Duurzame extractie en compostering van bananenvezels met reproduceerbare machineontwerpen

Bananen zijn het op één na meest geproduceerde fruit ter wereld en worden geteeld in tropische en subtropische gebieden tussen 40°NB en 40°ZB. In Nepal is de meest gebruikte variëteit voor de productie van Sparśa de Musa paradisiaca (AAB-groep), plaatselijk bekend als Malbhog. Een bananenplant heeft 9-12 maanden nodig om volwassen te worden en vormt continu bladeren vanuit de kern. Deze overlappende bladscheden vormen de pseudostam, die groeit tot de bloei begint. Na de vruchtzetting en oogst wordt de pseudostam aan de basis afgesneden omdat elke stengel maar één keer bananen oplevert. Het afsnijden van de stengel stimuleert ook de groei van de volgende pseudostam van dezelfde plant. Tijdens haar levenscyclus kan een bananenplant ongeveer 25 pseudostengels produceren, die elk op verschillende snelheden groeien en op verschillende tijdstippen worden geoogst.

Deze landbouwcyclus produceert grote hoeveelheden afval. Elke tros geoogste bananen komt overeen met één pseudosteel van ongeveer 30-40 kg. Boeren verbranden deze stengels vaak of laten ze op het veld rotten. Verbranden vereist kerosine of andere versnellers omdat de stengels erg vochtig zijn, wat leidt tot de uitstoot van broeikasgassen en dikke rook. Stengels laten rotten duurt maanden en neemt veel ruimte in op landbouwgrond.

De belangrijkste bananenproducerende districten in Nepal zijn Morang, Jhapa, Saptari, Chitwan, Kailali en Nawalparasi. In het hele land beslaat de bananenteelt ongeveer 21.413 hectare en wordt er jaarlijks ongeveer 1.284.780 ton landbouwafval geproduceerd. Binnen deze gebieden springt de gemeente Susta in Nawalparasi eruit met bijna 2.200 hectare teelt - een van de hoogste concentraties in Nepal - die ongeveer 132.000 ton afval per jaar produceert. Dit is de plaats waar Sparśa zijn vezelextractiefabriek vestigde.

De boerengemeenschappen van Susta worden geleid door de gemeenschap en stonden open en enthousiast om met ons samen te werken, waardoor de samenwerking zowel praktisch als impactvol was. Het gebied was strategisch en sociaal geschikt: grondstoffen zijn er in overvloed en transportafstanden zijn kort, zodat boomstammen binnen 72 uur verwerkt kunnen worden om de vezelkwaliteit te behouden. Tegelijkertijd wordt Susta geconfronteerd met diepgewortelde sociale uitdagingen. Vrouwen hebben beperkte mogelijkheden buiten het huishouden en vaak geen gelijke rechten en vertegenwoordiging in de besluitvorming van de gemeenschap. Menstruatiestigma's blijven sterk aanwezig. Door de fabriek hier te vestigen konden we waardig werk creëren voor vrouwen, hun financiële onafhankelijkheid ondersteunen en educatieve campagnes voeren rond menstruele gezondheid en ecologische duurzaamheid.

Sparśa heeft een circulair economisch model ontwikkeld dat landbouwafval omzet in kansen. Bananenstammen worden na de oogst gratis opgehaald bij boeren en in ruil daarvoor levert de fabriek organische compost die wordt gemaakt van het restproduct van de vezelextractie. Deze niet-monetaire uitwisseling vermindert afval, ondersteunt de vruchtbaarheid van de bodem en bouwt vertrouwen op lange termijn op met boeren.

De vezels van bananenplanten bevatten 60-65% cellulose, met kleinere fracties hemicellulose (6-19%), lignine (5-10%), pectine (3-5%), as (1-3%) en extractieresiduen (3-6%). Zodra een pseudostam de fabriek bereikt, worden de omhulsels gescheiden. De rijpheid van de vezels varieert afhankelijk van de positie van de schede in de stengel - de buitenste lagen produceren meestal stijvere vezels, terwijl de binnenste lagen zachtere vezels opleveren. Als gevolg hiervan kan de extractie enigszins inhomogeen zijn, tenzij de operators de omhulsels op de juiste manier sorteren en scheiden. Gemiddeld kunnen er 11 bruikbare buitenste bladeren worden geëxtraheerd per pseudostem.

De vezelextractiefaciliteit van Sparśa verwerkt de stammen tot vezels die gebruikt worden voor composteerbare maandverbanden. De stammen moeten binnen 72 uur verwerkt worden omdat het vochtgehalte 90-92% is. Vertraagde verwerking leidt tot ontbinding en gisting, wat verkleuring, geur en microbiële afbraak veroorzaakt. De vezelopbrengst blijft laag: een pseudostam van 20 kg levert ongeveer 150 gram droge vezels op, waardoor er grote hoeveelheden residu overblijven die worden omgezet in compost.

