DE1767024B2

DE1767024B2 - Verwendung eines porösen Magnesiumsilikathydrates als Filtermittel für Tabakrauch

Info

Publication number: DE1767024B2
Application number: DE19681767024
Authority: DE
Inventors: Antoine Dr.Sc.Techn. Boncourt Artho (Frankreich)
Original assignee: FJ Burrus SA
Current assignee: British American Tobacco Switzerland SA
Priority date: 1967-04-06
Filing date: 1968-03-21
Publication date: 1974-08-08
Also published as: NL153074B; NL6804856A; DE1767024A1; LU55759A1; BE713276A; SE351553B; FR1570621A; AT276194B; DE1767024C3; ES352013A1; CH515690A

Description

unter anderem Sllikatmineralien, z.B. SOicagel und Kieselgur, sowie Alumi^u^silikatmineralien, z.B. Meerschaum, Tonerde und Fulierserde, als Füterinittel für Tabakrauch vorgeschlagen worden, ohne daß diese Stoffe jedoch bisher einen erfolgreichen Eingang in die Praxis fanden.

Der Grund für diese Mißerfolge dürfte darin begründet sein, daß die Silikatraineralien 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.

Es wurde nun gefunden, daß sich ein ganz bestimmtes MagnesiumsilikaShydrat ganz besonders gut als Filtermittel für Tabakrauch, insbesondere dessen Gasphase, eignet

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung eines porösen Magnesiumsilikathydrates mit einem Magnesiumgehalt von mindestens 5 Gewichtsprozent, bezogen auf die Trockensubstanz, das sich in siedender Salzsäure (1:1) nicht zersetzt, sondern sich zu 30 bis 50 Gewichtsprozent, höchstens aber zu -/s darin löst und beim Erhitzen auf 300° C einen Gewichtsverlust von höchstens 15 Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf die Trockensubstanz, erleidet, als Filtermittel für Tabakrauch.

Bei den erfindungsgemäß verwendeten porösen MagnesiumsUikathydraten handelt es sich um in der Natur vorkommende Produkte, die in tertiären Formationen, z. B. dem Tertiärbecken von Madrid (Spanien) und dem Gebiet von Madrid-Toledo zu finden sind.

Das erfindungsgemäß verwendete Magnesiumsilikathydrat unterscheidet sich von anderen bekannten Silikatverbindungen und Tonerden einerseits insbesondere durch einen erheblichen Magnesiumgehalt von mindestens 5 Gewichtsprozent, im Mittel 10 bis 20 Gewichtsprozent, sowie ferner höchstens kleinen Mengen an Al, Fe usw. und andererseits gegenüber dem bekannten Meerschaum dadurch, das es sich in siedender HCl nicht zersetzt und in HCi nicht oder nur beschränkt löslich ist, d. h. zu ²/a in HCl 1:1.

Das neue Filtermittel kann z. B. für Zigarettenfilter, vorzugsweise in Verbindung mit üblichen, mechanisch wirkenden Filterelementen, z. B. Celluloseacetat, kombiniert werden. Es kann je nach dem gewünschten Effekt auch mit Aktivkohle zusammen, in beliebigem Verhältnis, gemischt, verwendet werden.

Im Tabakrauch enthaltene, polare Stoffe, die durch das erfindungsgemäße Filtermittel selektiv entfernt werden können, sind unter anderem 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. Andererseits 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 gischromatographischen Trennkolonnen haben gezeigt, daß das erfindungsgemäß verwendete poröse Magnesiumsilikathydrat dem Rauchgemisch polare Gasmoleküle, insbesondere von Trritantten. selektiv zu entziehen vermag. Die Ursache dieser Fähigkeit scheint in der selektiv adsorbierenden Wirkung der sogenannten aktiven PorenoberflScho, insbesondere deren polarem VernaHen, W liegen. Gs bat sich gezeigt, daß deren Wirksam-

KeU durch Modifizieren dieser aktiven Porenoberfläche, z. B, durch deren Belegung mit hygroskopisch wirkenden Substanzen oder mit Salzen von übergangsmetallen noch gesteigert werden kann.
Diese Eigenart des erfindungsgemäß verwendeten

w Magnesiumsilikathydrates wird durch die in der Zeichnung wiedergegebenen Meßresultate belegt

