복제 가능한 기계 설계를 통한 지속 가능한 바나나 섬유 추출 및 퇴비화

바나나는 세계에서 두 번째로 많이 생산되는 과일로, 북위 40°~40° 사이의 열대 및 아열대 지역에서 재배됩니다. 네팔에서 스파르샤의 생산에 가장 많이 사용되는 품종은 현지에서 말보그(Malbhog)로 알려진 무사 파라디시아카 (AAB 그룹)입니다. 바나나 식물은 성숙하는 데 9~12개월이 걸리며 중심부에서 계속해서 잎을 형성합니다. 이 겹쳐진 잎집은 개화가 시작될 때까지 자라는 가성 줄기를 형성합니다. 열매를 맺고 수확한 후에는 각 줄기에서 바나나를 한 번만 생산하기 때문에 가성 줄기를 밑부분에서 잘라냅니다. 줄기를 자르면 같은 식물에서 다음 유사 줄기의 성장도 촉진됩니다. 바나나 식물은 수명 주기 동안 약 25개의 유사 줄기를 생성할 수 있으며, 각 줄기는 서로 다른 속도로 성장하고 다른 시기에 수확됩니다.

이러한 농업 주기는 대량의 폐기물을 발생시킵니다. 수확된 바나나 한 다발은 약 30~40kg 무게의 유사 줄기 하나에 해당합니다. 농부들은 종종 이 줄기를 태우거나 밭에서 썩도록 방치합니다. 태우려면 등유나 기타 촉진제가 필요한데, 줄기가 매우 습하기 때문에 온실가스 배출과 짙은 연기를 유발합니다. 줄기를 썩게 두면 몇 달이 걸리고 농지에서 상당한 공간을 차지합니다.

네팔의 주요 바나나 재배 지역으로는 모랑, 자파, 삽타리, 치트완, 카일랄리, 나왈파라시 등이 있습니다. 전국적으로 바나나 재배 면적은 약 21,413헥타르이며, 매년 약 1,284,780톤의 농업 폐기물이 배출됩니다. 이 지역 중에서도 네팔에서 가장 많은 2,200헥타르에 달하는 재배 면적과 연간 약 132,000톤의 폐기물을 배출하는 나왈파라시의 수스타 지방 자치단체가 눈에 띕니다. 스파르샤는 이곳에 섬유 추출 공장을 설립하기로 결정했습니다.

수스타의 농업 공동체는 주민 주도로 운영되고 있으며, 개방적이고 열정적인 자세로 협력에 임해 파트너십을 실용적이고 영향력 있는 것으로 만들었습니다. 이 지역은 원자재가 풍부하고 운송 거리가 짧아 섬유 품질을 유지하기 위해 72시간 이내에 줄기를 가공할 수 있는 전략적, 사회적으로 적합한 지역이었습니다. 동시에 수스타는 뿌리 깊은 사회적 문제에 직면해 있습니다. 여성은 가정 밖에서 활동할 기회가 제한되어 있으며, 지역사회 의사 결정에서 동등한 권리와 대표성을 갖지 못하는 경우가 많습니다. 월경에 대한 낙인은 여전히 강합니다. 이곳에 공장을 설립함으로써 우리는 여성을 위한 품위 있는 일자리를 창출하고, 여성의 경제적 자립을 지원하며, 월경 건강과 환경 지속 가능성에 관한 교육 캠페인을 진행할 수 있었습니다.

스파르샤는 농업 폐기물을 기회로 전환하는 순환 경제 모델을 개발했습니다. 바나나 수확 후 농부들로부터 바나나 줄기를 무상으로 수거하고, 그 대가로 섬유질 추출 잔여물로 만든 유기농 퇴비를 제공합니다. 이러한 비금전적 교환을 통해 폐기물을 줄이고 토양의 비옥도를 높이며 농부들과 장기적인 신뢰를 쌓을 수 있습니다.

