DE3522311C2

DE3522311C2 -

Info

Publication number: DE3522311C2
Application number: DE3522311A
Authority: DE
Inventors: Roger William Milford-On-Sea Lymington Gb Hedge; Ian Campbell Winchester Gb Brown
Original assignee: British American Tobacco Co Ltd
Current assignee: British American Tobacco Investments Ltd
Priority date: 1984-06-23
Filing date: 1985-06-21
Publication date: 1989-10-26
Also published as: NL8501780A; DK281485A; NL183434C; CH661641A5; CA1223116A; AU557031B2; IT1208554B; BE902725A; ES8706407A1; ZA854273B; AU4387285A; IT8521176A0; BR8503069A; US4641665A; FR2566237A1; GB8416084D0; GB8514161D0; DE3522311A1; GB2160408B; ES544422A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Tabakexpansionsmittel, bestehend aus einem Kohlenwasserstoff und einer zweiten, in der flüssigen Phase mit dem Kohlenwasserstoff mischbaren Komponente.

In der Cigarettenindustrie ist es üblich, den Tabak zu expandieren und dadurch seine Füllfähigkeit zu erhöhen. Bei einem solchen Tabak expansionsverfahren werden Blattabak und/oder Tabakstiele mit dem Tabakextrusionsmittel imprägniert und anschließend erwärmt, beispielsweise durch warme Luft und/oder warmen Dampf, wodurch das Tabakexpansionsmittel ausgetrieben und dadurch der Tabak expandiert wird.

Bei einigen Expansionsverfahren erfolgt die Expansion während der Erwärmung. Als Alternative zu der Erwärmung kann der Tabak, der zu Beginn unter erhöhtem Druck und unter erhöhter Temperatur steht, einer plötzlichen Druckreduzierung ausgesetzt werden. Schließlich kann die Expansion auch noch durch Gefriertrocknen erfolgen.

Zu den üblicherweise vorgeschlagenen Tabakexpansionsmitteln gehören Wasser, Dampf, Luft, Stickstoff, Kohlendioxid, Schwefeldioxid, Ammoniak, aber auch organische Substanzen, insbesondere Kohlenwasserstoff und halogenierte Kohlenwasserstoffe.

Die hierfür in Frage kommenden, organischen Substanzen werden in der DE-OS 20 11 527, der DE-OS 21 05 446 und in der DE-OS 22 03 105 erwähnt, nämlich organische Flüssigkeiten, wie aromatische Kohlenwasserstoffe, wie z. B. Benzol, Ketone, z. B. Azeton, Äther z. B. Methylethyläther, Alkohole, z. B. Methanol, aliphatische Kohlenwasserstoffe, z. B. Pentan, cycloaliphatische Kohlenwasserstoffe, z. B. Cyclopentan, halogensubstituierte, aliphatische Kohlenwasserstoffe, z. B. Ethylchlorid, oder Kältemittel, wie sie unter der Bezeichnung "Freon" vertrieben werden.

Es wird auch davon gesprochen, daß Gemische dieser Substanzen eingesetzt werden können. So wird in der DE-OS 22 03 105 als bevorzugtes Tabakexpansionsmittel Trichlormonofluormethan (Freon 11) und als bevorzugte Mischung Trichlormonofluormethan (Freon 11)/Isopentan erwähnt.

Alle bekannten Expansionsmittel haben jedoch den Nachteil, daß der erzielte Expansionsgrad noch zu wünschen übrig läßt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Tabakexpansionsmittel der angegebenen Gattung zu schaffen, das im Vergleich mit den bisher üblichen Tabakexpansionsmitteln eine relevante Erhöhung der Füllfähigkeit bewirkt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der synergistischen Wirkung, die sich in bezug auf die Erhöhung der Füllfähigkeit bei der beanspruchten Kombination der beiden Komponenten ergibt, wie durch entsprechende, noch zu erläuternde Versuche belegt werden konnte. Die Erhöhung der Füllfähigkeit bei Verwendung eines Gemisches aus den beiden beanspruchten Komponenten ist sehr viel größer als bei Verwendung einer dieser beiden Komponenten.