Vergleichsbeispiel I

Zigaretten der gleichen Marke und der gleichen Feuchtigkeit wurden unter Standardbedingungen (alle Minuten ein Zug von 35 ml Volumen und 2 Sekunden Dauer) abgeraucht, und zwar (a) filterlos (mittlere Kurve), (b) durch ein handelsübliches Zi-

ao garettenftlter mit Aktivkohle mittlerer Aktivität (untere Kurve) und ferner (c) aarch ein Filter gleicher Größe wie das Kohlefilter, jedoch aus hochporösem Magnesiumsilikathydrat gemäß der Erfindung (obere Kurve).

In allen drei Fällen wurde die Gasphase des durchgehenden Rauches gesammelt und unter gleichen Meßbedingungen im Gaschromatographen analysiert. Es wurden die drei Kurven erhalten, in welchen jede Spitze einer, gelegentlich auch mehr als einer Rauchkomponente entspricht. Die Zuordnung der mit Stoffnamen gekennzeichneten Spitzen wurde nach mehrfach publizierten Methoden (z.B. Grob, K.; Gas Chromatography of Cigarette Smoke, Part III = J. of Gas Chromatography v_ol. 3, 52 bis 56 [1965], und Grob, K., Zur Gas-Chromatographie des Cigarettenrauches, 4. Teil; Beilrag zur Tabakforschung, Bd. 3, 403 bis 408 [1966]/, vorgenommen. Die Höhe einer Spitze ist direkt proportional der Konzentration der zugeordneten Substanz im Rauch.

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 erfindungsgemäße neue Filtermittel an starken Reizstoffen, wie Acrolein, Acetonitril, Butenon, Diacetyl, Propionitri'. Isopentenon, ebensoviel oder mehr verloren hat als nach Durchgang durch Aktivkohle. Umgekehrt ist sein Gehalt an St-ffen mit Aromacharakter, wie Methylfuran, Dimethylfuran, Limonen durch die Filtration kaum oder gar nicht vermindert worden, so daß dieser nun wesentlich höher liegt als nach der Aktivkohlefiltration.

Besonders deutlich wird die spezifische Wirkung des 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 Magnesiumsilikathydrat das Mengenverhältnis im betreffenden Stoffpaar kraß zugunsten des 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 erfindungsgemäß verwendete Filtermittel passiert hat, im Hals weniger kraut als unfiltrierter oder mit mechanischen Filterelementen filtrierter Rauch, andererseits aber aromatischer schmeckt als Rauch, dem die Irritantien mit Hilfe von Aktivkohle entzogen werden.

Vergleichsbeispiel 2

Zum Nachweis des technischen Fortschritts, der in bezug auf die Filtrierwirkung des erfindungsgemäß verwendeten Filtermittels für Tabakrauch gegenüber den bekannten Filtermitteln Silikagel und Meerschaum erzielt wird, wurden die nachfolgend beschriebenen Vergleichsversuche durchgeführt.

1. Vergleich des erfindungsgemäß verwendeten
Filtermittels mit Silikagel

Silikagel und ähnliche Stoffe entziehen bekanntlich den mit ihnen in Berührung kommenden Stoffen beträchtliche Mengen Feuchtigkeit und stellen daher Trocknungsmittel dar. Bei der Verwendung von Silikagel als Filtermittel für Tabakrauch in Zigaretten war daher von vornherein zu befürchten, daß bei der Lagerung eine nachteilige Austrocknung des Tabaks eintritt. Daß dies tatsächlich der Fall ist, zeigt der folgende Versuch:

In ein Reagenzglas wurden jeweils 150 mg Aktivkohle bzw. Silikagel bzw. erfindungsgemäßes Magnesiumsilikat eingefüllt. Dann wurde in den Luftraum über dem Material eine filterlose Zigarette gegeben, die durch ein Drahtsieb in einem bestimmten Abstand von dem körnigen Adsorbens gehalten wurde. Sämtliche Adsorbentien hatten eine Korngröße zwischen 0,2 und 0,8 mm, alle verwendeten Zigaretten waren in bezug auf Größe und Zusammensetzung gleich. Die Reagenzgläser wurden luftdicht abgeschlossen.

