利用可复制的机器设计实现可持续香蕉纤维提取和堆肥

香蕉是世界上产量第二大的水果，在北纬 40 度和南纬 40 度之间的热带和亚热带地区均有种植。在尼泊尔，斯帕希亚生产中最常使用的品种是Musa paradisiaca（AAB 组），当地人称之为 Malbhog。香蕉植株需要 9-12 个月才能成熟，并不断从核心形成叶片。这些重叠的叶鞘形成假茎，一直生长到开花。结果和收获后，假茎会被从基部剪掉，因为每根茎只能结一次香蕉。砍掉茎还能刺激同一植株的下一个假茎生长。在整个生命周期中，一株香蕉可能会产生约 25 个假茎，每个假茎的生长速度不同，收获的时间也不同。

这种农业周期会产生大量废物。每收获一串香蕉就会产生一个假茎，重约 30-40 公斤。农民通常会焚烧这些茎，或让它们在田里腐烂。焚烧需要使用煤油或其他助燃剂，因为茎干非常潮湿，会导致温室气体排放和浓烟。让茎腐烂需要几个月的时间，而且会占用大量农田空间。

尼泊尔的主要香蕉种植区包括莫朗（Morang）、贾帕（Jhapa）、萨普特里（Saptari）、奇旺（Chitwan）、凯拉利（Kailali）和纳瓦尔帕拉西（Nawalparasi）。全国香蕉种植面积约为 21 413 公顷，每年产生约 1 284 780 吨农业废弃物。在这些地区中，纳瓦尔帕拉西的苏斯塔市尤为突出，该市有近 2,200 公顷的种植面积，是尼泊尔种植面积最集中的地区之一，每年产生约 132,000 吨废物。斯帕尔希亚公司选择在这里建立纤维提取工厂。

苏斯塔的农业社区以社区为主导，对与我们的合作持开放和热情的态度，这使得双方的合作既务实又有影响力。该地区在战略和社会方面都非常适合：原材料丰富，运输距离短，可确保在 72 小时内处理树干，以保证纤维质量。与此同时，Susta 也面临着根深蒂固的社会挑战。妇女走出家门的机会有限，在社区决策中往往缺乏平等权利和代表权。经期耻辱感依然强烈。在这里建立工厂使我们能够为妇女创造有尊严的就业机会，支持她们经济独立，并围绕月经健康和环境可持续性开展教育活动。

斯帕希亚开发了一种循环经济模式，将农业废弃物转化为机遇。香蕉收获后，香蕉树干由农民免费收集，作为回报，工厂提供从纤维提取残渣中生产的有机堆肥。这种非货币交换减少了浪费，提高了土壤肥力，并与农民建立了长期信任。

香蕉植物纤维中含有 60-65% 的纤维素，以及少量的半纤维素（6-19%）、木质素（5-10%）、果胶（3-5%）、灰分（1-3%）和萃取物（3-6%）。假茎到达工厂后，鞘会被分离。纤维的成熟度取决于鞘在茎秆中的位置--外层通常产生较硬的纤维，而内层则产生较软的纤维。因此，除非操作人员对茎鞘进行适当的分级和分离，否则茎鞘的提取可能会略微不均匀。平均而言，每个假茎可提取 11 片可用的外叶。

斯帕希亚的纤维提取设施将树干加工成纤维，用于制造可堆肥的月经垫。树干必须在 72 小时内处理完毕，因为其含水量高达 90-92%。延迟加工会引发分解和发酵，导致变色、异味和微生物降解。纤维产量仍然很低：一根 20 千克的假茎可产生约 150 克干纤维，留下的大量残渣则转化为堆肥。

在 3-4 个月（8 月至 11 月）的季节性时间里，还需要雇用额外的工人来收割、切割树干，并将树干从田间运到工厂。主要运营成本包括劳动力和拖拉机运输费用。大约 6,772 平方米的农场每年可提供足够的假茎，以保证纤维的稳定生产。

收获香蕉果实后，果农通常会丢弃假茎（通常称为树干），而假茎的分层鞘中实际上蕴藏着宝贵的天然纤维。然而，在开始提取纤维之前，必须纵向劈开假茎，露出单个鞘。这一步骤对于高效分离至关重要，可大大减少提取过程中操作人员的工作量。

