EP0141097A2 - Process for preparing low-nicotine tobacco by high-pressure extraction - Google Patents
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Abstract
Der Nikotingehalt von Tabak kann verringert werden durch teilweisen Entzug des Nikotins und durch Erhöhung der Füllfähigkeit, d.h. des spezifischen Volumens des Tabaks. Die Nikotinentfernung wird durch Hochdruckextraktion mit Hilfe komprimierter gasförmiger Lösungsmittel bewerkstelligt. Zur Erhöhung der Füllfähigkeit wird der Tabak mit flüssigen bzw. überkritischen Gasen imprägniert, danach entspannt und thermisch nachbehandelt. Nachteilig bei den bisherigen Verfahren zur Nikotinentfernung mittels Hochdruckextraktion ist, daß Aromastoffe mitextrahiert werden. Um die Aromastoffe zumindest weitgehend im Tabak zu belassen wird Lösungsmittel, ein Gemisch aus Stickstoff und Kohlendioxid mit 50 bis 80% Stickstoffanteil verwendet. Die für die selektive Nikotinextraktion geeigneten optimalen Drücke von 250 bis 600 bar sind gleichzeitig optimal geeignet zur Erhöhung der Füllfähigkeit des Tabaks, indem dieser unmittelbar nach der Extraktion entspannt und einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird.The nicotine content of tobacco can be reduced by partially withdrawing the nicotine and by increasing the filling capacity, i.e. the specific volume of tobacco. Nicotine removal is accomplished by high pressure extraction using compressed gaseous solvents. To increase the filling capacity, the tobacco is impregnated with liquid or supercritical gases, then relaxed and post-treated. A disadvantage of the previous methods for nicotine removal by means of high-pressure extraction is that flavorings are also extracted. In order to at least largely leave the aroma substances in the tobacco, solvent, a mixture of nitrogen and carbon dioxide with 50 to 80% nitrogen content is used. The optimum pressures of 250 to 600 bar, which are suitable for selective nicotine extraction, are at the same time optimally suitable for increasing the filling capacity of the tobacco by relaxing it immediately after the extraction and subjecting it to a thermal aftertreatment.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von nikotinarmem Tabak durch Hochdruckextraktion des Nikotins mit Hilfe eines komprimierten gasförmigen Lösungsmittels, sowie gegenbenenfalls anschließender Erhöhung der Füllfähigkeit des Tabaks.The invention relates to a process for the production of nicotine-free tobacco by high-pressure extraction of the nicotine with the aid of a compressed gaseous solvent, and optionally also to increase the filling capacity of the tobacco.
Mit Hilfe verschiedener gasförmiger Lösungsmittel unter hohem Druck kann Nikotin zu einem erheblichen Teil aus Tabak entfernt werden. Die angewendeten Drücke können so hoch sein, daß sich die Lösungsmittel im flüssigen Zustand oder im überkritischen Zustand befinden. Als geeignete gasförmige Lösungsmittel werden in der DE-OS 2 043 537 beispielsweise CO2,Nz O und Ar genannt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß neben dem Nikotin auch andere, z. B. aromabildende Inhaltsstoffe teilweise mitextrahiert werden. Nach einem aus der DE-OS 2 142 205 bekannten Verfahren wird dieser Nachteil dadurch vermieden, daß man vor der Entnikotisierung die Aromastoffe separat extrahiert und nach der Nikotinextraktion dem Tabak die Aromastoffe wieder zusetzt. Diese Verfahrensweise ist verhältnismäßig aufwendig und es ist nicht auszuschließen, daß die teilweise komplizierten und empfindlichen Aromastoffe durch derartige Manipulationen nachteilig beeinflußt werden.With the help of various gaseous solvents under high pressure, nicotine can be largely removed from tobacco. The pressures used can be so high that the solvents are in the liquid state or in the supercritical state. DE-OS 2 043 537 mentions, for example, CO 2 , N z O and Ar as suitable gaseous solvents. A disadvantage of this method is that in addition to nicotine, other, for. B. partially flavor-extracting ingredients will. According to a process known from DE-OS 2 142 205, this disadvantage is avoided in that the flavoring substances are extracted separately before the nicotine removal and the flavoring substances are added to the tobacco again after the nicotine extraction. This procedure is relatively complex and it cannot be ruled out that the sometimes complicated and sensitive aroma substances are adversely affected by such manipulations.
