Устойчивое извлечение бананового волокна и компостирование с помощью повторяющихся конструкций машин

Бананы - второй по объему производства фрукт в мире, выращиваемый в тропических и субтропических регионах между 40° северной и 40° южной широты. В Непале для производства Sparśa чаще всего используется сорт Musa paradisiaca (группа AAB), известный под местным названием Malbhog. Банановое растение созревает за 9-12 месяцев и непрерывно формирует листья из сердцевины. Эти перекрывающиеся листовые влагалища образуют псевдостебель, который растет до начала цветения. После плодоношения и сбора урожая псевдостебель срезают у основания, поскольку каждый стебель дает бананы только один раз. Обрезание стебля также стимулирует рост следующего псевдостебля с того же растения. За свой жизненный цикл банановое растение может создать около 25 псевдостеблей, каждый из которых растет с разной скоростью и собирается в разное время.

Этот сельскохозяйственный цикл приводит к образованию большого количества отходов. Каждой собранной грозди бананов соответствует один псевдостебель весом около 30-40 кг. Фермеры часто сжигают эти стебли или оставляют их гнить на поле. Для сжигания требуется керосин или другие ускорители, поскольку стебли очень влажные, что приводит к выбросу парниковых газов и образованию густого дыма. На перегнивание стеблей уходят месяцы, и они занимают значительное пространство на фермерских землях.

К основным районам Непала, где выращивают бананы, относятся Моранг, Джхапа, Саптари, Читван, Кайлали и Навалпараси. В масштабах страны банановое хозяйство занимает около 21 413 гектаров и ежегодно производит примерно 1 284 780 тонн сельскохозяйственных отходов. Среди этих районов выделяется муниципалитет Суста в Навалпараси, где выращивается почти 2 200 гектаров бананов - одна из самых высоких концентраций в Непале - и где образуется около 132 000 тонн отходов в год. Именно здесь компания Sparśa выбрала место для создания своей фабрики по добыче волокна.

Фермерские общины Susta работают под руководством сообщества и с энтузиазмом отнеслись к сотрудничеству с нами, что сделало партнерство практичным и эффективным. Район был стратегически и социально подходящим: сырье в изобилии, а транспортные расстояния невелики, что позволяет перерабатывать стволы в течение 72 часов, сохраняя качество волокна. В то же время Susta сталкивается с глубоко укоренившимися социальными проблемами. Женщины имеют ограниченные возможности за пределами домашнего хозяйства и зачастую не имеют равных прав и представительства в процессе принятия решений в общине. Стигма, связанная с менструацией, по-прежнему сильна. Основание фабрики здесь позволило нам создать достойную работу для женщин, поддержать их финансовую независимость и проводить образовательные кампании по вопросам менструального здоровья и экологической устойчивости.

Компания Sparśa разработала модель циркулярной экономики, которая превращает сельскохозяйственные отходы в выгоду. Банановые стволы бесплатно собираются у фермеров после сбора урожая, а взамен фабрика предоставляет органический компост, произведенный из остатков извлечения волокон. Такой неденежный обмен позволяет сократить количество отходов, поддержать плодородие почвы и установить долгосрочные доверительные отношения с фермерами.

Волокна банановых растений на 60-65% состоят из целлюлозы, в меньшей степени из гемицеллюлозы (6-19%), лигнина (5-10%), пектина (3-5%), золы (1-3%) и экстрактивных веществ (3-6%). Как только псевдостебель попадает на фабрику, его оболочки отделяются. Степень зрелости волокон зависит от положения оболочки в стебле: в наружных слоях обычно получаются более жесткие волокна, а во внутренних - более мягкие. В результате извлечение может быть несколько неоднородным, если операторы не сортируют и не отделяют оболочки должным образом. В среднем из одного псевдостебля можно извлечь 11 пригодных для использования внешних листьев.

На предприятии Sparśa по добыче волокна стволы перерабатываются в волокна, используемые для изготовления компостируемых менструальных прокладок. Стволы должны быть переработаны в течение 72 часов, поскольку содержание влаги в них составляет 90-92 %. Задержка с переработкой провоцирует разложение и ферментацию, вызывая обесцвечивание, неприятный запах и разложение микроорганизмами. Выход волокна остается низким: из 20-килограммового псевдостебля получается около 150 граммов сухого волокна, при этом большое количество остатков перерабатывается в компост.

