DE1767024A1 - Filtermittel - Google Patents
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Description
F.O. BLJRRUS et Cie., 2926 Boncourt C Bern, Schweiz )
Filtermittel
Das vorliegende Patent betrifft ein Filtermittel zur selektiven Entfernung polarer Irritantien aus Tabakrauch.
Tabakrauch, wie er normalerweise beim"Rauchgenuss vom
Menschen aufgenommen wird, besteht aus einem vielfältigen
Gemisch von tausenden verschiedener. Komponenten. Neben echten Verbrennungsprodukten, wie Kohlendioxyd und Kohlenmonoxyd
finden sich darin Stickstoff und andere aus der Luft stammende Gase, sowie eine sehr grosse Zahl von
Destillations- und Pyrolyse-Produkten.
Unter den Destillationsprodukten, welche beim Näherrücken
der Glutzone aus dem Tabak durch Verdampfung in den Rauchstrom übergehen, findet man z.B. Paraffine, Wachse,
Terpene, viele flüchtige Sauren und Basen, sowie Aromas.toffe
aus den verschiedensten Stoffklassen. Das Nikotin,
sin wesentliches Element des Tabakrauches, wird seiner
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beschränkten Flüchtigkeit wegen (Siedepunkt 2470C) nur
zum Teil durch Destillation aus dem Tabak in den Rauch übergeführt, der Rest wird in der Nähe des Glutkegels durch
Hitze zersetzt.
Die Pyrolyseprodukte entstehen durch zufällige
Kombination oder Rekombination von Molekültrümmern, welche ■k ihrerseits durch Zerschlagung schwer- und nichtflüchtiger
Tabakinhaltsst£pffe (vor allem Polysaccharide und Polypeptide)
gebildet wurden. Entsprechend dem grossen Gewicht des Zufalles bei solchen Vorgängen umfassen die Pyrolyseprodukte
praktisch die gesamte, riesige Stoffauswahl der niedrigmolekularen organischen Chemie.
Oe nach ihrem Dampfdruck und ihrem Siedepunkt liegen nun die einzelnen Bestandteile des Tabakrauches bei normaler
Temperatur ausschliesslich oder teilweise in gasförmigen, bzw. flüssigem Zustand vor. Frischer Tabakrauch, wie er
das Mundstück-Ende einer Zigarette verlässt, enthält eine
riesige Zahl von Tröpfchen mit 0,1 bis 1 μ Durchmesser,
welche als Tailchenphase oder Partikelphase in dem durch
die Gasphase dargestellten, unsichtbaren Medium schweben.
Aus analytischen Gründen wurde früher bei der Untersuchung
des Tabakrauches und bei der Beurteilung seiner physiologischen Wirkung hauptsächlich die bei Raumtemperatur
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laicht kondensierbare Partikelphase (Rauchkondensat, oft
ungsnauerweise als "Teer" bezeichnet) in Betracht gezogen.
In neuerer Zeit hat jedoch die Entwicklung der Gaschromatographie
zur ausserordentlich leistungsfähigen Analysenmethode gewaltige Fortschritte in der Erforschung
der Zusammensetzung der Gasphase im Tabakrauch ermöglicht. Die systematischen Untersuchungen dieses gasförmigen Anteils haben
ergeben, dass darin verschiedene Stoffe auftreten, die wegen ihrer bekannten Reizwirkung auf die Schleimhäute
der Atemwege als gesundheitlich zweifelhaft angesehen werden müssen. Solche meist auch vom degustativen Gesichtspunkt
aus wenig erwünschten Stoffe haben nämlich die Eigenschaft, die Flimmerbewegung des Cilarepithels,_ durch die
Staubteilchen und andere Verunreinigungen mit der Schleimschicht
ständig nach aussen befördert werden, in ihrer normalen Funktion (Selbstreinigung der Atemwege) zu beeinträchtigen.