Tijdens het seizoen zijn er 3-4 maanden lang (augustus-november) extra arbeiders nodig voor het oogsten, snijden en transporteren van de boomstammen van de velden naar de fabriek. De belangrijkste operationele kosten zijn arbeid en transport door de tractor. Ongeveer 6.772 m² boerderijen kunnen jaarlijks genoeg pseudostammen leveren voor een consistente vezelproductie.

Na het oogsten van bananen gooit de boer meestal de pseudostam (vaak de stam genoemd) weg, die waardevolle natuurlijke vezels bevat in de gelaagde omhulsels. Maar voordat de vezels kunnen worden geëxtraheerd, moet de pseudostam in de lengte worden gespleten om de afzonderlijke omhulsels bloot te leggen. Deze stap is essentieel voor een efficiënte scheiding en vermindert de inspanning van de operator tijdens het extraheren aanzienlijk.

Oorspronkelijk gebruikte Sparśa een pseudostemmensnijder met een cirkelzaag waarmee de arbeiders de stengels in helften konden snijden. Hoewel deze eerdere versie functioneel was, moesten de operators voortdurend zware stengels optillen, balanceren en handmatig door het blad duwen. Dit maakte het proces fysiek zwaar, tijdrovend en vermoeiend. Het beperkte ook de verwerkingscapaciteit, omdat er maar één steel tegelijk verwerkt kon worden en de vermoeidheid van de operator het werkproces snel vertraagde. Deze beperkingen maakten het algehele vezelproductieproces minder efficiënt en moeilijk voor lange werktijden.

Om deze beperkingen aan te pakken, werd een nieuwe en verbeterde stamsnijder ontworpen. Het verbeterde model vervangt handmatig duwen door een ketting- en tandwieltoevoermechanisme dat de pseudostam automatisch vastgrijpt en naar de snijzone transporteert. In plaats van een cirkelvormig zaagblad gebruikt de machine twee loodrecht op elkaar staande zaagbladen die zo gepositioneerd zijn dat ze de stam in één keer in twee helften splijten. Dit geïntegreerde systeem biedt verschillende voordelen:

• Minder fysieke belasting: Operators hoeven zware stelen niet langer handmatig te duwen.
• Hogere verwerkingscapaciteit: Continue automatische toevoer zorgt voor een snellere en consistentere uitvoer.
• Verbeterde veiligheid: Bewaking en gecontroleerde invoerafstand houden operators uit de buurt van bewegende messen.
• Nauwkeuriger snijden: De automatische toevoer zorgt voor een consistente snijuitlijning.

Het proces werkt als volgt:

1. Plaatsing: De pseudostem wordt op het kettingaanvoerplatform geplaatst.
2. Aansluiting: Kettingen en kettingwielen grijpen de steel stevig vast en geleiden hem naar voren.
3. Snijden: De stengel gaat door twee loodrechte messen, die de stengel netjes in helften verdelen.
4. Uitvoer: De gesneden stukken vallen op de opvangzijde, waar ze handmatig kunnen worden geschild voor vezelextractie.

Na het splitsen pellen operators elke schede met de hand af. Elke schede bevat een vezelzone. Elke schede bevat een vezelige zone samen met zachter binnenweefsel. Operators snijden de niet-vezelige randen bij met een mes om secties met weinig of geen vezels te verwijderen, zodat alleen vezelrijk materiaal naar de extractiemachine gaat.

Deze verbeterde snijder heeft de materiaalhantering veel eenvoudiger gemaakt, de vermoeidheid van de operator verminderd en een grotere consistentie in de extractieworkflow ondersteund. Het maakt het proces ook toegankelijk voor werknemers met minder fysieke kracht, waaronder vrouwen die een belangrijk deel uitmaken van het personeel van Sparśa.

Het winnen van bananenvezels biedt een duurzame manier om landbouwafval om te zetten in een hoogwaardig natuurlijk materiaal. Na de fruitoogst is de bananenpseudostem - die gewoonlijk wordt weggegooid - rijk aan lange, duurzame vezels die geschikt zijn voor biologisch afbreekbare producten, textiel, touwen, papier en maandverband.

Om deze vezels efficiënt en consistent te extraheren, ontwikkelde Sparśa een halfautomatische machine voor het extraheren van bananenvezels die de output en kwaliteit aanzienlijk verbetert in vergelijking met handmatig schrapen.

