DE1767024C3

DE1767024C3 - Verwendung eines porösen Magnesiumsilikathydrates als Filtermittel für Tabakrauch

Info

Publication number: DE1767024C3
Application number: DE19681767024
Authority: DE
Inventors: Antoine Dr.Sc.Techn. Boncourt Artho (Schweiz)
Original assignee: FJ Burrus SA
Current assignee: British American Tobacco Switzerland SA
Priority date: 1967-04-06
Filing date: 1968-03-21
Publication date: 1975-04-03
Also published as: NL6804856A; BE713276A; LU55759A1; CH515690A; SE351553B; ES352013A1; AT276194B; FR1570621A; DE1767024A1; NL153074B; DE1767024B2

Description

unter anderem Silikatmineralien, ζ B. Silicagel und Kieselgur, sowie Aluminiumsilikatmineralien, z. B. Meerschaum, Tonerde und Fullerserde, als Filtermittel 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 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.

Es wurde nun gefunden, dr3 Sn-¹I ein ganz bestimmtes MagnesiumsHikatr· ' · - besonders gut als Filtermittel für Tahakr? ' · p.dere dessen

Gasphase, eignet.

Gegenstand der Enin i_t ^c,i . j 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 ²/a darin löst und beim Erhitzen auf 30!» C einen Gewichtsverlust von höchstens 15 Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf die Trockensubstanz, erleidet, als Filtermittel für Tabakrauch.

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

Das erfindungsgemäß verwendete Magnesiumsilikathydrat unterscheidet sich von anderen bekannten Silikat- erbindungen und Tonerr^n einerseits insbesondre durch einen erheblichen Magnesiumgehalt von mindestens 5 Gewichtsprozent, im Mittel K) bis 20 Gewichtsprozent, sowie ferner höchstens kleinen Merjen an Al, Fe usw. und andererseits gegenüber dem bekannten Meerschaum dadurch, das es sich in siedender HCl nicht zcsetzt und in HCl nicht ouer nur beschränkt löslich ist, d h zu ²Z₃ in HCl 1:1.

Das neue Filtermittel kann z. B. für Zigarettenfilter, vorzugsweise in Verbindung mit üblichen, mechanisch wirkenden Filterelementen, ζ. Β. 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 Carbonylverbi"-dungen, insbesondere ungesättigten Charakters, λ Fi. AcM<™ Acrolein. Butuion. Isopentenon, d. h. Stoffe, die eine besonders stark irritierende Wirkung auf die Schleimhäute der menschlichen Atemvvegc ausüben. Andererseits werden die für den Raiiehgenuti wichtigen und alk'.tuein weniger polaren Aromaslofle infolge ilu ι ml. 11. < ' »hei 'i.iiJie lie·- . ι ί ·.·. ι i." w -¹^ -ii P! te,mittels vM'ii:u ::uV .ii- J. m Hi... ; -Mi.ml ai·- clie's z. B Ih -ift V'ei->· ι iiiliii ·.■ \,n: V.ι ·, Ι.Ίι .· der I al! ist.

Feinan:'i\ti .ι ^l: \ p.vimkIhiiuv-r "ι HiUY von speziell pr.i'vii ;v ii jia-i h n unai' i;j: .i) ·! : :\i; I rennkolunncn harn η iiczeii:! daß da¹· .:·' ''.iiimussZemiiW verwendete pi.miso M.innesiuinsi'.ik .ilivJiat dem Rauchgemisi. Ί in·|; . 'iasinolekiilc. üi-K-M'n'lere von Irritantien. m-I.-Imv /u int/iehiii veim,.ij l)ie l'rsache dieser Fähigkeit scheint in der selektiv adsorbierenden Wirkung der sogenannten aktiven Porenoberfiäche, insbesondere deren polarem Verhalten, zu hegen. Es hat sich gezeigt, daß deren Wirksamkeit 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 erfindungsgem.iß verwendeten

to Magnesiumsilikathydrates wird durch die in der Zeichnung wiedergegebenen MeßresuHate belegt.

