Uwłóknianie słomy zbożowej

Słoma zbożowa jest ciągle mało wykorzystywanym surowcem naturalnym. We włókiennictwie i innych gałęziach przemysłu znalazły przede wszystkim zastosowanie inne włókna roślinne z takich roślin jak: bawełna, len, konopie, juta, sizal, kokos. Własności użytkowe słomy zbożowej stały się inspiracją do opracowania w łódzkim oddziale Instytutu Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich innowacyjnej technologii jej przerobu, na drodze modyfikacji jej postaci przy jednoczesnym zachowaniu jej własności.

Słoma zbożowa to dojrzałe lub wysuszone źdźbła roślin. Używanie tego określenia zostało przyjęte w odniesieniu do roślin zbóż, lnu i rzepaku. Słoma jest tworzywem naturalnym, które może przetrwać wiele lat w określonych warunkach. Np. znajdowano słomę w suchych warunkach grobowców egipskich czy też zamarzniętą w lodowcach. Jednak, w innych warunkach, słoma zbożowa powoli rozkłada się, podobnie jak wszystkie naturalne materiały typu: papier, drewno, włókna naturalne i wyroby z nich wykonane. Szybkość tych procesów w sposób istotny wyraźnie zależy od warunków przechowywania, głównie od wilgotności i temperatury. Słoma zbożowa jako pozostałość produkcji nasiennej roślin ma szerokie zastosowanie w produkcji rolniczej, ogrodniczej, w budownictwie, a ostatnio także w energetyce. Słoma posiada wysoką zawartość suchej masy (ok. 85%) oraz ma wysokie zdolności sorpcyjne. Jest jednym z najlepszych naturalnych sorbentów wilgoci przy czym krzywe sorpcji i desorpcji prawie się pokrywają tworząc histerezę o bardzo małym polu powierzchni.

Foto1. Próbka słomy do przerobu.

Najstarszą formą zagospodarowania słomy było i jeszcze jest używanie jej jako materiału ściółkowego. Stosowana jako nawóz w glebie w postaci obornika powoduje powstawanie próchnicy, która jest formą przemiany biologicznej. Jedną z dalszych form zagospodarowania słomy jest produkcja pasz, gdzie drobno pocięta słoma zbożowa tzw. sieczka stanowiła główny składnik karmy zwierzęcej. Znane są również inne sposoby wykorzystania słomy. W rolnictwie stosowana jest do zabezpieczania kopców z ziemniakami, a w przemyśle do produkcji materiałów (mat) izolacyjnych dla ogrodnictwa i budownictwa. Dawniej słoma zbożowa, zwłaszcza żytnia, była wykorzystywana także do krycia strzech budynków gospodarskich, była też wykorzystywana w gospodarstwach domowych jako wkłady do łóżek, tzw. sienniki, spełniające rolę materaca.

Foto 2. Ultradźwiękowe urządzenie pralnicze.

Przemiany gospodarcze i rozwój hodowli przemysłowej zwierząt spowodowały, że znaczenie słomy zbożowej w gospodarstwie rolnym zdecydowanie spadło. Obecnie w dużych ilościach słoma przetwarzana jest na brykiety przeznaczone do spalania celem ogrzewania m.in. budynków mieszkalnych i gospodarczych.
Obserwowane w ostatnich latach częste wypalanie, po żniwach, nadwyżek słomy na polu jest zjawiskiem nagannym. Jest nieracjonalną formą jej zagospodarowania. Spalanie słomy na polu stanowi wymierną stratę gospodarczą i powoduje degradację środowiska naturalnego. Nadprodukcja słomy w Polsce w latach 1975-1997, miała tendencję rosnącą, osiągając wg różnych źródeł ok. 20 mln ton rocznie. Według aktualnych danych statystycznych w Polsce corocznie uzyskuje się ok. 30 mln ton słomy, z czego ok. 20 mln ton zużywa się na cele rolnicze, a pozostałe 10 mln ton można wykorzystać dla innych celów. Dużo jest doniesień literaturowych o problemach ze słomą w USA i Kanadzie, gdyż są to kraje posiadające wysoko rozwinięte rolnictwo. Stosowanie słomy jako paliwa ze względu na jej budowę jest podstawową przyczyną różniącą ją jako nośnika energii od węgla, oleju czy gazu. Przestrzenno-rurkowa budowa źdźbła słomy powoduje, że jest to materiał objętościowy, w którego strukturze występuje powietrze. W okresie wegetacji źdźbło rosnącego zboża na powierzchni pokryte jest związkami tlenku krzemu, chlorków fosforu, potasu i azotu. Związki te mają zadanie usztywniania źdźbła słomy i zabezpieczania go przed wpływem zewnętrznych czynników atmosferycznych. Fakt ten stwarza określone problemy w czasie energetycznego wykorzystywania słomy. Głównie chodzi o sposób i miejsce podawania powietrza w kotle w trakcie spalania, prowadzenie temperatury ognia w kontekście tworzenia się dioksyn i korozyjnego oddziaływania związków azotu na wewnętrzną konstrukcję kotła.