Nach Ablauf von 100 Stunden für die erste VersuchsSerie bzw. nach 316 Stunden für die zweite Versuchsserie wurde mittels einer Präzisionswaage die Gewichtsverschiebung zwischen Tabak und Adsorbens als Maß für die Wasserdampfaufnahme bzw. -abgabe bestimmt. Dabei wurden die nachfolgend angegebenen Ergebnisse erhalten (jeder Wert stellt den Mittelwert aus drei Messungen dar): findungsgemäß verwendete Magnesiumsilikathydrat hingegen sogar etwas Feuchtigkeit an den Tabak abgab.

Die geringen Fehlbeträge zwischen Abgabe und Aufnahme für ein gegebenes Adsorbens gehen auf kleine Meßfehler sowie auf einen gewissen Austausch mit der umgebenden Luft während der Durchführung des Versuchs zurück.

Da die Austrocknung des Tabaks bei der Lagerung von Zigaretten zu einer Qualitätsverschlechterung, insbesondere der Glimmeigenschaften und des Geschmacks der Zigaretten, führt, ist die Verwendung von Silikagel als Filtermittel für Tabakrauch ungeeignet, und zwar selbst dann, wenn dieses Filtermaterial eine gewisse Filtrierwirkung gegenüber Tabakrauch aufweist.

2. Vergleich des erfindungsgemäßen Filtermittels mit Meerschaum

30 In den nachstehend geschilderten Versuchen wurde die Adsorptionswirkung des erfindungsgemäßen Filtermittels mit derjenigen des wesentlich selteneren und daher teureren und weniger gut zu Körnern ver-

»5 arbeitbaren Meerschaums verglichen.

Zigaretten mit gleicher Größe und Zusammensetzung wurden mit Filtern versehen, die aus einem 6 mm langen Krepp-Papier-Pfropfen, einem Hohlraum von 6 mm Länge sowie einem 8 mm langen

Celluloseacetatpfropfen hergestellt worden waren.

Die Filter wurden mit den Zigaretten so verbunden,

daß der Kreppapierpfropfen an den Tabak zu liegen

kam.

Bei der ersten Gruppe der Filter wurde der mittlere Hohlraum mit dem erfindungsgemäßen Filtermittel gefüllt, bei der zweiten Gruppe der Filter wurde der Hohlraum mit Meerschaum aus dem Gebiet von Eskishehir in der Türkei gefüllt. Die Korngröße lag bei beiden Materialien zwischen 0,2 und

0,8 mm. Zum Vergleich wurde bei einer dritten Gruppe (Kontrollgruppe) der Hohlraum leer gelassen.

Die Zigaretten der drei genannten Gruppen wurden nach einheitlichen Normen maschinell abge-

raucht. Für die beiden untersuchten Adsorbentien wurde die Verminderung der einzelnen Rauchinhaltestoffe gegenüber der Kontrollgruppe berechnet. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Untersuchtes Adsorbens

Aktivkohle
Silikagel

Magneshimsilikafhydrat
(gemäß
Erfindung)

Reaktionszeit (Stunden)

100
316

Gewichtsverschiebung (mg) Adsorbens Tabak

+4,5
+4,9

+23,3
+22,5

-1,1

-0,7

Rauchkomponente

-4,8 -6,7

-23,0 -21,8

+2,4 + 1,5

Wie erwartet, trat bei Verwendung von Silikat als Adsorbens eise sehr starke Gewichtsverschiebung ein, während Aktivkohle nur eine geringe Menge Feuchtigkeit ans dem Tabak aufnahm und das er-

Aceton

Acrolein ....