Die Entfernung solcher Irritantien aus dem *
Tabakrauch ist daher sowohl aus geschmacklichen wie aus
gesundheitlichen Ueberlegungen heraus erwünscht. ·
Die herkömmlichen Filterelemente für Tabakrauch
(Watte, Papier, Celluloseacetat) wirken in erster Linie auf mechanische Art, d.h. es wird vor allem ein mehr
oder weniger grosser Anteil der die Partikelphase bildenden
Rauchtröpfchen aufgehalten, 'währenddem die gasförmig
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vorliegenden Stoffe gar nicht oder nur in sehr geringem
Masse aus dem Gemisch entfernt werden»
Eine wirksame Verminderung des gasförmigen Anteils • des Tabakrauches wird seit einiger Zeit bei verschiedenen
Filterprodukten, namentlich bei Zigarettenfiltern, durch
die Verwendung von Aktivkohle (meistens in Verbindung mit schon erwähnten mechanischen Filterelementen) erzielt. Die
bei der Aktivkohle auftretende riesige Gberflächenvergrösserung
wirkt nicht mehr auf die Tröpfchen der Partikelphase, sondern auf die gasförmigen Stoffe, die je nach ihrem
Dampfdruck mehr oder weniger stark adsorbiert werden.
Die feinanalytische Auftrennung der Gasphase des Tabakrauches, wie sie mit Hilfe von polar imprägnierten
Glaskapillaren (Grob, K. HeIv.Chim. Acta, 48 (1965)
Seiten 1362 - 1370) ermöglicht wird, gestattet eine objektive
und genaue Beurteilung der Adsorptionswirkung der heutigen ψ Aktivkohlefilter. Dabei stellt man fest, dass die im
Tabakrauch vorhandenen gasförmigen Stoffe durch geeignete Aktivkohlen zwar zu einem grossen Teil aus dem Tabakrauch
entfernt werden können, dass diese Entfernung jedoch nicht selektiv auf Grund der chemischen Natur der einzelnen
Stoffe erfolgt, sondern· unspezifisch in Abhängigkeit vom Dampfdruck. Deshalb adsorbiert die Aktivkohle auch Gas-
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moleküle, die als harmlos oder, aus geschmacklichen Gründen,
als vorteilhaft betrachtet werden.
Ausser Aktivkohle sind auch eine grosse Anzahl Festkörper
mit adsorptiven Eigenschaften, unter anderem Silikatmineralien, wie Silicagel, Kieselgur und Aluminosilikatmineralien,
wie Meerschaum, Tonerde, Fullerserde und dgl. als Filtermittel1 für Tabakrauch vorgeschlagen worden, ohne
jedoch bisher in der Praxis erfolgreich Eingang zu finden.
Der Grund für diese Nisserfolge dürfte darin begründet
sein, dass die Silikatmineralien eine riesige Gruppe von
Substanzen mit verschiedenartigstem Chemismus und strukturellem
Aufbau darstellen, so dass sie keineswegs generell als wirksame Filtermassen für Tabakrauch betrachtet werden können.
Unsere eingehenden Untersuchungen mit einer grossen Zahl
der verschiedensten Filterkörper mit Adsorptionswirkung haben hingegen gezeigt, dass ein besonders ausgewähltes
Magnesiumsilikathydrat sich ganz besonders gut als Filtermittel für Tabakrauch, insbesondere dessen Gasphase, eignet.
Dieses von uns vorgeschlagene spezielle Magnesiumsilikathydrat unterscheidet sich von den bereits,bekannten Silikatverbindungen und Tonerden einerseits durch seinen erheblichen
Magnesiumgehalt (.mindestens 5/ im Mittel IQ bis 20 Gew.-%)
und höchstens kleinen Mengen von Ai,-Fb usw., anderseits
. gegenüber dem bekannten Meerschaum dadurch, dass in HCl
nicht oder nur beschränkt löslich ist (höchstens zu 2/3 in
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HCl 1:1).