Дополнительные рабочие привлекаются сезонно на 3-4 месяца (август-ноябрь) для сбора урожая, резки и транспортировки стволов с полей на фабрику. Основные эксплуатационные расходы включают в себя оплату труда и транспортировку на тракторе. Приблизительно 6 772 м² ферм могут ежегодно поставлять достаточное количество псевдостеблей для постоянного производства волокна.

После сбора банановых плодов фермеры обычно выбрасывают псевдостебель, который часто называют стволом и который на самом деле содержит ценные натуральные волокна в своих многослойных оболочках. Однако прежде чем приступить к извлечению волокон, псевдостебель необходимо разделить по длине, чтобы обнажить отдельные оболочки. Этот шаг необходим для эффективного разделения и значительно снижает усилия оператора при извлечении.

Первоначально компания Sparśa использовала нож для резки псевдостеблей на основе циркулярной пилы, который позволял работникам разделять стебли на половинки. Несмотря на свою функциональность, эта ранняя версия требовала от операторов постоянно поднимать, балансировать и вручную проталкивать тяжелые псевдостебли через лезвие. Это делало процесс физически тяжелым, трудоемким и утомительным. Это также ограничивало производительность, поскольку одновременно можно было обрабатывать только один стебель, а усталость оператора быстро замедляла рабочий процесс. Эти ограничения делали общий процесс производства волокна менее эффективным и затрудняли длительную работу.

Для устранения этих ограничений был разработан новый и усовершенствованный стволорез. В модернизированной модели вместо ручного толкания используется цепной и звездочный механизм подачи, который автоматически захватывает и продвигает псевдоствол к зоне резания. Вместо дисковой пилы в машине используются два перпендикулярных режущих ножа, расположенных таким образом, чтобы разделить стебель на две половины за один проход. Эта интегрированная система обладает рядом преимуществ:

• Снижение физической нагрузки: Операторам больше не нужно толкать тяжелые стебли вручную.
• Более высокая производительность: Непрерывная автоматизированная подача обеспечивает более быструю и стабильную производительность.
• Повышенная безопасность: Охрана и контролируемое расстояние подачи позволяют операторам не приближаться к движущимся лезвиям.
• Более точная резка: Автоматическая подача обеспечивает постоянное выравнивание реза.

Процесс происходит следующим образом:

1. Размещение: Псевдостебель помещается на платформу цепной подачи.
2. Зацепление: Цепи и звездочки надежно захватывают стебель и направляют его вперед.
3. Срезание: Стебель проходит через два перпендикулярных ножа, которые аккуратно разделяют его на половинки.
4. Выход: Разрезанные части падают на сторону сбора, где их можно вручную очистить от кожуры для извлечения волокон.

После разделения операторы вручную снимают каждый слой оболочки. Каждая оболочка содержит волокнистую зону и более мягкие внутренние ткани. Операторы обрезают неволокнистые края с помощью ножа, чтобы удалить участки с небольшим количеством волокон или вообще без них, гарантируя, что только богатый волокнами материал попадет в машину для извлечения.

Этот усовершенствованный нож значительно облегчил работу с материалом, снизил утомляемость оператора и обеспечил большую последовательность в процессе экстракции. Кроме того, он делает процесс доступным для работников с меньшей физической силой, включая женщин, которые составляют ключевую часть персонала Sparśa.

Добыча бананового волокна - это экологичный способ превратить сельскохозяйственные отходы в высокоценный природный материал. После сбора урожая плодов псевдостебель банана - обычно выбрасываемый - богат длинными, прочными волокнами, пригодными для производства биоразлагаемых продуктов, текстиля, веревок, бумаги и гигиенических прокладок.

Чтобы эффективно и стабильно извлекать эти волокна, компания Sparśa разработала полуавтоматическую машину для извлечения банановых волокон, которая значительно повышает производительность и качество по сравнению с ручным соскабливанием.