Foto 3. Laboratoryjne urządzenie do uwłókniania słomy zbożowej.

Słoma zbożowa jest ciągle mało wykorzystywanym surowcem naturalnym. We włókiennictwie i innych gałęziach przemysłu znalazły przede wszystkim zastosowanie inne włókna roślinne z takich roślin jak: bawełna, len, konopie, juta, sizal, kokos. Te ostatnie stosuje się głównie do wytwarzania włókienniczych materiałów włókninowych (mat) z przeznaczeniem na materiały ocieplające, wypełniające (materace) i elementy ochronne o dobrych właściwościach pochłaniania energii. W roślinach włóknistych (len, konopie, juta) włókno stanowi ich najbardziej wytrzymały element konstrukcyjny, zaś pozostała część to fragmenty zdrewniałe (paździerze), łatwe do usunięcia. Zupełnie inną budowę posiada źdźbło słomy zbożowej, w którym łańcuchy celulozowe sklejone razem klejami pektynowymi tworzą przestrzenną strukturę o kształcie rurki. Całe źdźbło jest podzielone na odcinki tzw. kolankami, miejscami zdrewniałymi o specjalnej strukturze.
Własności użytkowe słomy zbożowej stały się inspiracją do opracowania w łódzkim oddziale Instytutu Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich innowacyjnej technologii jej przerobu, na drodze modyfikacji jej postaci przy jednoczesnym zachowaniu jej własności. Istota technologii (której autorami są dr inż. Zdzisław Czaplicki, dr inż. Kazimierz Ruszkowski i prof. dr Ryszard Kozłowski) polega na tym, że słoma zbożowa jest poddawana różnym operacjom cząstkowym, w wyniku których następuje jej rozpad na włóknistą masę. Wytworzone ze słomy włókna podlegają dalszemu uszlachetnianiu aż do uzyskania surowca możliwego do przetwarzania na typowych maszynach włókienniczych. Uwłókniona słoma zbożowa według opracowanej technologii może być wykorzystywana w mieszankach z włóknem kokosu lub odpadowymi włóknami lnu i konopi do produkcji mat o różnym przeznaczeniu.

Foto 4. Próbka uwłóknionej słomy zbożowej.