Auch Gemische aus Komponenten, die nicht in die beiden beanspruchten Gruppen fallen, führen nicht zu einer relevanten Erhöhung der Füllfähigkeit.

Der verwendete Kohlenwasserstoff kann geradkettig, verzweigt, gesättigt, ungesättigt, zyklisch oder substituiert sein.

Besonders gute Ergebnisse wurden mit n-Pentan, n-Hexan, Cyclopentan, n-Hexen oder Methylpentan erreicht.

Als zweite Komponente kommt bevorzugt Azeton, Methylformiat, Äthanol oder Methylazetat in Frage.

Der Vorteil dieser besonders geeigneten Komponenten liegt im günstigen Preis und der einfachen Handhabung und Verarbeitung.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Anteile dieser Komponenten in der Mischung beim oder im Bereich der azeotropen Anteile, da beim entsprechenden Mischungsverhältnis der synergistische Effekt maximal wird.

Die beiden Komponenten sollten als flüssige Phase bei oder nahe bei 20°C und bei einem absoluten Druck von 1 Bar vorliegen.

Die Verarbeitung vereinfacht sich dann, wenn die Siedepunkte der beiden Komponenten bei Atmosphärendruck sich nur wenig unterscheiden, d. h., der Siedepunkt-Differenz maximal 50°C beträgt.

Dieses Tabakexpansionsmittel kann sowohl in Verbindung mit Blattabak als auch in Verbindung mit Tabakstielen eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Expansion von Tabak, die für das Beispiel I eingesetzt wurde. Eine ähnliche Vorrichtung wurde für die Beispiele II bis VII und XII bis XIV verwendet.

Fig. 2 in Form eines Diagramms die beim Beispiel II erzielten Ergebnisse, und

Fig. 3 eine Vorrichtung zur Expansion von Tabak, wie sie für die Beispiele VIII bis XI verwendet wurde.

Beispiel I

500 g Tabak, der aus einer 80 : 20 Gew.-% Mischung von entrippten Tabakblättern und Tabakrippen bestand, wurde auf einen Naßgewicht- Feuchtigkeitsgehalt von 18% gebracht. Als Tabakexpansionsmittel wurden 180 g n-Pentan und 145 g Azeton zugegeben. Nach einer Ausgleichszeit von 6 Stunden wurde der Tabak durch eine geschlossene Bandzuführvorrichtung 1 (Fig. 1) in ein gerades Expansionsrohr 2 mit 5 cm innerem Durchmesser eingebracht, durch die Dampf mit einer Geschwindigkeit von 25 m sek.^-1 strömte. Der Dampf, der durch eine Zulaufleitung 3 von einem Dampferhitzer 4 geliefert wurde, hatte eine Anfangstemperatur von 300°C. Nach einer Laufstrecke von 3 m in dem Expansionsrohr wurde der Tabak von dem mitströmenden Dampf in einem Zyklonabscheider 5 getrennt. Anschließend wurde der Tabak auf einen Gleichgewichtszustand von 12,5% Naßgewicht-Feuchtigkeitsgehalt gebracht und Messungen seiner Füllfähigkeit und seines spezifischen Partikelvolumens durchgeführt. Die Erhöhung der Füllfähigkeit des Tabaks, verglichen mit nicht expandiertem Tabak als Normalwert, der ebenfalls einen 12,5% Naßgewicht-Feuchtigkeitsgehalt hatte, betrug 130%, und die Erhöhung des spezifischen Partikelvolumens betrug 169%.

Wenn unter den gleichen Bedingungen n-Pentan alleine verwendet wurde, betrug die Erhöhung der Füllfähigkeit und des spezifischen Partikelvolumens nur 64 bzw. 84%. Die entsprechenden Werte für Azeton alleine unter den gleichen Bedingungen betrugen 65 bzw. 91%. Eine Mischung aus n-Pentan und Azeton ist also als Tabakexpansionsmittel weit besser als jede ihrer Komponenten, wenn diese alleine verwendet werden.