Машина представляет собой систему с приводом от двигателя, в которой используется вращающийся барабан, оснащенный скребковыми лезвиями, приводимый в движение электродвигателем мощностью 3 л.с. Во время работы оператор вручную подает оболочки бананов между вращающимся валом и неподвижной опорной планкой. Когда оболочка проходит через него, лезвия соскабливают мясистый внешний материал, отделяя и высвобождая чистые волокна. Регулируемая система прижима роликов позволяет оператору точно настроить зазор в зависимости от толщины оболочки, обеспечивая более плавную работу и высокое качество продукции.

Простая ременно-роликовая передача передает энергию от двигателя к барабану. Система была специально разработана таким образом, чтобы не требовать особого обслуживания, легко ремонтироваться в сельских мастерских и быть полностью совместимой с компонентами, доступными на местных рынках. Компактная сварная рама обеспечивает устойчивость даже при длительных рабочих циклах.

В типичных условиях машина производит около 5 кг сухого волокна за 6-8 часов рабочего дня, в зависимости от сорта бананов, состояния оболочки, остроты лезвий и квалификации оператора.

Подробные этапы работы:

1. Подготовка:
   Псевдостебли бананов собираются, разделяются, очищаются от кожуры и обрезаются до длины около 1-1,5 м.
2. Подача:
   В машину подается по одной оболочке, при этом давление роликов регулируется в зависимости от влажности и толщины оболочки.
3. Извлечение:
   Вращающийся барабан удаляет насыщенную водой ткань и освобождает заложенные волокна. Процесс повторяется на обеих половинах оболочки для достижения максимального выхода.
4. Сушка и хранение:
   Извлеченные волокна сушат на солнце или помещают в солнечную сушилку на 1-1,5 дня в зависимости от погоды. После высыхания их связывают в пучки и хранят до следующего этапа обработки.

Технологическая цепочка начинается после сбора банановых псевдостеблей с близлежащих плантаций. Каждый псевдостебель состоит из плотно прилегающих друг к другу листовых оболочек. Сначала удаляются внешние влагалища и листья, чтобы обнажить пригодные для использования внутренние слои. С помощью стволорезки псевдостебель разрезается пополам по длине, что значительно облегчает очистку от оболочек и ускоряет процесс извлечения.

Затем отделенные оболочки поступают в полуавтоматический аппарат Sparśa для извлечения банановых волокон. Каждая оболочка содержит несколько слоев с различным соотношением волокнистого материала и мягкой внутренней ткани. Во время извлечения один конец оболочки вставляется в машину, а оператор держит другой конец. Вращающийся барабан и скребущие лезвия разрушают материал внутренней стенки, высвобождая встроенные волокна. При этом соскабливается более мягкий, богатый водой внутренний слой. Оператор повторяет процесс извлечения с обоих концов оболочки, чтобы добиться максимального извлечения волокон.

Для достижения наилучшего качества волокна экстракция должна быть произведена в течение 72 часов после сбора псевдостебля. При содержании влаги 90-92 % стебли быстро разлагаются. Задержка с переработкой приводит к брожению, обесцвечиванию и неприятному запаху, что ухудшает качество получаемого волокна.

На фабрике по производству волокна Sparśa работают три вытяжные машины, каждая из которых производит около 3 кг сухого волокна в день, что в сумме дает около 9 кг в день. Операторы обычно становятся опытными в течение одной недели после обучения, и их эффективность заметно повышается с опытом, что приводит к более стабильному выходу волокна.

Добытые волокна длиной около четырех футов сушат сразу после добычи. Сушка происходит либо на солнце, либо в специальной солнечной сушилке площадью 251,712 кв. фута. Солнечная сушка занимает 1-1,5 дня летом и до 3 дней зимой, в зависимости от погодных условий. После полной сушки волокна связываются в пучки и хранятся до следующего этапа.

Далее волокна перерабатываются в бумагу. Длинные волокна разрезаются на более мелкие куски для облегчения обработки, промываются для удаления примесей и подаются в битер Hollander, где они взбиваются в однородную суспензию.