Proces uwłókniania słomy zbożowej składa się z szeregu operacji cząstkowych Przygotowanie słomy do przerobu – obejmuje pozbawienie słomy kłosów i ich pozostałości oraz pocięcie słomy na odcinki odpowiadające długości ultradźwiękowej wanny pralniczej (fot. 1). Usunięcie ze słomy pektyn i zanieczyszczeń – pocięta słoma na odpowiednią długość jest umieszczana w pralnicy ultradźwiękowej i poddawana obróbce w kąpieli piorącej zawierającej mydło i sodę. Temperatura kąpieli wynosi 60-80^oC, czas prania 30 min. Po wypraniu słoma jest dwukrotnie płukana raz w wodzie o temp. 60-80^oC, drugi raz w wodzie zimnej (fot.2). Kalandrowanie słomy – wyjęta z pralnicy słoma po odciśnięciu wody bez suszenia jest poddawana kalandrowaniu. W czasie kalandrowania następuje usunięcie ze słomy nadmiaru wilgoci, spłaszczenie źdźbeł słomy oraz degradacja występujących w niej tzw. kolanek. Kotonizacja mechaniczna – polega na poddaniu cienkiej warstwy słomy (po kalandrowaniu) oddziaływaniu taśmowych obić zgrzebnych na specjalnym urządzeniu (fot.3). W efekcie następuje wzdłużne podzielenie źdźbeł słomy na pojedyncze włókna o znacznej elastyczności (fot.4).
Uwłókniona słoma zbożowa może być poddawana procesowi uszlachetniania, w skład którego wchodzą trzy operacje. Kotonizacja enzymatyczna – polega na obróbce uwłóknionej słomy wytworzonej w sposób mechaniczny roztworem preparatu enzymatycznego o nazwie Pektopol”. Kotonizacja odbywa się w kąpieli wodnej zawierającej w jednym dm³ 2 g preparatu KDK oraz 15 g/kg włókna “Pektopolu”. Temperatura kąpieli wynosi 55^oC i czas obróbki 60 min. Teksturowanie – wilgotną kotoninę pochodzenia mechanicznego lub enzymatycznego skręca się w linę. Po wysuszeniu w temp. otoczenia lub korzystnie w suszarce komorowej linę rozkręca się i rozluźnia zawarte w niej włókna. Nawilżanie – teksturowane włókno pochodzące z uwłóknionej słomy jest poddawane nawilżaniu poprzez natrysk roztworu typowego środka nawilżającego (natłustki) w ilości do 15% masy włókna i składowanie w szczelnym pojemniku przez czas ok. 24 godzin.
Korzyści techniczne i ekonomiczne z zastosowania technologii uwłókniania wynikają głównie z niskiej ceny słomy zbożowej. Stosunkowo kosztowne operacje uwłókniania są i tak niższe niż koszty zakupu i przerobu porównywalnych włókien kokosowych. Ważnym aspektem zagadnienia jest również możliwość wykorzystania w procesach pozyskiwania i przetwarzania kotoniny z uwłóknionej słomy maszyn i urządzeń stosowanych w przetwórstwie krajowych włókien naturalnych. Ograniczenia krajowych upraw lnu i konopi powodują, że znaczna liczba maszyn i urządzeń do ich przerobu pozostaje niewykorzystana. Efekty ekonomiczne wynikające z zastosowania technologii, to głównie:
– obniżenie ceny surowców do wytwarzania produktów z udziałem włókna kokosu,
– ograniczenie importu włókien kokosowych,
– zagospodarowanie znacznych ilości słomy zbożowej przeznaczonej obecnie na spalanie,
– możliwość wytwarzania nowych, tańszych produktów z dużym udziałem kotoniny z uwłóknionej słomy zbożowej.
Uwłókniona słoma zbożowa ze względu na swoje właściwości będzie mogła być wykorzystywana w znacznych ilościach we włókiennictwie, głównie w wyrobach technicznych (maty ocieplające, dezynfekcyjne, materace itp.). Sposób uwłókniania słomy zbożowej, jak i wytwarzane produkty z jej udziałem będą oryginalne w skali światowej i stanowią istotny postęp w dziedzinie innowacyjnych technologii.
Sposób uwłókniania słomy zbożowej był prezentowany na trzech światowych wystawach wynalazków (Bruksela, Seul, Rumunia) i uzyskał dyplomy i medale – jeden brązowy i dwa złote oraz wyróżnienie specjalne.
Technologia uwłókniania słomy została zgłoszona do Urzędu Patentowego (BUP. RP nr 12. Warszawa 2010).

Dr inż. Zdzisław Czaplicki
Instytut Włókien Naturalnych i Roślin Zielarskich w Poznaniu
mail: zczaplicki@wp.pl