Solche im Tabakrauch enthaltene, polare Stoffe, die durch das vorgeschlagene Filterelement selektiv entfernt
werden können, sind u.a. Nitrile (Cyanide), z.B. Acetonitril, sowie Carbonylverbindungen, insbesondere ungesättigten
Charakters, z.B. Aceton, Acrolein, Butenon, Isopentenon, d.h. Stoffe, die eine besonders stark irritierende Wirkung
auf die Schleimhäute der menschlichen Atemwege ausüben. Anderseits werden die für den Rauchgenuss wichtigen und
allgemein weniger polaren Aromastoffe infolge der polaren Oberfläche des vorgeschlagenen Filtermittels weniger stark
aus dem Rauch entfernt, als dies z.B. bei der Verwendung von Aktivkohle der Fall ist.
Feinanalytische Untersuchungen mit Hilfe von speziell
präparierten gaschromatographischen Trennkolonnen haben gezeigt, dass bestimmte hochporöse gegebenenfalls modifizierte
anorganische Stoffe, z.B. hochporöses Magnesiumsilikat,'dem Rauchgemisch polare Gasmoleküle, insbesondere von Irritantien
selektiv zu entziehen vermögen. Die Ursache dieser Fähigkeit scheint in der selektiv adsorbierenden,Wirkung der
sogenannten aktiven Porenoberfläche, insbesondere deren polarem Verhalten zu liegen. Es hat sich gezeigt, dass
deren Wirksamkeit durch Modifizieren dieser aktiven Porenoberfläche,
z.B. durch deren Belegung mit hygroskopisch
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wirkenden Substanzen oder mit Salzen von Ueberg-angsmetällen,
noch gesteigert werden kann.
Diese Eigenart hochporöser Mineralstoffe wird
durch die in der Zeichnung wiedergegebenen Messresultate
belegt :
Zigaretten der gleichen Marke (american blend) und
der gleichen Feuchtigkeit wurden unter Standardbedingungen
(alle Minuten ein Zug von 35 ml Volumen und 2 Sekunden Dauer) abgeraucht, und zwar filterlos emittiere Kurve), durch
ein handelsübliches Zigarettenfilter mit Aktivkohle mittlerer
Aktivität (untere Kurve), ferner durch ein Filter gleicher
Grosse, wie das Kohlefilter, jedoch ein speziell ausgewähltes
hochprösss Magnesiumsilikat anstelle von Kohle enthaltend (pbere Kurve). In allen drei Fällen wurde die Gasphase des durchgehenden
Rauches gesammelt und unter gleichen Messbedingungen · im Gaschromatographen analysiert. Es resultierten drei
Kurven, in welchen jeder Peak einer, hie und da auch mehr als
einer Rauchkomponente entspricht. Die Zuordnung dBr mit
Stoffnamen gekennzeichneten Peaks wurde nach mehrfach publizierten Methoden (z.B. Grob, K.; Gas Chromatography of
Cigarette Smoke, Part JII=.J «of Gas Chromatography Vol.3,
52 - 56 (1965) und Grob, K.j Zur Gas-Chromatographie des
Cigare'ttenrauches, .4.Teil. Beitrag zur Tabakforschung, Bd.3,
403 - 4DB (1966),-. vorgenommen. Die Höhe eines Peaks ist
direkt proportional der Konzentration der zugeordneten Substanz im Rauch, .
2098 17/110*2-* ;■ ; : ■
Der Vergleich der unteren mit der mittleren Kurve
zeigt, dass Aktivkohle die Konzentration aller Rauchkomponenten unspezifisch vermindert, wobei diese Verminderung nach rechts,
d.h. mit sinkender Flüchtigkeit der Komponenten immer deutlicher wird. Dabei finden sich die stärksten Irritantien
gerade unter den relativ wenig zurückgehaltenen flüchtigen Komponenten, während unter den stark adsorbierten Stoffen
die harmlosen oder gar aromabildenden vorherrschen.