De machine is een gemotoriseerd systeem dat gebruik maakt van een roterende trommel met schraapmessen, aangedreven door een 3 HP elektromotor. Tijdens het gebruik voert de operator handmatig bananenscheden tussen de draaiende rol en een stationaire steunbalk. Terwijl de omhulling passeert, schrapen de messen het vlezige buitenste materiaal eraf, waardoor schone vezels worden gescheiden en vrijkomen. Dankzij een instelbaar druksysteem van de rollen kan de operator de opening fijn afstellen op basis van de dikte van de mantels, wat zorgt voor een soepelere werking en een uitvoer van hogere kwaliteit.

Een eenvoudige riem-en-pulley-overbrenging brengt energie over van de motor naar de trommel. Het systeem is met opzet zo ontworpen dat het weinig onderhoud vergt, eenvoudig te repareren is in werkplaatsen op het platteland en volledig compatibel is met componenten die op de lokale markt verkrijgbaar zijn. Het compacte gelaste frame zorgt voor stabiliteit, zelfs tijdens lange bedrijfscycli.

Onder normale omstandigheden produceert de machine ongeveer 5 kilo droge vezels per werkdag van 6 tot 8 uur, afhankelijk van de bananensoort, de staat van het omhulsel, de scherpte van het mes en de vaardigheid van de operator.

Gedetailleerde werkstappen:

1. Voorbereiding:
   Bananenpseudostengels worden verzameld, gespleten, in scheden geschild en bijgesneden tot lengtes van ongeveer 1-1,5 meter.
2. Voederen:
   Eén schil per keer wordt in de machine gevoerd, waarbij de walsdruk wordt aangepast aan het vochtgehalte en de dikte van de schil.
3. Extractie:
   De draaiende trommel verwijdert het waterrijke weefsel en maakt de ingebedde vezels vrij. Het proces wordt herhaald op beide helften van de schede om de opbrengst te maximaliseren.
4. Drogen en opslag:
   De geëxtraheerde vezels worden in de zon gedroogd of gedurende 1 tot 1,5 dag in een zonnedroger geplaatst, afhankelijk van het weer. Eenmaal gedroogd worden ze gebundeld en opgeslagen voor de volgende verwerkingsfase.

De verwerkingsketen begint nadat de pseudostem van de banaan is verzameld op nabijgelegen plantages. Elke pseudostem bestaat uit strak overlappende bladscheden. De buitenste scheden en bladeren worden eerst verwijderd om de bruikbare binnenlagen bloot te leggen. Met de stamsnijder wordt de pseudostem in de lengte gehalveerd, wat het pellen van de scheden aanzienlijk vergemakkelijkt en het extractieproces versnelt.

De gescheiden vliezen worden vervolgens in de halfautomatische bananenvezel-extractor van Sparśa gevoerd. Elke schede bevat meerdere lagen met verschillende verhoudingen vezelmateriaal en zacht binnenweefsel. Tijdens het extraheren wordt het ene uiteinde van de schede in de machine gestoken terwijl de operator het andere uiteinde vasthoudt. De roterende trommel en schraapbladen breken het binnenste wandmateriaal af, waardoor de ingebedde vezels vrijkomen. De zachtere, waterrijke binnenlaag wordt tijdens het proces weggeschraapt. De operator herhaalt de extractie aan beide uiteinden van de omhulling om de vezels zo goed mogelijk terug te krijgen.

Voor de beste vezelkwaliteit moet de extractie binnen 72 uur na het oogsten van de pseudostem plaatsvinden. Met een vochtgehalte van 90-92% vergaat de stengel snel. Vertraagde verwerking leidt tot gisting, verkleuring en een onaangename geur, wat allemaal ten koste gaat van de resulterende vezel.

De vezelfabriek Sparśa heeft drie extractiemachines die elk ongeveer 3 kilo droge vezel per dag produceren, wat een gecombineerde dagelijkse productie van ongeveer 9 kilo oplevert. De operators worden meestal binnen een week na de training bedreven en hun efficiëntie verbetert aanzienlijk naarmate ze meer ervaring opdoen, wat resulteert in een consistentere vezelproductie.

De geëxtraheerde vezels, ongeveer een meter lang, worden direct na extractie gedroogd. Het drogen vindt plaats in de zon of in de speciale 251,712 sq. ft zonnedroger. Het drogen op zonne-energie duurt 1-1,5 dag in de zomer en tot 3 dagen in de winter, afhankelijk van de weersomstandigheden. Zodra de vezels volledig gedroogd zijn, worden ze gebundeld en opgeslagen voor de volgende fase.

Vervolgens worden de vezels verfijnd tot papier. De lange vezels worden in kleinere stukken gesneden om de verwerking te vergemakkelijken, gewassen om onzuiverheden te verwijderen en in een Hollander klopper gevoerd, waar ze tot een uniforme slurry worden geklopt.