Поскольку готовая бумага используется в санитарно-гигиенических изделиях, гигиена и контроль микроорганизмов имеют большое значение. Поэтому мы кипятим суспензию после взбивания, а не варим сырые волокна. Взбивание занимает много времени, и если бы волокна варились заранее, то длительный период обработки увеличил бы риск загрязнения. Кипячение суспензии после взбивания сводит к минимуму рост микроорганизмов и позволяет сразу приступить к формированию листа, обеспечивая производство бумаги с соблюдением санитарно-гигиенических норм.

После варки суспензия разбавляется водой в большом чане, чтобы достичь нужной консистенции для формирования листа. В чан погружают сетчатую раму, чтобы тонкий, равномерный слой волокон осел на ее поверхности и образовал первоначальный влажный лист. Затем этот лист помещается под прессовальную машину, которая удаляет излишки воды и уплотняет волокна. Наконец, спрессованные листы переносятся в солнечную сушилку, где они высыхают и превращаются в прочную и долговечную бумагу из банановых волокон.

Использование волокна

Банановое волокно - это универсальный природный материал, который применяется в текстиле, веревках, коврах, геотекстиле, ремесленном производстве, бумажной продукции и экологичной упаковке. Он ценится за свою прочность, биоразлагаемость и возобновляемость. Во всем мире продолжаются исследования банановой биомассы как устойчивой альтернативы синтетическим волокнам, поддерживающей модели циркулярной экономики и сокращающей количество сельскохозяйственных отходов.

В компании Sparśa основное внимание уделяется производству бумажного бананового волокна, которое используется в качестве абсорбирующей основы компостируемых менструальных прокладок Sparśa. Это соответствует целям проекта: создание экологически ответственных средств гигиены, снижение загрязнения окружающей среды пластиком и демонстрация того, как сельскохозяйственные отходы могут быть преобразованы в социально значимое решение.

При выращивании бананов образуется большое количество отходов, включая псевдостебли, непригодные для извлечения волокна, листья и навозную жижу, образующуюся в процессе извлечения волокна. Вместо того чтобы сжигать эту биомассу или оставлять ее гнить - оба этих способа способствуют выбросу парниковых газов, - компания "Спарса" перерабатывает ее в органический компост. Такой подход снижает выбросы метана, поддерживает здоровье почвы и укрепляет миссию безотходности проекта.

Используемые отходы

• Банановые листья (40 %) - нарезанные на мелкие кусочки (3-50 мм).
• Стволы бананов (35 %) - непригодные части, измельченные в свежем виде для более быстрого разложения.
• Суспензия (25 %) - волокнистые отходы, оставшиеся после извлечения, отжатые для удаления лишней воды.
• Биосахар (по желанию) - добавляется для улучшения аэрации, активности микроорганизмов и удержания питательных веществ.

Рецепт компоста направлен на достижение идеального соотношения углерода и азота (C:N) от 20:1 до 35:1, так как это соотношение влияет на активность микроорганизмов и скорость разложения.

Процедура компостирования:

1. Предварительно обработайте материалы: Измельчите листья и куски ствола до 3-50 мм. Отожмите суспензию, чтобы уменьшить влажность.
2. Взвесьте или оцените количество: Вначале используйте цифровые весы; позже работники могут оценивать по объему.
3. Тщательно перемешайте: Соедините ингредиенты в соотношении 40:35:25, чтобы получилась однородная компостная куча.
4. Отрегулируйте влажность: Добейтесь влажности 50-60%. Добавьте воды, если сухо; добавьте измельченных сухих листьев/ стволов, если слишком влажно.
5. Пометьте кучу: Пометьте каждую новую компостную кучу, указав дату, номер партии и состав.
6. Следите за условиями: Отслеживайте температуру, влажность и состояние кучи с помощью заводских листов контроля.

Температура измеряется на двух глубинах: 25 см и 50 см. Для правильного компостирования необходимо поддерживать температуру в пределах 55-65°C для обеззараживания. Постоянное падение температуры или неравномерное распределение тепла внутри кучи указывает на необходимость ее переворачивания. Во избежание перегрева следует избегать экстремальных температур (>75°C).

Через 4-5 месяцев компост становится стабильным, рассыпчатым, без запаха и готовым к использованию в сельском хозяйстве. Готовый компост обогащает почву, снижает зависимость от химических удобрений и обеспечивает полную утилизацию отходов банановых растений.