Die obere Kurve zeigt demgegenüber, dass der Rauch nach Durchgang durch das von ans vorgeschlagene neue Filtermittel
an starken Reizstoffen, wie Acrolein, Acetonitril, Butenon, Diacetyl, Propionitril, Isopentenon, ebensoviel
oder mehr verloren hat als nach Durchgang durch Aktivkohle, Umgekehrt ist sein Gehalt an Stoffen mit Aromacharakter,
wie Methylfuran, Dimethylfuran, Limonen durch die Filtration
kaum oder gar nicht vermindert worden, so dass er nun'wesentlich höher liegt als nach der Aktivkohlefiltration.
Besonders deutlich wird die spezifische Wirkung das erfindungsgemässen Filtermittels, bei in der Kurve nahe beieinanderliegenden
Stoffpaaren, wie Diacetyl/Benzol oder Dimethylfuran/Isopentenon, in welchen je der eine Partner
ein Reizstoff, der andere neutral ist. In beiden Fällen verschiebt
die Filtration durch Magnesiumsilikat das Mengen-
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verhältnis im betreffenden Stoffpaar krass zugunsten das
neutralen Partners, während eine Filtration durch Aktivkohle das Mengenverhältnis kaum oder sogar im unerwünschten Sinne verändert.
neutralen Partners, während eine Filtration durch Aktivkohle das Mengenverhältnis kaum oder sogar im unerwünschten Sinne verändert.
Subjektiv besteht für den Raucher das Ergebnis darin, dass Tabakrauch, der das erfindungsgemässe Filtermittel
passiert hat, im Hals weniger kratzt als unfiltrierter oder mit mechanischen Filterelementen filtrierter Rauch, ander- seits aber aromatischer schmeckt als Rauch, dem die Irritantien mit Hilfe von Aktivkohle entzogen werden.
passiert hat, im Hals weniger kratzt als unfiltrierter oder mit mechanischen Filterelementen filtrierter Rauch, ander- seits aber aromatischer schmeckt als Rauch, dem die Irritantien mit Hilfe von Aktivkohle entzogen werden.
Das neue Filtermittel wird z.B. für Zigarettenfilter vorzugsweise in Verbindung mit üblichen, mechanisch
wirkenden Filterelementen, z.B. Celluloseacetat, kombiniert. Es kann je nach dem gewünschten Effekt auch mit Aktivkohle zusammen, in beliebigem Verhältnis gemischt, verwendet werden.
wirkenden Filterelementen, z.B. Celluloseacetat, kombiniert. Es kann je nach dem gewünschten Effekt auch mit Aktivkohle zusammen, in beliebigem Verhältnis gemischt, verwendet werden.
"■'. V ■ I
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Claims (3)
1. Filtermittel für Tabakrauch, insbesondere dessen Gasphase, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einem spezieller,,
porösen Hagnesiumsilikathydrat besteht, das sich in kochen oar
Salzsäure 1 : 1 nicht zersetzt, sondern zu 30 bis 50 Gew.-%,
höchstens aber zu 2/3 darin löslich ist, beim Erhitzen au,-3000C
einen Gewichtsverlust von höchstens 15 Gew.-%, sowie einen Magnesiumgehalt von mindestens 5, gewöhnlich 10 bis
20 Gew.-%, alles bezogen auf Trockensubstanz, aufweist.
2. Filtermittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die adsorbierenden Porenoberflachen des Plagnesiumsiiiftäwhydratmaterials
durch Belegung mit einer hygroskopisch v/irkenden Substanz modifiziert sind.
3. Filtermittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
dass die adsorbierenden Porenoberflächen des Magnesiumsilikathydratmaterials durch Belegung mit Salzen
von Uebergangsmetallen modifiziert sind.
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