바나나 식물 섬유는 셀룰로오스가 60~65%, 헤미셀룰로오스(6~19%), 리그닌(5~10%), 펙틴(3~5%), 회분(1~3%), 추출물(3~6%)이 더 작은 비율로 함유되어 있습니다. 의사 줄기가 공장에 도착하면 외피가 분리됩니다. 섬유 성숙도는 줄기 내 피복의 위치에 따라 달라지는데, 일반적으로 바깥쪽 층은 더 단단한 섬유를 생산하고 안쪽 층은 더 부드러운 섬유를 생산합니다. 따라서 작업자가 외피를 적절하게 등급을 매기고 분리하지 않으면 추출이 약간 불균일할 수 있습니다. 평균적으로 의사 줄기당 11개의 사용 가능한 겉잎을 추출할 수 있습니다.

스파르샤의 섬유 추출 시설은 줄기를 퇴비화 가능한 생리대에 사용되는 섬유로 가공합니다. 줄기는 수분 함량이 90~92%이기 때문에 72시간 이내에 처리해야 합니다. 처리가 지연되면 분해와 발효가 시작되어 변색, 악취, 미생물 분해가 일어납니다. 섬유 수율은 여전히 낮습니다. 20kg의 의사 줄기에서는 약 150g의 건조 섬유가 생산되며, 퇴비로 전환되는 잔여물이 다량 남게 됩니다.

밭에서 공장으로 줄기를 수확, 절단, 운반하기 위해 3~4개월(8~11월) 동안 계절에 따라 추가 인력을 고용합니다. 주요 운영 비용에는 인건비와 트랙터 운송비가 포함됩니다. 약 6,772m²의 농장에서 연간 충분한 양의 의사줄기를 공급하여 일관된 섬유를 생산할 수 있습니다.

바나나 열매를 수확한 후 농부들은 일반적으로 바나나 줄기(흔히 줄기라고도 함)를 버리는데, 실제로는 겹겹이 쌓인 껍질 안에 귀중한 천연 섬유질이 들어 있습니다. 하지만 섬유질 추출을 시작하기 전에 바나나 꼭지를 세로로 잘라 개별 껍질을 노출시켜야 합니다. 이 단계는 효율적인 분리를 위해 필수적이며 추출 시 작업자의 수고를 크게 줄여줍니다.

원래 Sparśa는 작업자가 줄기를 반으로 나눌 수 있는 원형 톱 기반 유사 줄기 절단기를 사용했습니다. 이 이전 버전은 기능은 좋았지만 작업자가 무거운 의사줄기를 계속 들어 올리고 균형을 잡고 칼날을 통해 수동으로 밀어 넣어야 했습니다. 따라서 이 과정은 육체적으로 힘들고 시간이 많이 걸리며 피곤했습니다. 또한 한 번에 하나의 줄기만 처리할 수 있고 작업자의 피로로 인해 작업 흐름이 빠르게 느려져 처리량도 제한적이었습니다. 이러한 제약으로 인해 전체 섬유 생산 공정의 효율성이 떨어지고 장시간 작업이 어려웠습니다.

이러한 한계를 해결하기 위해 새롭고 개선된 트렁크 커터가 설계되었습니다. 업그레이드된 모델은 수동 푸시를 체인 및 스프로킷 이송 메커니즘으로 대체하여 자동으로 슈도스템을 잡고 절단 영역으로 전진시킵니다. 이 기계는 원형 톱날 대신 두 개의 수직 절단 날을 사용하여 한 번에 줄기를 두 개로 나누도록 배치합니다. 이 통합 시스템은 여러 가지 장점을 제공합니다:

• 신체적 부담 감소: 작업자가 더 이상 무거운 줄기를 수동으로 밀 필요가 없습니다.
• 처리량 증가: 연속적인 자동 공급으로 더 빠르고 일관된 생산이 가능합니다.
• 안전성 향상: 가드 및 제어된 이송 거리로 작업자가 움직이는 칼날로부터 멀리 떨어져 있습니다.
• 더욱 정밀한 절단: 자동 이송이 일관된 절단 정렬을 유지합니다.