Eine weitere Möglichkeit, den Nikotingehalt in Tabakwaren zu reduzieren, besteht darin, die Füllfähigkeit des verwendeten Tabaks zu verbessern, d. h. dessen spezifisches Volumen (cm3/g) zu vergrößern. Hierzu wird der Tabak mit flüssigen oder überkritischen Gasen unter Druck imprägniert, anschließend entspannt und durch Temperaturerhöhung thermisch nachbehandelt. Als hierfür geeignete Imprägnierungsgase werden in der DE-OS 2 903 300 N2 oder Ar genannt, in der US-PS 4,258,729 flüssiges C02.Another way of reducing the nicotine content in tobacco products is to improve the filling capacity of the tobacco used, ie to increase its specific volume (cm 3 / g). For this purpose, the tobacco is impregnated with liquid or supercritical gases under pressure, then relaxed and thermally treated by increasing the temperature. Suitable impregnation gases for this purpose are mentioned in DE-OS 2 903 300 N 2 or Ar, in US Pat. No. 4,258,729 liquid CO 2 .
Diese Verfahren des Tabak-blähens führen aber nur zu etwa einer Verdoppelung des spezifischen Volumens bzw. der Füllfähigkeit. Der Nikotingehalt in derartig vorbehandelten Tabakwaren kann daher nur bis zu etwa 50 % reduziert werden.However, these methods of tobacco bloating only lead to a doubling of the specific volume or filling capacity. The nicotine content in such pretreated tobacco products can therefore only be reduced by up to about 50%.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von nikotinarmem Tabak durch Hochdruckextraktion zu schaffen, das eine weitgehend isolierte Entfernung des Nikotins gestattet, ohne dassandere Inhaltsstoffe, insbesondere Aromakomponenten, mit herausgelöst werden. In vorteilhafter Weiterbildung soll es die Erfindung gestatten,unmittelbar im Anschluß an die Nikotinextraktion durch eine Druckabsenkung und thermische Behandlung die Füllfähigkeit des Tabakszu vergrößern und damit den spezifischen Nikotingehalt weiter zu verringern.The invention has for its object to provide a process for the production of low-nicotine tobacco by high pressure extraction, which allows a largely isolated removal of nicotine without other ingredients, in particular aroma components, are also removed. In an advantageous development, the invention is intended to allow the filling capacity of the tobacco to be increased immediately after the nicotine extraction by lowering the pressure and thermal treatment and thus further reducing the specific nicotine content.
Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.Starting from the prior art taken into account in the preamble of
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Die Erfindung beruht im wesentlichen auf der Erkenntis, daß überraschenderweise Gemische aus Stickstoff und Kohlendioxid bestimmter Zusammensetzung ein nahezu selektives Lösungsvermögen gegenüber Nikotin besitzen, obwohl Stickstoff allein kein oder nur ein äußerst kleines Lösungsvermögen besitzt, jedenfalls im Druckbereich bis 500 bar. Für alle anderen Inhaltsstoffe des Tabaks verhalten sich die Stickstoff-Kohlendioxidgemische jedoch wie reiner Stickstoff, stellen also ein äußerst schlechtes Lösungsmittel dar. Damit heben sich die Gemische aus Stickstoff und Kohlendioxid äußerst vorteilhaft gegenüber reinem Kohlendioxid ab, dessen Lösungsvermögen für Nikotin zwar schon bei niedrigen Drücken ausgezeichnet ist, welches aber auch zahlreiche Inhaltsstoffe des Tabaks, wie Wachse und Aromastoffe, herauslöst.The invention is essentially based on the finding that, surprisingly, mixtures of nitrogen and carbon dioxide of a certain composition have an almost selective solubility towards nicotine, although nitrogen alone has no or only an extremely small solvency, at least in the pressure range up to 500 bar. For all other ingredients in tobacco, however, the nitrogen-carbon dioxide mixtures behave like pure nitrogen and are therefore an extremely poor solvent. The mixtures of nitrogen and carbon dioxide stand out extremely advantageously compared to pure carbon dioxide, the solubility of which for nicotine, even at low pressures is excellent, but which also releases numerous tobacco ingredients such as waxes and flavorings.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß der Druck und die Zusammensetzung des Stickstoff-Kohlendioxidgemisches so gewählt werden kann, daß unmittelbar an die selektive Extraktion des Nikotins eine Entspannung und thermische Nachbehandlung des Tabaks von einem Druck aus durchgeführt werden kann, der optimal für dieses Verfahren zur Erhöhung der Füllfähigkeit des Tabaks ist. Es ist also nach der selektiven Nikotin- extraktion keinerlei Druckveränderung mehr nötig, vielmehr kann von dem vorhandenen Druck ausgehend unmittelbar das an sich bekannte Blähverfahren durchgeführt werden. Hierdurch ergibt sich ein wirtschaftlich überaus günstiges Gesamtverfahren.A particular advantage of the process according to the invention is that the pressure and the composition of the nitrogen-carbon dioxide mixture can be selected such that relaxation and thermal aftertreatment of the tobacco can be carried out from a pressure which is optimal for the selective extraction of the nicotine this method is to increase the filling capacity of the tobacco. After the selective nicotine extraction, there is therefore no longer any need to change the pressure. Rather, the known inflation process can be carried out directly from the existing pressure. Through this this results in an economically extremely favorable overall process.