Die Messungen der Füllfähigkeit und des spezifischen Partikelvolumens wurden unter Verwendung eines manuellen Füllfähigkeit- Widerstands-Versuchinstrumentes, wie es in der GB-PS 21 28 758 beschrieben ist, durchgeführt.

Die Füllfähigkeit FV (filling value) wurde als der folgenden Beziehung erhalten:

mit
3.25 = Radius (cm) des Zylinders der Versuchsvorrichtung
h = Höhe (cm) der Tabaksäule und
W = Gewicht (g) der Tabaksäule.

Die Messungen des partikelspezifischen Volumens (PSV) wurden durch eine lineare Regression der Schüttdichte über die folgende Gleichung erhalten:

mit
D = Schüttdichte (g cm^-1) des Tabaks
h = Höhe (cm) der Tabaksäule
p = Druckabfall (cm H₂O) durch die Tabaksäule und
1.42 = Korrekturfaktor für die Strömung durch die Säule.

Der Schnittpunkt mit der D-Achse ist ein Maß für die Partikeldichte, und der reziproke Wert hiervon ist das partikelspezifische Volumen.

Beispiel II

Sechs Versuche wurden durchgeführt, wobei die Verfahrensparameter für alle Versuche gleich waren; nur die Zusammensetzung des Tabak expansionsmittels wurde, wie nachfolgend gezeigt, variiert:

Für jeden der Versuche wurden 500 g Tabak, nämlich eine Mischung ausschließlich aus heißluftgetrockneten entrippten Tabakblättern, mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 22% Naßgewicht mit 350 g Tabak expansionsmittel der Zusammensetzung n-Pentan/Azeton, wie sie oben angegeben wurde, behandelt.

Nach einer Äquilibrationszeit von 4 Stunden wurde der Tabak durch eine geschlossene Bandzuführvorrichtung in ein gerades Expansionsrohr mit einer Beschickungsrate von 200 g/min eingebracht. Das Expansionsrohr war 12 m lang, und sein innerer Durchmesser betrug 5 cm. Die Strömungsgeschwindigkeit des Dampfes in dem Rohr lag bei 50 m sek.^-1, und die anfängliche Dampftemperatur betrug 350°C. Am Auslaßende des Rohres wurde der Tabak vom begleitenden Dampf in einem Abscheider getrennt.

Der so expandierte Tabak wurde auf 12,5% Naßgewicht-Feuchtigkeitsgehalt äquilibriert, bevor die Messungen der Füllfähigkeit VF und des spezifischen Partikelvolumens PSV durchgeführt wurden. Die Bestimmung von VF und PSV erfolgte unter Verwendung einer Vorrichtung, deren Prinzip in dem der GB-PS Nr. 21 28 758 erläutert wird, jedoch war diese Vorrichtung mit einem automatisch betätigbaren Kolben ausgestattet. Die erzielte Erhöhung von FV und PSV verglichen mit nicht expandierten, äquilibrierten Normaltabak, geht aus der folgenden Tabelle hervor:

Man kann sehen, daß für die Versuche 2 bis 5, bei denen das Expansionsmittel aus n-Pentan und Azeton bestand die FV- und PSV-Erhöhungen größer waren als für den Versuch 1, bei dem n-Pentan alleine verwendet wurde, sowie für den Versuch 6, bei dem Azeton alleine verwendet wurde.

Außerdem ergibt sich, daß der Versuch 3 die größte Erhöhung von FV bzw. PSV zeigte. Das Expansionsmittel, das beim Versuch 3 verwendet wurde, bestand aus 80% n-Pentan und 20% Azeton. Diese Anteile entsprechen annähernd den azeotropen Anteilen für n-Pentan und Azeton. Daraus kann man ableiten, daß für ein Expansionsmittel, das diese beiden Komponenten beeinhaltet, ein optimaler Synergismus erhalten werden kann, wenn man die beiden Komponenten bei oder nahe bei ihren azeotropen Anteilen verwendet.

Die erzielte FV-Erhöhung ist graphisch in Fig. 2 dargestellt, in der auf der A-Achse der prozentuale Anteil von n-Pentan in dem Expansionsmittel und auf der B-Achse die prozentuale FV-Erhöhung aufgetragen sind.

