando um padrão de vinco impresso ou prensado no material”, explica Lindblad. “Como você pode imaginar, nosso processo é muito rápido e as máquinas são enormes. Temos que garantir que cada embalagem seja formada e preenchida corretamente. É pura interação fluido-estrutura e simular isso é um desafio.”
A Interação Fluido-Estrutura (FSI) é como o comportamento de um fluido afeta a estrutura que o contém. Por exemplo, ao segurar uma caixa de leite, quanto mais forte você aperta, mais leite derrama. A menos que essa interação possa ser compreendida e investigada, não é possível projetar uma embalagem conveniente para o uso do cliente sem que ela derrame ou perca a firmeza.
Além disso, simular a FSI em bilhões de produtos é complexo devido à grande variedade de embalagens, máquinas de enchimento, unidades de processamento e equipamentos.
Para isso, a Tetra Pak criou modelos de simulação FSI multifísicos e avançados com o software Simcenter Amesim™ e o software Simcenter STAR-CCM+™, que podem ser usados para responder a perguntas vitais de engenharia e aprimorar processos existentes por meio de um gêmeo digital, em vez de um protótipo físico.
Usando a simulação para melhorar o perfil ambiental
Na Tetra Pak, a simulação começa cedo no processo: na conversão de matérias-primas, como papel, folha de alumínio e grânulos de polietileno, em material de embalagem. Durante essa etapa, as equipes usam uma simulação FSI bidirecional no Simcenter para estudar o processo, que envolve a fusão de diferentes tipos de plástico e, em seguida, o revestimento dessas camadas no alumínio e no papelão.
“É um processo tão rápido que é impossível fazer qualquer tipo de medição física. Por isso, o uso das simulações Simcenter é onde obtemos insights profundos de engenharia”, diz Lindblad. “Com a simulação, podemos visualizar aspectos que de outra forma seriam difíceis de observar, como examinar os níveis de pressão em um processo de embalagem onde há múltiplos rolos distribuídos para as máquinas de enchimento.”
“Usando o Simcenter, você pode estudar a pressão de contato, ver se há ondulações na cortina de fusão e o efeito dos padrões de ar gerados pelos rolos de alta velocidade (cerca de 650 metros por minuto). Isso nos permite prevenir uma série de problemas ao usar a simulação FSI para enxergar o que está acontecendo dentro dessa máquina de alta velocidade.”
Além disso, com a simulação FSI, a Tetra Pak melhorou o manuseio de resíduos (confetes de papel) gerados ao perfurar o papel para a aplicação de dispositivos de abertura na máquina de enchimento.
“Simular a formação e o enchimento simultâneos tem sido o ‘santo graal’ para mim e minha equipe; lutamos contra isso por anos. No entanto, graças à nossa colaboração e ao suporte dos especialistas, conseguimos ter sucesso nessa simulação altamente complexa.” — Ulf Lindblad, Especialista em Tecnologia na Tetra Pak.
“Quando cortamos esses furos, precisamos eliminar os confetes por meio de um dispositivo de evacuação rotativo”, diz Lindblad. “Em alguns casos, os confetes ficavam presos e a produção parava. Isso é muito caro e queremos evitar a todo custo. Graças à nossa simulação FSI, pudemos ver o que acontecia em seis graus de liberdade e quando acontecia. Descobrimos que os confetes se deformavam e podiam entupir a produção. Aprendemos muito sobre como prevenir esse problema dispendioso antes que ele aconteça.”
Superando desafios multifísicos
Mais adiante no processo, o uso da simulação Simcenter prova ser ainda mais valioso com modelos de turbulência multifísicos e multiescala, que ajudam os engenheiros a entender as variações de produção e garantir a segurança e a qualidade do alimento. Por exemplo, o processo de fabricação de leite evaporado em pó usando um secador spray envolve a atomização do leite líquido com ar quente entre 200 e 250 °C.
“Antes do Simcenter, não creio que já tenha visto tanta informação extraída de uma única simulação”, diz Lindblad. “Você pode analisar velocidades, temperaturas, partículas, linhas de trajetória, tempo de permanência das partículas e níveis de umidade. Mas o mais interessante é o histórico de concentração e temperatura. Isso nos permite estudar a cinética das proteínas, um nutriente importante no leite. Temos proteínas sensíveis à temperatura que se desnaturam se a temperatura estiver errada. Com as informações do Simcenter, podemos manter o controle e evitar a degradação de nutrientes para entregar máxima qualidade.”
Lidando com a complexidade
Uma nova área em que a Tetra Pak usa simulação é a mistura, nomeadamente, a reversão da evaporação do leite misturando pó e líquido, o que adiciona ainda mais variáveis a um processo já altamente complexo.
“Sabemos que nossas configurações funcionam bem, mas quando um novo produto é introduzido, saber exatamente qual deve ser o tempo de mistura pode ser difícil. Ao nos tornarmos melhores em prever tempos de mistura, podemos economizar energia, reduzir custos operacionais e diminuir significativamente nosso impacto ambiental. Esta é uma investigação contínua em que estamos trabalhando com nossas ferramentas Simcenter.”
Ao longo dos anos, a equipe da Tetra Pak usou a ferramenta FSI bidirecional para resolver desafios adicionais de embalagem e processamento, desde conter fenômenos de sucção até solucionar problemas comuns de enchimento, como respingos, formação de espuma e gotejamento em produtos clássicos e mais viscosos, como o iogurte.
A equipe também usa a simulação para obter aprovações regulatórias para novas máquinas junto a órgãos governamentais como a FDA, além de concluir estudos para soluções de embalagem com perfil ambiental aprimorado, como substituir a camada de folha de alumínio por uma barreira à base de papel e resolver o desafio de simular a formação e o enchimento simultâneos.
“Simular a formação e o enchimento simultâneos era o nosso maior desafio”, conclui Lindblad. “No entanto, graças à parceria e ao suporte técnico especializado, conseguimos alcançar o sucesso mesmo em simulações extremamente complexas.”
Leve essa transformação para a sua operação
A história da Tetra Pak mostra como a tecnologia de simulação e a transformação digital podem impulsionar marcas líderes a alcançarem novos patamares de eficiência, sustentabilidade e velocidade de inovação.
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