Isobutyraldehyd ..
Äthylmethylketon

Acetonitril

Butenon

Benzol

Diacetyl

Dimetüvlfuran ...
Toluol ...i

Verminderung in Vc gegenüber der Kontrollgruppe

Bei Verwendung

von Meerschaum

78 70 56 77 75 74 23 74 42 24

Bei

Verwendung des erfindungs-

gemäßen Filtennittuls

73 69 58 75 76 72

0 71 37 20

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß das erfindungsgemäße Filtermiittel die chemisch polaren Stoffe, die aus dem Tabakrauch entfernt werden sollen, in etwa dem gleichen Maße wie Meerschaum adsorbierte, daß es aber in bezug auf nicht oder wenig polare Stoffe (z. B. Benzol, Dimethylfuran, TjIuoI), die wegen ihres Aromacharakters in dem Tabakrauch verbleiben sollen, dem Meerschaum überlegen war. Dies zeigt, daß die selektive Wirkung des erfindungsgemäßen Filtermittels gegenüber polaren Stoffen mindestens so gut ist wie diejenige des wesentlich teureren und schwerer zugänglichen Meerschaums.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Filters ist, soweit die damit versehenen Produkte nicht zur Lieferung außerhalb des Geltungsbereiches des Lebensmittelgesetzes bestimmt sind, zur Zeit auf Grund dei Verordnung über »Tabak und Tabakerzeugniss« (Tabakverordnung)« vom 10. Februar 1972 (BGB ίο 1972,1, S. 178 bis 183) nicht zugelassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Frischer Tabakrauch, der das Mundstttck-Ende einer

£»«.«.«* «erlaßt enthält eine riesige Anzahl von

Patentansprüche: f^^ATZc^*™** bis Χμ,

L Verwendung eine, porösen MM»* , ^£SSSS^iSS2^3äS^ ti katbydmtes mit einem Magnesiumgebalt von ⁸^f¹JlS

mindestens 5Gewichtsprozent, bezogen rof die ^fSXj_116n Gründen wurde früher bei der Trockensubstanz, das sich in siedender Saks&ure ^A^,XÄes TaSaucbes und bei der Beur-(1;1) nicht zersetzt, sondern sich zu 30 bis Umersuchung des ™^ _Wnhl bauptsäch-50 Gewichtsprozent, höchstens aber zu V» dann ttalung «f^gJJJJSgSw ieicht koWierbare }öst und beim Erhitzen auf 300⁰C einen Ge- » 5^S_nS₉L SSSeSat oft ungenauerweise wicbtsverlust von höchstens 15 Gewichtsprozent, Par «*Pg»»»ffi5ffiStracht gezogen, jeweils bezogen auf die Trockensubstanz, eriei- ^^l^Sf^S die EmWlung der det, als Fütermittel for Tabakrauch. , r- hrSo^hle gewaltige Fortschritte in der Er-
2. Verwendung eines porösen Magnesiumsih- GaschromatograptuegCT/awB^ Gasphase im kathydrates nach Anspruch !,,dadurch gekenn- .5 to^jf^gTS^Ualtadia Unterzeichnet, daß es einen Magnesiumgehalt von 10 ^Tab.^_n ^c^S Snnigen Anteils haben ergeben, bis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf die Trok- suchungen ^ξ^ΓΪ^ auftreten, die legen kensubstanz, aufweist . daß dann ™^^™|Απηβ auf die Schleimhäute
3. Verwendung eines porösen Magnesiumsih- ^ *££*?£?SSeWh zweifelhaft angekathydrate^ nach Anspruch 1 und/oder 2, da- 20 der Atemwege ^s g

durch gekennzeichnet, daß die adsorbierenden sehen werfenl müssen. Sotahe m^ S

Porenoberflächen des Magnesiumsilikathydrates ^^ven Gesic^pu^t aus^wem^^^^^ ^

durch Belegen mit einer hygroskopisch wirken- J« fg¹ ^ Staubteilchen und andere

den Substanz modifiziert sind. . Qlarepitheis, au_rcn scUeünschicht ständig
4. Verwendung eines porösen Magnesiumsui- >₅ V^fSTSiS werden, in ihrer normal kathydrates nach einem der Ansprüche 1 bis 3, ^./^^!bSemigung der Aiemwege) zu beeindadurch gekennzeichnet, daß die adsorbierenden Funktionl (Selbs ^S _{lcher Irritantien Ei!S} Porenoberflächen des Magnesiumsihkates durch ^^^d^iSiJ sowohl aus geschma,,.