Die Wahl des für das erfindungsgemäße Verfahren optimalen Druckes richtet sich vor allem nach dem Feuchtigkeitsgehalt des Tabaks und des Lösungsmittels. In der Regel sind Arbeitstemperaturen oberhalb 50 °C erforderlich, jedoch können in Sonderfällen auch Temperaturen bis herab zu 40 °C bereits ausreichend sein.The choice of the optimum pressure for the process according to the invention depends primarily on the moisture content of the tobacco and the solvent. As a rule, working temperatures above 50 ° C are required, but in special cases temperatures down to 40 ° C may already be sufficient.
Die Abscheidung des extrahierten Nikotins kann durch Druck-und/oder Temperaturänderung des Lösungsmittels erfolgen. Besonders vorteilhaft kann die Abscheidung des Nikotins bewirkt werden, durch Zumischung einer weiteren Komponente zum Lösungsmittel oder durch Veränderung der Zusammensetzung des Lösungsmittels durch Zumischen einer der beiden Komponenten Stickstoff oder Kohlendioxid.The extracted nicotine can be separated by changing the pressure and / or temperature of the solvent. The deposition of the nicotine can be effected particularly advantageously by adding another component to the solvent or by changing the composition of the solvent by adding one of the two components nitrogen or carbon dioxide.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durchgeführt mit Lösungsmitteldurchsätzen von mindestens 5 kg Lösungsmittel pro Kilogramm Rohstoff, vorzugsweise mit Durchsetzen von 15 bis 25 kg Lösungsmittel pro Kilogramm Rohstoff. Dies führt zu einer Reduzierung des Nikotingehaltes im Rohstoff von mindestens 80 bis über 90 %. Eine weitere Reduzierung des Nikotingehaltes kann erreicht werden, wenn der Rohstoff unmittelbar nach der Extraktion vom Extraktionsdruck entspannt wird und danach einer thermischen Nachbehandlung unterzogen wird. Hierfür genügt eine kurzfristige Temperaturerhöhung auf mindestens 100 °C, vorzugsweise auf 150 bis 350 °C. Durch das schnelle Ausgasen der im Rohstoff gelösten Gaskomponenten wird eine Vergrößerung des spezifischen Volumens von mindestens 20 %, gewöhnlich von 40 bis 70 %, erreicht. Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert.The process according to the invention is carried out with solvent throughputs of at least 5 kg of solvent per kg of raw material, preferably with the assertion of 15 to 25 kg of solvent per kg of raw material. This leads to a reduction in the nicotine content in the raw material of at least 80 to over 90%. A further reduction in the nicotine content can be achieved if the raw material is released from the extraction pressure immediately after the extraction and is then subjected to a thermal aftertreatment. A short-term increase in temperature to at least 100 ° C., preferably to 150 to 350 ° C., is sufficient for this. The rapid outgassing of the gas components dissolved in the raw material leads to an increase in the specific volume of at least 20%, usually from 40 to 70%. The invention is explained in more detail with reference to the drawings.
Es zeigen:
- Fig. 1 den Druck maximaler Nikotinlöslichkeit als Funktion der Lösungsmittel-Zusammensetzung;
- Fig. 2 die Nikotinlöslichkeit als Funktion des Druckes für reines Kohlendioxid, reinen Stickstoff und ein Gemisch aus 75 % Stickstoff und 25 % Kohlendioxid;
- Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der relativen Extraktausbeuten und die der relativen maximalen Nikotin-Konzentrationen als Funktion der Lösungsmittelzusammensetzung;
- Fig. 4 zeigt ein Verfahrensschema des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- 1 shows the pressure of maximum nicotine solubility as a function of the solvent composition;
- 2 shows the nicotine solubility as a function of the pressure for pure carbon dioxide, pure nitrogen and a mixture of 75% nitrogen and 25% carbon dioxide;
- 3 shows the dependence of the relative extract yields and that of the relative maximum nicotine concentrations as a function of the solvent composition;
- 4 shows a process diagram of the process according to the invention.