Vergleichsbeispiel 1

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

ao garettenfilter mit Aktivkohle miuierer Aktivität (untere Kurve) und ferner (c) durch ein Filter gleicher Größe wie das Kohlefilter, jedoch aus hochporösem Magnesiumsilikatiiydrat gemäß der Erfindung (obere Kurve).

In aller drei Fällen wurde die Gasphase des durchgehenden Rauches gesammelt und unter gleichen Meßbedingungen im Gaschromatographen analysiert. Es wurden die drei Kurven erhalten, :i 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, Pan III = j. of Gas Chromatography Vol. 3, 52 bis 56 [l'»65'_, und Grob, K., Zur Gas-Chromatographie des Cigarettenrauches. 4. Teil; Beitiag zur iabakforschung, 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, im.ner deutlicher wird.

Dabei finden sich die stärksten Irritantien gerade untei den relativ wenig zurückgehaltenen flüchtigen Komponenten, während unter den stark adsorbierten Stoffen die harmlosen oder gar aromabildenden vorherrschen.

De obere Kurve zeigt demgegenüber, daß der Rauch nüch Durchgang durch das erfindungsgemäße neue Filtermittel an starken Reizstoffen. ⁱvie Acrolein, Acetonitril, Butenon. Diacetyl. Propionitril. Isopenlenon. ebensoviel oder mehr verloren hat als nach Uurchgar.g durch Akiivkwnlc Umgekehrt ift ¹^n Gehalt an Stoffen mit Aromacharakter, wie Methylfura .. Dimethylfuran. Limonen durch die Filtration kaum oder gar nicht vermindert worden, so Jaß clie^er nun wesentlich höher liegt als nach der Aktivkoh:efilu.iiu> n.

Besnndeis deutlieh wird die •"pc/ifiseiii Wirkung des crtii'.diin^srjmaUen Filtermittels bei in der Kurve nah.- K'KMi.iiiderÜegenden Stoffpaaren. >vie DiIk₁!¹.] Beivnl tvkr Dimethylfutan Isopentenon. in mlikii je tier eine Partner ein Reizstoff, der andere nc.nr.ii ist. In beiden Fällen verschiebt die Filtration durch Mi.inesmmsilikathydrat das Mengenverhältnis im betreffenden Sioffpaar 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 kratzt 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 Filt.>rwirkung 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 Magnesiumsilikathydral 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 Zigareilen zu einer Qualitätsverschlechterung, insbesondere der Glimmeigenschaften und des Geschmacks der Zigareiten, iührt, 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

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

s5 aibeitbaren Meerschaums verglichen.

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

Celluloseacetatpf. jpfen 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

₄u 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 Rauchinhaltsstoffe gegenüber der Kontroügruppe berechnet. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Untersuchtes Adsorbens	Reaktionszeit (Stunden)	Gewichtsverschiebung (mg) Adsorbens J Tabak	-4,8 -6,7
Aktivkohle	100 316	+ 4,5 + 4,9	-23,0 -21,8
Siiikagel	100 316	+ 23,3 + 22,5	+ 2,4 + 1,5
Magnesium silikathydrat (gemäß Erfindung)	100 316	-1,1 -0,7

Rauchkomponente

Wie erwartet, trat bei Verwendung von Silikat als Adsorbens eine sehr starke Gewichtsverschiebung ein. während Aktivkohle nur eine geringe Menge Feucrsisgkei! aus dem Tabak aufnahm und das er-

Aceton

Acrolein

Isobutyraldehyd ..