30 liehen wie aus gesundheitlichen Überlegungen heraus

erwünscht.

Die herkömmlichen Filterelemente fur Tabakrauch aus Watte, Papier und Celluloseacetat wirken in erster Linie auf mechanische Art, α. h. es wird vor 35 allem ein mehr oder weniger großer Anteil der ue

Tabakrauch, wie er normalerweise beim Rauch- ^^^^

genuß vom Menschen aufgenommen wird, besteht wohingegen d«^^.^SnfgeSi ent bekanntlich aus einem vielfältigen Gemisch von nur m sehr geringem μλλ,

Tausenden verschiedener Komponenten. Neben ech- fernt werden. _{Vi>rminHpn]ne des} easfönrinen

ten Verbrennungsprodukten, wie Kohlendioxyd und 40 Eine wirksame ^Ve^|^ÄgfS 'S Kohlenmonoxvd finden sich darin Stickstoff und Anteils des Tabak rauches^wirf s^ ^g^r^ ^L« andere, aus der Luft stammende Gase sowie eine verschiedenen Filterprod^en namentlich bei Z, a sehr große Zahl von Destillations- und Pyrolyse- rettenfiltern durch die ^^ξ^^^Ι' Produlten meistens in Verbindung mit schon

Unter den Destillationsprodukten, welche beim 45 tuschen Filterelementen^^erzielt Näherrücken der Glutzone aus dem Tabak durch kohle auftretende ries.ge ^ Verdampfung in den Rauchstrom übergehen, findet wirkt nicht mehr auf .^d« Tro man z. B Paraffine, Wachse, Terpene, viele flüchtige phase sondern auf dic ^?™«» ;*_r ^dcJ Säuren und Basen sowie Aromastoffe aus den ver- nach ihrem Dampfdruck mehr oder weniger stark schiedensten Stoffkiassen. Das Nikotin, ein wesent- 51 adsorbiert werden. «««nil»«· He,

liches Element des Tabakrauches, wird seiner be- Die feinanalyt.sche Auftrennung der Gasphasei des

kränkten Flüchtigkeit wegen (Siedepunkt 247° C) Tabakrauches, wie sie mit Hilfe von P^P^"'^ nur zum Teil durch Destillation aus dem Tabak in ten Glaskapülaren (Grob, K., HeIv Chim. Acta 48 -den Rauch übergeführt, der Rest wird in der Nähe [1965], S. 1362 Ws 1370) ermöglicht wird gestaltet des Glutkegels dirch Hitze zersetzt. . 55 eine objektive und genaue ^Bf,f^S ^d£_r ^Ad*°£:

Die Pyrolyseprodukte entstehen durch zufällige tionswirkung der heutigen Aktivkohlefilter. Dabei Kombination oder Rekombination von Molekültrüm- stellt man fest, daß die im Tabakrauch vorhandenen mern, welche ihrerseits durch Zerschlagung schwer- gasförmigen Stoffe durch geeignete Aküvkohlen und nichtflüchtiger Tabakinhaltsstoffe, vor allem zwar zu einem großen Teil aus dem Tabakrauch en t-Polysaccharide und Polypeptide, gebildet wurden. 60 fernt werden können, daß diese. Entfernung jedoch Entsprechend dem großen Gewicht des Zufalles bei nicht selektiv auf Grund der chemischen Natur der solchen Vorgängen umfassen die Pyrolyseprodukte einzelnen Stoffe erfolgt, sondern unspezifisch in Abpraktisch die gesamte, riesige Stoffauswahl der hängigkeit vom Dampfdruck. Deshalb adsorbiert die niedrigmolekularen organischen Chemie. Aktivkohle auch Gasmoleküle, die als harmlos oder,

Je nach ihrem Dampfdruck und ihrem Siedepunkt 65 aus geschmacklichen Gründen, als vorteilhaft beliegen die einzelnen Bestandteile des Tabakrauches trachtet werden.

bei normaler Temperatur ausschließlich oder teil- Außer Aktivkohle ist ferner eine große Anzahl

weise in gasförmigem bzw. flüssigem Zustand vor. von Feststoffen mit adsorptiven Eigenschaften,