Beispiele III bis VI

Wiederum wurde unter Verwendung eines ausschließlich aus entrippten Tabakblättern bestehenden Gemisches das Expansionsverfahren nach Beispiel II viermal wiederholt, wobei jedesmal ein anderes Zweikomponenten- Expansionsmittel verwendet wurde. Das Gesamtgewicht des Expansionsmittels das bei jedem Versuch verwendet wurde, betrug 350 g; die beiden Komponenten waren jeweils in gleichen Gewichtsteilen vorhanden. Die FV und PSV-Werte, angegeben als prozentuale Erhöhung, sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Wie man aus den Ergebnissen sehen kann, war für jedes Expansionsmittel die prozentuale Erhöhung des FV-Wertes (Spalte 4) größer als die einzelnen Komponenten alleine (Spalte 5 und 6). In ähnlicher Weise ergaben alle Expansionsmittel prozentuale Erhöhungen des PSV-Wertes (Spalte 7), die größer sind als für die entsprechenden Komponenten alleine (Spalte 8 und 9).

Tabelle 1

Beispiel VII

20 g Tabak, ausschließlich aus entrippten Tabakblättern bestehend, mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 25% Naßgewicht wurde mit einem Expansionsmittel, das aus 34 g n-Pentan und 8 g Azeton bestand, behandelt und dann in einen Korb 6 im Inneren eines 2-Liter-Druckgefäßes (siehe Fig. 3) gegeben. Nachdem der Kessel geschlossen worden war, wurde nach Ablauf von einigen Minuten der Kessel ohne Evakuieren mittels eines Dampfmantels 8 erhitzt, um eine Temperatur von 160°C an der Oberfläche der inneren Wand des Kessels zu erzeugen, was zu einem absoluten Druck von 700 kPa im Kessel führte. Nach Aufrechterhaltung dieser Bedingungen für eine Äquilibrationszeit von etwa 5 Minuten wurde der Druckkessel durch Öffnung des Hahnes 9 in der Leitung 10 belüftet, um einen im wesentlichen konstanten Unterdruck von 305 kPa absolut im Kessel 11 zu erreichen. Es wurde festgestellt, daß die Füllfähigkeit des Tabaks nach Behandlung mit diesem Expansionsverfahren und nach Äquilibration auf 12,5% Naßgewicht-Feuchtigkeitsgehalt, um 88%, verglichen mit einem nicht expandierten, äquilibrierten normalen Tabak erhöht war.

In diesem Fall wurde die Erhöhung der Füllfähigkeit in einem für kleine Proben geeigneten Zylinderfüllwertversuch gemessen, und zwar unter Verwendung von nur 5 g Tabak. Eine Bestimmung dieser Art wird anschließend durch die Bezeichnung "Füllkraft" FP (filling power) definiert.

Beispiel VIII

20 g Tabak bei Raumtemperatur, nämlich entrippte Tabakblätter mit einem Feuchtigkeitsgehalt von 25% Naßgewicht, wurden in einen Korb 6 in einem 2 Liter Druckgefäß 7 (s. Fig. 3) gegeben, das an der inneren Oberfläche des Gefäßes 7 auf eine Temperatur von 150°C vorgewärmt worden war. Nach dem Verschließen des Druckgefäßes 7 wurde - ohne das Gefäß 7 zu evekuieren - der Hahn 12 in der Leitung 13 geöffnet, um das Innere des Gefäßes 7 mit dem Inneren eines zweiten Druckgefäßes 14 in Verbindung zu bringen. In dem zweiten Druckgefäß 14 befand sich ein Expansionsmittel, bestehend aus einer 80% : 20% Mischung von n-Pentan und Azeton. Das zweite Druckgefäß 14 wurde dann mittels einer elektrischen Heizvorrichtung (nicht gezeigt) erwärmt, um im Inneren des zweiten Druckgefäßes 14 eine erhöhte Temperatur und einen Druck von etwa 800 kPa absolut zu erzeugen. Dadurch war das Expansionsmittel sowohl in der Dampf- als auch in der Flüssigphase im zweiten Druckgefäß 14 vorhanden, wenn die beiden Gefäße 7, 14 miteinander in Verbindung gebracht wurden. Das Expansionsmittel in der Dampfphase strömte aus dem Druckgefäß 14 in das Druckgefäß 7 und kondensierte im Kontakt mit dem Tabak im Druckgefäß 7.