프로세스는 다음과 같이 작동합니다:

1. 배치: 슈도스템이 체인 이송 플랫폼에 배치됩니다.
2. 결합: 체인과 스프라켓이 스템을 단단히 잡고 앞으로 안내합니다.
3. 절단: 스템은 두 개의 수직 블레이드를 통과하여 깔끔하게 반으로 나뉩니다.
4. 출력: 절단된 조각은 수거 쪽으로 떨어지며, 섬유 추출을 위해 수동으로 껍질을 벗길 수 있습니다.

절단 후 작업자는 각 피복층을 손으로 벗겨냅니다. 각 피복에는 부드러운 내부 조직과 함께 섬유질 영역이 포함되어 있습니다. 작업자는 나이프를 사용하여 섬유질이 거의 또는 전혀 없는 부분을 제거하여 섬유질이 풍부한 재료만 추출 기계로 이동하도록 비섬유질 가장자리를 다듬습니다.

이 개선된 커터 덕분에 자재 취급이 훨씬 쉬워지고 작업자의 피로가 줄어들었으며 추출 워크플로우의 일관성이 향상되었습니다. 또한 스파르샤 인력의 주요 부분을 차지하는 여성을 포함하여 체력이 약한 작업자들도 이 프로세스에 접근할 수 있게 되었습니다.

바나나 섬유 추출은 농업 폐기물을 고부가가치 천연 소재로 전환할 수 있는 지속 가능한 방법을 제공합니다. 과일 수확 후 일반적으로 버려지는 바나나 줄기에는 생분해성 제품, 섬유, 로프, 종이, 생리대 등에 적합한 길고 튼튼한 섬유가 풍부하게 함유되어 있습니다.

이러한 섬유를 효율적이고 일관되게 추출하기 위해 스파르샤는 수동 스크래핑에 비해 생산량과 품질을 크게 향상시키는 반자동 바나나 섬유 추출 기계를 개발했습니다.

이 기계는 3HP 전기 모터로 구동되는 스크래핑 블레이드가 장착된 회전 드럼을 사용하는 모터 구동 시스템입니다. 작동 중에 작업자는 회전하는 롤러와 고정된 지지대 사이에 바나나 껍질을 수동으로 공급합니다. 칼집이 통과하면서 칼날이 다육질의 외부 물질을 긁어내어 깨끗한 섬유를 분리하고 방출합니다. 조정 가능한 롤러 압력 시스템을 통해 작업자는 칼집 두께에 따라 간격을 미세하게 조정할 수 있어 보다 원활한 작동과 고품질 출력을 보장합니다.

간단한 벨트 및 풀리 변속기가 모터에서 드럼으로 에너지를 전달합니다. 이 시스템은 의도적으로 유지보수가 적고 시골 작업장에서 쉽게 수리할 수 있으며 현지 시장에서 구할 수 있는 부품과 완벽하게 호환되도록 설계되었습니다. 컴팩트한 용접 프레임은 긴 작동 주기 동안에도 안정성을 제공합니다.

일반적인 조건에서 이 기계는 바나나 품종, 칼집 상태, 칼날 날카로움, 작업자의 숙련도에 따라 하루 6-8시간 작업당 약 5kg의 건조 섬유를 생산합니다.

자세한 작업 단계:

1. 준비:
   바나나 의사 줄기를 수집하여 분할하고 껍질을 벗긴 다음 약 1~1.5m 길이로 다듬습니다.
2. 먹이기:
   껍질의 수분 함량과 두께에 맞게 롤러 압력을 조절하여 한 번에 한 껍질씩 기계에 공급합니다.
3. 추출:
   회전하는 드럼이 수분이 많은 조직을 제거하고 내장된 섬유를 풀어줍니다. 이 과정은 칼집의 양쪽 절반에서 반복되어 수율을 극대화합니다.
4. 건조 및 보관:
   추출된 섬유는 날씨에 따라 햇볕에 말리거나 태양열 건조기에 1~1.5일간 보관합니다. 건조가 완료되면 다음 가공 단계를 위해 묶어서 보관합니다.