Äthylmethylketon

Acetonitril

Butecon

Benzol

Diacetyl

IHineih

Toluol

Verminderung in ·/« gegenüber der Konlrollgnippe

Bei Verwendung

Meerschaum

78
70
56
77
75
74
23
74
42
24

Bei

Verwendung des erfindungs-

gemäßen Filtermittels

73
69
58

75
76
72
0
71
37
20

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, daß das erfindungsgcmäßc Filtermittel 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, Dimethylluran, Toluol), die wegen ihres Aromacharakters in dem Tabakrauch verbleiben sollen, dem Meerschaum überlegen war« Dies zeigt, daß die selektive Wirkung des erfindungsgemäßen Filtermittels gegenüber pola-

ren Stoffen mindestens so gut ist wie diejenige des wesentlich teureren und schwerer zugänglichen Meerschaums.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Filters ist, soweit die damil versehenen Produkte nicht zur Lieferung außerhalb des Geltungsbereiches des Lebensrnittel gesetzes bestimmt sind, zur Zeit auf Grund der Verordnung über »Tabak und Tabakerzeugnisse (Tabakverordnung)« vom 10. Februar 1972 (BGBl 1972,1. S. 178 bis 183) nicht zugelassen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

$09 614/320

Claims

Λ. Frischer Tabakrauch, der das Mundstück-Ende einer Patentansprüche: Zigarette verläßt, enthält eine riesige Anzahl von Tröpfchen mit einem Durchmesser von 0.1 bis 1 u.

1. Verwendung eines porösen Magnesiumsili- welche als Teilchenphase oder Partikelphase in dem kathydrates mit einem Magnesiumgehait von 5 durch die Gasphase dargestellten. unsicntDaren Memindestens 5 Gewichtsprozent, bezogen auf die dium schweben. .
Trockensubstanz, das sich in siedender Salzsäure Aus analytischen Gründen wurde fruner Dei aer (i : 1} nicht zersetzt, sondern sich zu 30 bis Untersuchung des Tabakrauches und bei üer öeur-50 Gewichtsprozent, höchstens aber zu V₃ darin teilung seiner physiologischen Wirkung nauptsacnlöst und beim Erhitzen auf 300 C einen Ge- ;o lieh die bei Raumtemperatur leicht kondensierbare wichtsverlust von höchstens 15 Gewichtsprozent. Partikelphase (Rauchkondensat, oft ungenauerweise jeweils bezogen auf die Trockensubstanz, erlei- al, »Teer« bezeichnet) in Betracht gezogen.

del, als Filtermittel für Tabakrauch. In neuerer Zeit hat jedoch die Entwicklung der

2. Verwendung eines porösen Magnesiumsili- Gaschromatographie gewaltige Fortschritte ir: der Erkathydrates nach Anspruch 1, dadurch gek«nn- ig forschung der Zusammensetzung des Gasphase im zeichnet, daß es einen Magnesiumgehalt von 10 Tabakrauch ermöglicht. Die systematischen Unterbis 20 Gewichtsprozent, bezogen auf die Trok- suchungen dieses gasförmigen Anteils haben ergeben, kensubstanz, aufweist. daß darin verschiedene Stoffe auftreten, die wegen

3. Verwendung eines porösen Magnesiumsili- ihrer bekannten Reizwirkung auf die Schleimhäute kathydrates nach Anspruch 1 und/oder 2, da- 20 der Atemwege als gesundheitlich zweifelhaft ang«.-durch gekennzeichnet, daß die adsorbierenden sehen werden müssen. Solche meist auch vom de^-u-Porenoberfiächen des Magnesiumsilikathydrates Stativen Gesichtspunkt aus wenig erwünschten Stoffe durch Belegen mit einer hygroskopisch wirken- haben die Eigenschaft, die Flimmerbewe_fcung des ilen Substanz modifiziert sind. Cilarepithels, durch die Staubteilehen und andere

4. Verwendung eines porösen Magnesiumsili- 25 Verunreinigungen mit der Schleimschicht ständig kath\drates nach einem der Ansprüche 1 bis 3, nach a<i".en befördert werden, in ihrer normalen dadurch gekennzeichnet daß die adsorbierenden Funktion selbstreinigung de: Atemwege) zu beein-Porenoberflächen de»> Magnesiumsilikates durch tr'ich'iger,. Die Entfernung solcher Irritantien aus Belegen n.^;t Salzen von Übergangsmetallen modi- dem Tabakrauch ist daher sowohl aus gescbmaekfizier¹ sind. 30 liehen wie aus gesundheitlichen Überlegungen heraus

erwünscht.