Fig. 1 zeigt die für die Nikotinextraktion mit trockenem Kohlendioxid optimalen Drücke p m in bar als Funktion der Zusammensetzung des Stickstoff-Kohlendioxidgemisches. Es sind jeweils die Drücke maximaler Nikotinlöslichkeit angegeben, und zwar bei einer Temperatur von 50 °C. Fig. 2 zeigt die Nikotinlöslichkeit als Funktion des Druckes bei 50 °C für die verschiedenen Lösungsmittel. Kurve 1 gibt die Löslichkeit von Kohlendioxid an, Kurve 2 die von Stickstoff und Kurve 3 die eines Gemisches gemäß der Erfindung aus 75 % Stickstoff und 25 % Kohlendioxid. Wie die Darstellung zeigt,ist reiner Stickstoff als Lösungsmittel praktisch unbrauchbar, während reines Kohlendioxid schon bei niedrigen Drücken an sich ein hervorragendes Lösungsmittel darstellt. Reines Kohlendioxid extrahiert aber neben Nikotin auch weitere Inhaltsstoffe. Überraschenderweise ist dies bei einem Lösungsmittelgemisch aus 75 % und 25 % Kohlendioxid gemäß der Erfindung nicht der Fall. Zwar ist die Löslichkeit insgesamt niedriger als die von reinem Kohlendioxid und es sind auch höhere Extraktionsdrücke erforderlich, dafür ist aber eine praktisch selektive Extraktion des Nikotins möglich. Die erforderlichen hohen Drücke können darüber hinaus unmittelbar zur Erhöhung der Füllfähigkeit des Rohstoffes ausgenutzt werden.1 shows the optimum pressures p m in bar for the nicotine extraction with dry carbon dioxide as a function of the composition of the nitrogen-carbon dioxide mixture. The pressures of maximum nicotine solubility are given at a temperature of 50 ° C. Figure 2 shows nicotine solubility as a function of pressure at 50 ° C for the various solvents.
Für die Abhängigkeit des optimalen Druckes von der Zusammensetzung des Lösungsmittels läßt sich als Näherungsformel bei 50 °C angeben:
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit der relativen Extraktausbeuten und die der relativen maximalen Nikotinkonzentrationen als Funktion der Lösungsmittelzusammensetzung bei 50 °C. Kurve 4 gibt die relative Extraktausbeute E(N2/CO2)/E(CO2) an. Dabei ist E(C02) die Gesamtextraktausbeute bei Durchsatz von 10 kg Kohlendioxid pro Kilogramm Rohstoff, E(N2/CO2), die bei Durchsatz von 10 kg Stickstoff-Kohlendioxidgemisch bei dem für die jeweilige Zusammensetzung optimalen Druck gewonnene Extraktmenge.Kurve 5 gibt die relative Nikotinsättigungskonzentration cN(N2/CO2)/CN(CO2), als Funktion der Lösungsmittelzusammenstzung bei 50 °C an. Während die Extraktausbeute schnell und kontinuierlich mit zunehmenden Stickstoffgehalt im Lösungsmittelgemisch fällt, liegt die Nikotinlöslichkeit selbst bei 75 % Stickstoffgehalt noch bei gut 40 % des Wertes für reines Kohlendioxid, obwohl Stickstoff bei 450 bar praktisch keine Nikotinlöslichkeit aufweist und selbst bei 520 bar kaum meßbare Werte zeigt.Fig. 3 shows the dependence of the relative extract yields and that of the relative maximum nicotine concentrations as a function of the solvent composition at 50 ° C. Curve 4 shows the relative extract yield E (N 2 / CO 2 ) / E (CO 2 ). E (C0 2 ) is the total extract yield with a throughput of 10 kg of carbon dioxide per kilogram of raw material, E (N 2 / CO 2 ), the extract obtained with a throughput of 10 kg of nitrogen-carbon dioxide mixture at the optimum pressure for the respective composition.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens werden aus den Figuren unmittelbar ersichtlich. Die Zusammensetzung des Lösungsmittelgemisches aus Stickstoff und Kohlendioxid beeinflußt extrem die Selektivität des Extraktionsprozesses zugunsten des Nikotins und verschiebt den für die Extraktion von Nikotin optimalen Druck auf Werte, die eine anschließende Verbesserung der Füllfähigkeit durch thermisches Nachbehandeln sehr effektiv machen.The advantages of the method according to the invention are immediately apparent from the figures. The composition of the solvent mixture of nitrogen and carbon dioxide extremely influences the selectivity of the extraction process in favor of nicotine and shifts the pressure that is optimal for the extraction of nicotine to values that make a subsequent improvement in filling capacity through thermal aftertreatment very effective.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines Verfahrensschemas. Ausgangsmaterial für die Nikotin-Extraktion war handelsüblicher Pfeifentabak.Fig. 4 shows an embodiment of the inventive method by way of V experienced schemas. The starting material for the nicotine extraction was commercial pipe tobacco.