Das Innere des Druckgefäßes 7 wurde dann vom Druckgefäß 14 durch Schließen des Hahnes 12 abgetrennt. Nach einer Äquilibrationsperiode von 5 Minuten, an deren Ende die Temperatur der Wandoberfläche des Gefäßes 7 160°C und der Druck im Druckgefäß 7 520 kPa absolut betrugen, wurde das Druckgefäß 7 durch Öffnen des Hahnes 9 auf einen im wesentlichen konstanten Unterdruck von 14 kPa absolut belüftet.

Es wurde festgestellt, daß die Füllkraft(FP)-Erhöhung des Tabaks, nach Äquilibration auf 12,5% Naßgewicht-Feuchtigkeitsgehalt, 72% betrug, während für n-Pentan bzw. Azeton allein die FP Erhöhung nur bei 46% bzw. 26% lag.

Beispiel IX

Das Expansionsverfahren nach Beispiel VII wurde wiederholt, mit dem Unterschied, daß das Gefäß 7 auf einen Druck von 20 kPa absolut evakuiert wurde, bevor die Innenräume der beiden Druckgefäße 7, 14 miteinander in Verbindung gebracht wurden. Bei Beendigung der 5-minütigen Äquilibrationsperiode betrug die Wandtemperatur des Gefäßes 7 160°C und der Druck im Gefäß 7 500 kPa absolut. Die FP Erhöhung wurde mit 86% bestimmt.

Beispiele X bis XV

Das Expansionsverfahren aus Beispiel II wurde sechsmal wiederholt und zwar jedesmal unter Verwendung eines anderen Zweikomponenten-Expansionsmittels. Das Gesamtgewicht des Expansionsmittels, das für jeden Versuch verwendet wurde, betrug 350 g; bei jedem Versuch wurden die beiden Komponenten in gleichen Gewichtsanteilen eingesetzt. Der anfängliche Naßgewicht-Feuchtigkeitsgehalt des entrippten Blattgemisches betrug jeweils 24%.

Wie man aus Tabelle 2 sehen kann, war die prozentuale Erhöhung des FV und PSV Wertes für jedes Expansionsmittel größer als die bei Verwendung der beiden Komponenten alleine (Spalte 5, 6 und 8, 9).

Tabelle 2

Beispiel XVI und XVII

Das Expansionsverfahren der Beispiele X bis XV wurde zweimal wiederholt. Beim ersten Versuch waren beide Komponenten des Zweikomponenten-Expansionsmittels Kohlenwasserstoffe. Beim zweiten Versuch waren beide Komponenten vom zweiten Typ, nämlich Azeton und Methylformiat.

Wie man aus Tabelle 3 ersehen kann, sind die prozentualen Erhöhungen der Werte für jedes dieser Expansionsmittel sogar geringer als man auf der Basis von linear proportionalen Erhöhungen für jede einzelne Komponente erwarten würde.

Tabelle 3

Claims

1. Tabakexpansionsmittel, bestehend aus einem Kohlenwasserstoff, und einer zweiten, in der flüssigen Phase mit Kohlenwasserstoff mischbaren Komponente, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff 3 bis 6 Kohlenstoff-Atome aufweist, und daß die zweite Komponente ein Keton, Ester oder Alkohol mit 1 bis 6 Kohlenstoff-Atomen ist.

2. Tabakexpansionsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anteile der Komponenten in der Mischung beim oder im Bereich der azeotropen Anteile liegen.

3. Tabakexpansionsmittel nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Komponente Azeton, Methylformiat, Äthanol oder Methylazetat ist.

4. Tabakexpansionsmittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Komponente n-Pentan, n-Hexan, Cyclopentan, n-Hexen oder Methylpentan ist.