Die herkömmlichen Filterelemente für Tabak-

rauch au. Watte, Papier und Celluloseacetat wirken

in cister Linie auf mechanische Art, d. h. es wild vor 35 allem ein mehr oder weniger großer Anteil der die

Tabakrauch, wie er normalerweise beim Rauer·- Partikelphase bildenden Rauchtröpfchen aufgehalten, genuß vom Menschen aufgenommen wird, besteht wohingegen die gasförmigen Stoffe gar nicht oder bekanntlich aus einem vielfältigen Gemisch von nur in sehr geringem Maße aus dem Gemisch entTausenden verschiedener Komponenten. Neben ech- fernt werden.

ten Verbrennungsprodukten, wie Kohlendioxyd und 40 Eine wirksame Verminderung des gasförmigen Kohlenmonoxyd, finden sich darin Stickstoff und Anteils des Tabakrauches wird seit einiger Zeit bei andere, aus der Luft stammende Gase sowie eine verschiedenen Filterprodukten, namentlich bei Zigasehr große Zahl von Destillations- und Pyrolyse- rettenfiltern, durch die Verwendung von Aktivkohle, Produkten. meistens in Verbindung mit schon erwähnten mecha-

Unter den Destillationsprodukten, welche beim 45 nischen Filterelementen, erzielt. Die bei der Aktiv-Näherrücken der Glutzone aus dem Tabak durch kohle auftretende riesige Oberflächenvergrößerung Verdampfung in den Rauchstrom übergehen, findet wirkt nicht mehr auf die Tröpfchen der Partikelman z. B. Paraffine. Wachse. Terpene, viele flüchtige phase, sondern auf die gasförmigen Stoffe, die je Säuren und Basen sowie Aromastoffe aus den ver- nach ihrem Dampfdruck mehr oder weniger stark schiedensten Stoffklassen. Das Nikotin, ein wesent- 50 adsorbiert werden.

liches Element des Tabakrauches, wird seiner be- Die feinanalytische Auftrennung der Gasphase des

schränkten Flüchtigkeit wegen (Siedepunkt 247 C) Tabakrauches, wie sie mit Hilfe von polar imprägniernur zum Teil durch Destillation aus dem Tabak in ten Glaskapillaren (G rob. K.. HeIv. Chim. Acta. 48 den Rauch übergetunn, der Rest wird in der Nänc [Ίνό5], S. \?'ί·2 bis !?.?!!) ermöcüch! wird. g,.<.t;ittrt des Glutkegels durch Hitze zersetzt. 55 eine objektive und genaue Beurteilung der Adsorp-

Die Pyrolyseprodukte entstehen durch zufällige tionswirkung der heutigen Aktivkohlefilter. Dabei Kombination oder Rekombination von Molekültrüni- stellt man fest, daß die im Tabakrauch vorhandenen mern, welche ihrerseits durch Zerschlagung schwer- gasförmigen Stoffe durch geeignete Aktivkohlen und nichtflüchtiger Tiibakinhaltsstolie v^-- allem zwar /u ein.-m großen Teil aus dem Tabakrauch ent-Polysaccharide und Polypeptide, gebildet wurden. 6c fernt werden können, daß diese Entfernung jedoch Entsprechend dem großen Gewicht des Zufalle bei nicht Milcki ν auf Grund der chemischen Natur der solchen Vorgängen umfassen die Pyrolyseprodukte einzelnen Stoffe erfolgt, sondern unspe/inseh in Abpraktisch die gesamte, riesige Stoffauswahl der hängigkeit \om Dampfdruck. Deshalb ausorbiert die niedripmolekularen organischen Chemie. Aktivkohle auch Ciasmoleküle, die als hnrmlos 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 gasföimigem bzw. flüssigem Zustand vor. von Feststoffen mit adsoiptiven Eigenschaften,