Analysedaten:
- Trockensubstanzgehalt: TS = 85,6 %
- TS-Nikotingehalt bez. auf C Nik. = 0,94 %
- Dry matter content: TS = 85.6%
- TS nicotine content on C Nik. = 0.94%
Der Tabak wird auf ca. 25 % TS angefeuchtet und im Extraktor vom Lösungsmittel, das dem Lagertank 6 entnommen wird, durchströmt. Der Druck des Lösungsmittels wurde im Kompressor 4 entsprechend erhöht und im Wärmetaucher 5 wurde die entsprechende Temperaturerhöhung vorgenommen. Die Abscheidung wird über Entspannung bewirkt (Ventil 3), das Extrakt aus dem Abscheider 2 entnommen. Die Extraktions- und Abscheide-Bedingungen sind in Tabelle 1 angegeben, das Extraktionsergebnis in Tabelle 2.
Bei ähnlicher Nikotin-Reduktion ergab sich ein erheblicher Unterschied in der qualitativen und sensorischen Bewertung des Rohstoffes nach der Extraktion: Der mit CO2 behandelte Tabak war wesentlich trockener (TS 92 %) und nahezu aromalos. Dagegen zeichnete sich der mit N2/CO2 behandelte Tabak durch nahezu unveränderten Aromagehalt aus und der Feuchtgehalt war unwesentlich verringert. Bei beiden Versuchen war der behandelte Tabak etwas aufgebläht. Deutlich wird die Vergrößerung des spezifischen Volumens allerdings erst nach einer der Extraktion und Entspannung folgenden thermischen Nachbehandlung.With a similar nicotine reduction, there was a significant difference in the qualitative and sensory evaluation of the raw material after extraction: the tobacco treated with CO 2 was significantly drier (DM 92%) and almost flavorless. In contrast, the tobacco treated with N 2 / CO 2 was distinguished by an almost unchanged aroma content and the moisture content was insignificantly reduced. In both trials, the treated tobacco was somewhat bloated. However, the increase in the specific volume only becomes clear after a thermal aftertreatment following the extraction and relaxation.
Claims (5)
dadurch gekennzeichnet,
daß als Lösungsmittel ein Gemisch aus Stickstoff und Kohlendioxid mit 50 bis 80 % Stickstoffanteil verwendet wird und die Extraktion bei Drücken zwischen 250 und 600 bar und Temperaturen oberhalb 50 °C dur chgeführt wird.1. Process for the production of nicotine-free tobacco by high-pressure extraction of the nicotine with the aid of a compressed gaseous solvent,
characterized,
that a mixture of nitrogen and carbon dioxide with 50 to 80% nitrogen content is used as solvent and the extraction is carried out at pressures between 250 and 600 bar and temperatures above 50 ° C.
dadurch gekennzeichnet,
daß der Stickstoffgehalt des Lösungsmittels 70 bis 80 % beträgt und die Extraktion bei Drücken von 300 bis 600 bar durchgeführt wird.2. The method according to claim 1,
characterized,
that the nitrogen content of the solvent is 70 to 80% and the extraction is carried out at pressures of 300 to 600 bar.
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abscheidung des Nikotins aus dem Lösungsmittel durch Änderung der Lösungsmittelzusammensetzung nach Verlassen des Extraktionsbehälters bewirkt wird.3. The method according to claim 1 or 2,
characterized,
that the deposition of the nicotine from the solvent is effected by changing the solvent composition after leaving the extraction container.
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erhöhung der Füllfähigkeit des Tabaks dieser nach der Extraktion des Nikotins entspannt und einer thermischen Nachbehandlung bei Temperaturen zwischen 100 und 300 °C unterzogen wird.4. The method according to any one of claims 1 to 3,
characterized,
that to increase the filling capacity of the tobacco, it relaxes after the extraction of the nicotine and is subjected to a thermal aftertreatment at temperatures between 100 and 300 ° C.
dadurch gekennzeichnet,
daß die thermische Nachbehandlung bei Temperaturen zwischen 150 und 300 °C durchgeführt wird.5. The method according to claim 4,
characterized,
that the thermal aftertreatment is carried out at temperatures between 150 and 300 ° C.
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