가공 체인은 인근 농장에서 바나나 의사 줄기를 수집한 후 시작됩니다. 각 의사 줄기는 단단히 겹쳐진 잎 껍질로 만들어집니다. 겉껍질과 잎을 먼저 제거하여 사용 가능한 내부 층을 노출시킵니다. 트렁크 커터를 사용하여 의사 줄기를 세로로 반으로 자르면 껍질을 훨씬 쉽게 벗길 수 있고 추출 과정의 속도가 빨라집니다.

그런 다음 분리된 껍질은 스파샤의 반자동 바나나 섬유 추출기에 공급됩니다. 각 껍질은 섬유질과 부드러운 내부 조직의 비율이 다른 여러 층으로 구성되어 있습니다. 추출하는 동안 작업자가 다른 쪽 끝을 잡고 있는 동안 칼집의 한쪽 끝이 기계에 삽입됩니다. 회전하는 드럼과 스크래핑 블레이드가 내벽 재료를 분해하여 내장된 섬유를 방출합니다. 이 과정에서 부드럽고 수분이 풍부한 내층은 긁어냅니다. 작업자는 피복의 양쪽 끝에서 추출을 반복하여 섬유 회수를 극대화합니다.

최상의 섬유 품질을 위해 추출은 의사줄기를 수확한 후 72시간 이내에 이루어져야 합니다. 수분 함량이 90~92%인 줄기는 빠르게 분해됩니다. 처리가 지연되면 발효, 변색, 불쾌한 냄새가 발생하여 결과물인 섬유의 품질이 저하됩니다.

스파르샤 섬유 공장에서는 하루에 약 3kg의 건조 섬유를 생산하는 추출 기계 3대를 운영하며, 총 일일 생산량은 약 9kg입니다. 작업자는 일반적으로 교육 후 1주일 이내에 숙련되며, 경험이 쌓일수록 효율성이 눈에 띄게 향상되어 보다 일관된 섬유 생산량을 얻을 수 있습니다.

추출된 섬유는 약 4피트 길이로 추출 후 즉시 건조됩니다. 건조는 햇볕이나 전용 251.712제곱피트 태양열 건조기에서 이루어집니다. 태양열 건조는 날씨 조건에 따라 여름에는 1~1.5일, 겨울에는 최대 3일이 소요됩니다. 완전히 건조되면 다음 단계를 위해 섬유를 묶어 보관합니다.

다음으로 섬유를 종이로 정제합니다. 긴 섬유는 가공하기 쉽도록 작은 조각으로 자르고 불순물을 제거하기 위해 세척한 다음 홀랜더 비터에 넣어 균일한 슬러리로 만들어집니다.

최종 종이는 위생용품에 사용되기 때문에 위생과 미생물 관리가 필수적입니다. 이러한 이유로 당사는 원료 섬유를 미리 익히지 않고 두들긴 후 슬러리를 끓입니다. 비팅은 시간이 오래 걸리고, 섬유를 미리 삶으면 가공 기간이 길어져 오염 위험이 높아집니다. 비팅 후 슬러리를 끓이면 미생물 번식을 최소화하고 이후 바로 시트 성형까지 진행할 수 있어 위생적이고 위생적인 종이를 생산할 수 있습니다.

조리 후 슬러리는 대형 통에서 물로 희석하여 시트 형성을 위한 정확한 농도를 얻습니다. 메쉬 프레임을 통에 담가 얇고 고른 섬유층이 표면에 침전되어 초기 습식 시트가 형성되도록 합니다. 그런 다음 이 시트를 프레스 기계 아래에 놓으면 과도한 수분이 제거되고 섬유가 압축됩니다. 마지막으로 압축된 시트는 태양열 건조기로 옮겨져 강하고 튼튼한 바나나 섬유 종이로 건조됩니다.