最初，斯帕尔萨公司使用的是一种圆锯式假茎切割器，工人可以将茎劈成两半。这种早期版本虽然功能强大，但操作员需要不断抬起、平衡并手动将沉重的假茎推过刀片。这使得整个过程耗费体力、时间和精力。它还限制了吞吐量，因为一次只能处理一根茎，操作员的疲劳很快就会减缓工作流程。这些限制使得整个纤维生产过程效率低下，工作时间长。

为了解决这些限制，我们设计了一种新型的改进型树干切割机。升级后的型号用链条和链轮进给装置取代了人工推动，该装置可自动抓取假茎并将其推向切割区。该机器不依赖圆锯片，而是使用两个垂直的切割刀片，一次将茎干分成两半。这种集成系统具有以下几个优点

• 减轻体力负担：操作员不再需要手动推动沉重的茎杆。
• 产量更高：连续自动进料可实现更快、更一致的产出。
• 提高安全性：防护装置和可控的进料距离使操作员远离移动的刀片。
• 切割更精确：自动送料可保持切割对齐。

工作过程如下：

1. 放置：将假茎放置在链式送料平台上。
2. 啮合：链条和链轮牢牢抓住茎杆并引导其前进。
3. 切割：茎干通过两个垂直的刀片，刀片将茎干干净利落地切成两半。
4. 输出：切割后的茎秆落在收集侧，可以手动剥离，提取纤维。

分割后，操作员用手剥离每一层鞘。每个鞘都包含纤维区和较软的内部组织。操作员用刀修剪非纤维边缘，去除纤维较少或没有纤维的部分，确保只有富含纤维的材料才能进入提取机。

改进后的切割机大大方便了材料的处理，减轻了操作员的疲劳，并提高了提取工作流程的一致性。它还使体力较差的工人，包括构成斯帕希亚劳动力重要组成部分的妇女，也能使用这种工艺。

香蕉纤维提取提供了一种将农业废弃物转化为高价值天然材料的可持续方法。果实收获后，香蕉假茎--通常被丢弃--富含长而耐用的纤维，适用于生物降解产品、纺织品、绳索、纸张和卫生护垫。

为了高效、稳定地提取这些纤维，斯帕希亚公司开发了一种半自动香蕉纤维提取机，与人工刮削相比，它能显著提高产量和质量。

该机器是一个电机驱动系统，使用一个装有刮刀的旋转滚筒，由一个 3 HP 电机驱动。操作时，操作员手动将香蕉鞘送入旋转滚筒和固定支撑杆之间。当香蕉鞘通过时，刀片刮掉外层的肉质材料，分离并释放出干净的纤维。可调辊筒压力系统允许操作员根据外皮厚度对间隙进行微调，从而确保更平稳的操作和更高质量的产出。

简单的皮带和滑轮传动装置将能量从电机传递到滚筒。该系统的设计初衷是维护成本低，便于农村车间维修，并与当地市场上的部件完全兼容。其紧凑的焊接框架即使在长时间运行时也能保持稳定。

在典型条件下，该机器每工作 6-8 小时可生产约 5 公斤干纤维，具体取决于香蕉品种、鞘状况、刀片锋利程度和操作员技能。

详细工作步骤

1. 准备工作：
   收集香蕉假茎，分割，剥皮成鞘，修剪成约 1-1.5 米长。
2. 喂食：
   每次将一个香蕉鞘送入机器，根据香蕉鞘的含水量和厚度调整滚筒压力。
3. 抽取：
   旋转滚筒去除富含水分的组织并释放嵌入的纤维。该过程在两半鞘上重复进行，以最大限度地提高产量。
4. 干燥和储存：
   根据天气情况，将提取的纤维晒干或放入太阳能烘干机中烘干 1-1.5 天。干燥后，将其捆绑储存，以备下一加工阶段使用。

加工链始于从附近种植园采集香蕉假茎之后。每个假茎都由紧密重叠的叶鞘组成。首先去除外层叶鞘和叶片，露出可用的内层。使用树干切割机将假茎纵向切成两半，这样可以大大方便剥离叶鞘，加快提取过程。

然后，分离出来的鞘被送入斯帕希亚的半自动香蕉纤维提取机。每个鞘都包含多层不同比例的纤维材料和内部软组织。在提取过程中，香蕉鞘的一端插入机器，操作员握住另一端。旋转的滚筒和刮刀会分解内壁材料，释放出嵌入的纤维。在此过程中，较软、富含水分的内层会被刮掉。操作员在护套的两端重复抽取，以最大限度地回收纤维。