Omdat het uiteindelijke papier wordt gebruikt in sanitaire producten, zijn hygiëne en microbiële controle essentieel. Daarom koken we de slurry na het kloppen in plaats van de ruwe vezels voor te koken. Het kloppen duurt lang en als de vezels vooraf gekookt zouden worden, zou de langere verwerkingsperiode het risico op besmetting verhogen. Door de slurry na het kloppen te koken, minimaliseren we de microbiële groei en kunnen we daarna direct overgaan tot het vormen van vellen, wat zorgt voor een hygiënische en hygiënische papierproductie.

Na het koken wordt de slurry verdund met water in een grote kuip om de juiste consistentie te krijgen voor de velvorming. Een gaasframe wordt in de kuip gedompeld, zodat een dunne, gelijkmatige laag vezels zich op het oppervlak kan afzetten en het eerste natte vel kan vormen. Dit vel wordt vervolgens onder een persmachine geplaatst die het overtollige water verwijdert en de vezels samenperst. Tot slot worden de geperste vellen overgebracht naar de zonnedroger, waar ze drogen tot sterk, duurzaam bananenvezelpapier.

Gebruik van vezels

Bananenvezel is een veelzijdig natuurlijk materiaal met toepassingen in textiel, touwen, tapijten, geotextiel, ambachtelijk handwerk, papierproducten en milieuvriendelijke verpakkingen. Het wordt gewaardeerd om zijn sterkte, biologische afbreekbaarheid en hernieuwbaarheid. Wereldwijd wordt onderzoek gedaan naar bananenbiomassa als duurzaam alternatief voor synthetische vezels, ter ondersteuning van circulaire economie modellen en ter vermindering van landbouwafval.

Bij Sparśa ligt de nadruk op de productie van bananenvezels van papierkwaliteit, die worden gebruikt als absorberende kern van de composteerbare menstruatieonderleggers van Sparśa. Dit sluit aan bij de doelstellingen van het project om milieuvriendelijke hygiëneproducten te maken, plasticvervuiling te verminderen en te laten zien hoe landbouwafval kan worden omgezet in een sociaal verantwoorde oplossing.

De bananenteelt produceert grote hoeveelheden afval, waaronder pseudostengels die ongeschikt zijn voor vezelextractie, bladeren en gier dat ontstaat tijdens het vezelextractieproces. In plaats van deze biomassa te verbranden of te laten rotten - wat beide bijdraagt aan de uitstoot van broeikasgassen - zet Parśa het om in organische compost. Deze aanpak vermindert de uitstoot van methaan, ondersteunt de gezondheid van de bodem en versterkt de zero-waste missie van het project.

Gebruikte afvalmaterialen

• Bananenbladeren (40%) - in kleine stukjes gehakt (3-50 mm).
• Bananenstammen (35%) - onbruikbare delen, vers gehakt voor snellere afbraak.
• Slurry (25%) - het vezelige afval dat overblijft na extractie, geperst om overtollig water te verwijderen.
• Biochar (optioneel) - toegevoegd om de beluchting, microbiële activiteit en het vasthouden van voedingsstoffen te verbeteren.

Het compostrecept streeft naar een ideale koolstof-stikstofverhouding (C:N) van 20:1 tot 35:1, omdat deze verhouding de microbiële activiteit en de snelheid van de ontbinding beïnvloedt.

Composteringsprocedure:

1. Materialen voorbewerken: Hak bladeren en stamstukken tot 3-50 mm. Druk de slurry uit om het vocht te verminderen.
2. Weeg of schat de hoeveelheden: Gebruik in het begin een digitale weegschaal; later kunnen werknemers schatten op volume.
3. Grondig mengen: Meng de ingrediënten in de verhouding 40:35:25 om een uniforme composthoop te vormen.
4. Vochtigheid instellen: Bereik een vochtgehalte van 50-60%. Voeg water toe als het te droog is; voeg gehakte droge bladeren/stronken toe als het te nat is.
5. Label de stapel: Markeer elke nieuwe composthoop met datum, batchnummer en samenstelling.
6. Controleer de omstandigheden: Houd de temperatuur, vochtigheid en toestand van de stapel bij met behulp van de controlebladen van de fabriek.

De temperatuur wordt op twee diepten gemeten: 25 cm en 50 cm. Voor een goede compostering moet de temperatuur tussen 55-65°C worden gehouden om te kunnen ontsmetten. Een gestage temperatuurdaling of ongelijkmatige interne warmteverdeling geeft aan dat de hoop moet worden gekeerd. Extreme temperaturen (>75°C) moeten vermeden worden om oververhitting te voorkomen.

Na 4-5 maanden is de compost stabiel, kruimelig, geurloos en klaar voor gebruik in de landbouw. De afgewerkte compost verrijkt de bodem, vermindert de afhankelijkheid van chemische meststoffen en zorgt voor een volledige benutting van het afval van de bananenplant.