섬유 사용

바나나 섬유는 섬유, 로프, 카펫, 지오텍스타일, 장인 공예품, 종이 제품 및 친환경 포장재 등 다양한 용도로 사용되는 다용도 천연 소재입니다. 강도, 생분해성, 재생 가능성으로 높은 가치를 인정받고 있습니다. 전 세계적으로 바나나 바이오매스를 합성 섬유의 지속 가능한 대안으로 연구하여 순환 경제 모델을 지원하고 농업 폐기물을 줄이는 연구가 계속되고 있습니다.

Sparśa는 퇴비화 가능한 생리대의 흡수 코어로 사용되는 종이 등급의 바나나 섬유를 생산하는 데 주력하고 있습니다. 이는 환경적으로 책임감 있는 위생용품을 만들고, 플라스틱 오염을 줄이며, 농업 폐기물을 사회적으로 영향력 있는 솔루션으로 전환하는 방법을 보여주는 프로젝트의 목표에 부합하는 것입니다.

바나나 농장은 섬유질 추출에 부적합한 가소줄기, 잎, 섬유질 추출 과정에서 발생하는 슬러리 등 대량의 폐기물을 생산합니다. 이 바이오매스를 태우거나 썩게 두는 대신(둘 다 온실가스 배출에 기여합니다), 스파샤는 이를 유기 퇴비로 전환합니다. 이러한 접근 방식은 메탄 배출을 줄이고 토양 건강을 지원하며 프로젝트의 폐기물 제로 미션을 강화합니다.

사용된 폐기물 재료

• 바나나 잎(40%) - 작은 조각(3~50mm)으로 잘게 썬 것.
• 바나나 줄기(35% ) - 빠른 분해를 위해 신선할 때 잘게 썰어서 사용할 수 없는 부분.
• 슬러리(25%) - 추출 후 남은 섬유질 폐기물로, 과도한 수분을 제거하기 위해 압착합니다.
• 바이오차(선택 사항) - 통기성, 미생물 활동, 영양소 보존을 개선하기 위해 첨가합니다.

이 비율은 미생물 활동과 분해 속도에 영향을 미치기 때문에 퇴비 레시피는 이상적인 탄소 대 질소(C:N) 비율을 20:1에서 35:1로 맞추는 것을 목표로 합니다.

퇴비화 절차:

1. 재료 전처리하기: 잎과 줄기 조각을 3~50mm로 자릅니다. 슬러리를 눌러 수분을 줄입니다.
2. 무게를 측정하거나 양을 추정합니다: 처음에는 디지털 저울을 사용하고 나중에는 작업자가 부피로 추정할 수 있습니다.
3. 잘 섞어주세요: 40:35:25의 비율로 재료를 섞어 균일한 퇴비 더미를 만듭니다.
4. 수분 조절하기: 수분 함량을 50~60%로 맞춥니다. 건조하면 물을 추가하고, 너무 젖으면 잘게 썬 마른 잎이나 줄기를 추가합니다.
5. 더미에 라벨 붙이기: 새 퇴비 더미마다 날짜, 배치 번호, 성분을 표시합니다.
6. 상태를 모니터링합니다: 공장의 모니터링 시트를 사용하여 온도, 수분, 퇴비 더미의 상태를 추적하세요.

온도는 25cm와 50cm의 두 가지 깊이에서 측정합니다. 적절한 퇴비화를 위해서는 55~65°C의 온도를 유지해야 위생적으로 퇴비화할 수 있습니다. 온도가 지속적으로 떨어지거나 내부 열 분포가 고르지 않으면 퇴비 더미를 돌려야 합니다. 과열을 방지하기 위해 극단적인 온도(75°C 이상)는 피해야 합니다.

4~5개월이 지나면 퇴비는 안정되고 부서지기 쉬우며 무취가 되어 농업용으로 사용할 준비가 됩니다. 완성된 퇴비는 토양을 풍부하게 하고 화학 비료 의존도를 낮추며 바나나 식물 폐기물을 최대한 활용할 수 있게 해줍니다.