为了获得最佳的纤维质量，必须在采收假茎后 72 小时内进行提取。假茎的含水量为 90-92%，很快就会腐烂。延迟加工会导致发酵、变色和异味，所有这些都会影响纤维的质量。

斯帕尔萨纤维厂有三台萃取机，每台每天生产约 3 公斤干纤维，合计日产量约为 9 公斤。操作员通常在接受培训后一周内就能熟练操作，随着经验的积累，他们的效率会明显提高，从而使纤维产量更加稳定。

提取的纤维长度约为四英尺，提取后立即进行干燥。干燥可在阳光下或专用的 251.712 平方英尺太阳能干燥器中进行。根据天气条件，夏季太阳能干燥需要 1-1.5 天，冬季最多需要 3 天。完全干燥后，纤维会被捆绑并储存起来，以备下一阶段使用。

接下来，纤维被提炼成纸。长纤维被切成小块，以便于加工，清洗以去除杂质，然后送入霍兰德打浆机，打成均匀的浆液。

由于最终的纸张将用于卫生用品，因此卫生和微生物控制至关重要。因此，我们在打浆后对浆料进行煮沸，而不是对纤维原料进行预煮。打浆需要很长时间，如果事先煮沸纤维，延长的加工时间会增加污染风险。通过煮沸打浆后的浆料，我们可以最大限度地减少微生物的滋生，之后可以直接进行纸页成型，确保卫生级纸张的生产。

蒸煮后，浆料在大桶中加水稀释，以达到纸页成型所需的浓度。将网框浸入大桶中，让一层薄而均匀的纤维沉淀在网框上，形成最初的湿纸页。然后将湿纸放在压片机下，去除多余的水分并压实纤维。最后，压制好的纸页被转移到太阳能烘干机中，烘干后就成了结实耐用的香蕉纤维纸。

纤维用途

香蕉纤维是一种用途广泛的天然材料，可用于纺织品、绳索、地毯、土工织物、手工艺品、纸制品和环保包装。它因其强度、生物可降解性和可再生性而备受推崇。在全球范围内，研究人员继续探索香蕉生物质作为合成纤维的可持续替代品，支持循环经济模式并减少农业废弃物。

斯帕希亚的主要重点是生产纸质香蕉纤维，用作斯帕希亚可堆肥月经垫的吸收芯。这符合该项目的目标，即创造对环境负责的卫生产品，减少塑料污染，并展示如何将农业废弃物转化为具有社会影响力的解决方案。

香蕉种植会产生大量废弃物，包括不适合提取纤维的假茎、树叶和提取纤维过程中产生的泥浆。与焚烧或任其腐烂这两种造成温室气体排放的做法不同，Sparśa 将这些生物质转化为有机堆肥。这种方法减少了甲烷排放，有利于土壤健康，并强化了项目的零废弃使命。

使用的废料

• 香蕉叶（40%）--切成小块（3-50 毫米）。
• 香蕉树干（35%）--无法使用的部分，趁新鲜切碎，以加快分解。
• 泥浆（25%）--提取后剩余的纤维废料，压榨去除多余水分。
• 生物碳（可选）--添加生物碳可改善通气性、微生物活性和养分保留。

堆肥配方的目标是达到 20:1 至 35:1 的理想碳氮比（C:N），因为这一比例会影响微生物的活性和分解速度。

堆肥程序：

1. 预处理材料：将树叶和树干切成 3-50 毫米大小。压制泥浆以减少水分。
2. 称重或估算数量：开始时使用电子秤；之后，工人可按体积估算。
3. 充分混合：按 40:35:25 的比例混合原料，形成均匀的堆肥。
4. 调整水分：水分含量达到 50-60%。如果太干，可加水；如果太湿，可添加切碎的干树叶/树干。
5. 给堆肥贴标签：在每堆新堆肥上标注日期、批号和成分。
6. 监控条件：使用工厂的监测表跟踪温度、水分和堆肥状况。

温度在两个深度测量：25 厘米和 50 厘米。正确的堆肥要求温度保持在 55-65°C 之间，以便消毒。温度持续下降或内部热量分布不均表明需要翻堆。必须避免极端温度（>75°C），以防过热。

4-5 个月后，堆肥变得稳定、松软、无味，可用于农业。堆肥成品可肥沃土壤，减少对化肥的依赖，并确保香蕉废料得到充分利用。