KR20090115126A - 수성 담배 추출물 구성성분의 선택적 제거방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

담배 추출물의 특정 구성성분을 선택적으로 제거하는 방법은 추출물을 니트로사민 선택적 흡착제, 금속 선택적 흡착제 및/또는 질산염 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 포함한다. 이와 같은 시약의 바람직한 특징이 확인된다.

수성 담배 추출물, 선택적 흡착제, 담배추출물로부터 특정성분의 제거방법.

Description

수성 담배 추출물 구성성분의 선택적 제거방법 및 장치{METHODS AND APPARATUS FOR THE SELECTIVE REMOVAL OF CONSTITUENTS FROM AQUEOUS TOBACCO EXTRACTS}

본 발명은 담배 식물 추출물로부터 특정 구성성분을 선택적으로 분리하기 위한 개선된 방법 및 장치에 관한 것이다.

수성 담배 추출물을 이용하여, 재구성된 담배를 제작하는 것과 관련된 다양한 방법이 기재된다. 예를 들면, 미국 특허 제 1,016,844; 3,760,815; 3,847,163; 3,386,449 및 4,674,519호를 참조하라. 담배식물 추출물의 내용물을 조절하는 다양한 방법이 또한 기재되어 있다. 예를 들면, 미국 특허 제3,616,801호는 담배 식물 일부를 물과 접촉시켜 수성 담배 추출물을 얻고, 상기 추출물을 처리하여 특정 금속 이온의 함량을 조절하고, 그리고 처리된 수성 담배 추출물을 추출된 담배 일부와 재결합시키는 것을 기재한다. 미국 특허 제5,810,020호는 크라운 에터가 포함하된 유기 용매를 가용성 담배 성분의 수용액으로부터 특정 성분들을 추출하는데 사용하는, 담배 재료의 탈질공정을 기재한다. 미국 특허 제4,153,063; 5,119,835 및 5,497,792호는 담배로부터 니코틴과 같은 알칼로이드를 제거하기 위한 초임계 용매의 용도를 기재한다.

담배 식물 추출물로부터 특정 구성성분을 선택적으로 분리하기 위한 개선된 방법 및 장치가 기재된다. 본 출원은, 그 중에서도, 수성 담배 추출물로부터 특정 구성성분을 경제적으로 및 선택적으로 제거하기 위한 방법 및 장치를 기재한다. 예를 들면, 수성 담배 추출물로부터 선택적으로 담배 특이 니트로사민(TSNA)의 양을 감소시키는 방법은 추출물을 TSNA 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 포함한다. 여기에 사용된 바에 따르면, TSNA 선택적 흡착제는 TSNA 화합물을 알칼로이드와 같은 수성 담배 추출물의 다른 구성성분들보다 실질적으로 큰 정도로 선택적으로 흡착하는 시약이다. TSNA 선택적 흡착제는 바람직하기는 2 보다 큰, 더욱 바람직하기는 4보다 큰, 그리고 가장 바람직하기는 8보다 큰 TSNA 선택지수를 갖는다.

TSNA 선택적 흡수제는 다공성 수지 중합체일 수 있다. 다공성 수지 중합체는 비드 형태로 제공될 수 있다. 수지는 거대망상조직 수지일 수 있다. 바람직하기는, 수지는 팽창 상태에서 가교결합 되어 있는 스타이렌-다이비닐벤젠 공중합체 수지이다. 이와 같은 수지의 바람직한 다양성은 매크로포어 및 마이크로포어 둘 다를 포함하는 포어 구조를 갖고, 즉 더 작은 공동으로 분화하는, 직경이 약 100 Å인 비교적 큰 공동과 채널을 갖는다. 이들 더 작은 구멍들의 평균 직경은 100 Å 미만이고, 예를 들면, 약 30-60 Å, 또는 46Å과 같은, 약 40-50 Å이다.

더우기, 수성 담배 추출물로부터 특정 금속 이온(예를 들면, 카드뮴)의 양을 선택적으로 감소시키는 방법은 추출물을 금속 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 포함한다. 금속 선택적 흡착제는 예를 들면, 비드 형태의 기능화 수지일 수 있다. 수지는 팽창 상태로 가교되어 있고 수지에 병합된 금속 결합된 작용기를 갖는 스티렌-다이비닐벤젠 수지와 같은 중합성 수지일 수 있다. 기능화 수지는 킬레이트 모이어티와 같은, 금속 결합된 작용기를 함유할 수 있다. 킬레이트 모이어티의 바람직한 유형은 이미도다이아세테이트 모이어티이다.

상기 방법은, 담배 식물 부분을 잘게 써는 단계, 담배 식물 부분들을 수집하는 단계, 그리고 담배 식물 부분을 물과 같은 수용액과 접촉시키는 단계와 같은, 수성 담배 추출물의 제조 단계를 또한 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 수성 담배 추출물을 농축하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법의 단계들은 수성 담배 추출물의 다수의 구성성분들을 선택적으로 제거하기 위한 단계들을 포함하는 가공 방법의 일부로서 결합될 수 있다. 더우기, 상기 방법들은 농축 담배 추출물을 다수의 선택적 흡착제와 접촉시키는 단계들을, 담배 추출물이 선택적 흡착제들의 혼합 베드, 수지 접촉 용기의 길이를 따라 분배된 일련의 선택제들과 또는 각각 선택적 흡착제를 함유하는 일련의 연결된 용기에서 접촉되도록 단일 단계로 결합시킬 수 있다.

선택적으로, 수성 담배 추출물은 하나 이상의 배치 공정 단계에서 하나 이상의 선택적 흡착제와 접촉될 수 있고 추출물과 시약(들)은 시약이 베드를 형성하지 않도록 용기에서 접촉된다. 예를 들면, 시약과 추출물은 용기에서 접촉되고 시약이 현탁되지만 포말을 야기할 만큼 심하지 않게 충분히 저어지거나 또는 교반될 수 있다. 시약(들) 또는 추출물은 그리고 나서 여과 또는 시약을 가라앉히는 것과 같은 어느 적절한 방법에 의해 분리될 수 있다.

선택적으로, 향류 배열(counter-current arrangement)이 접촉 단계에서 사용될 수 있다. 이와 같은 배열에서, 수성 담배 추출물과 선택적 흡착제(들)는 용기의 반대 부분으로부터 도입된다. 예를 들면, 수성 담배 추출물은 용기의 상부로 도입되고 반면 선택적 흡착제는 용기의 저부에 연속적으로 도입되어, 시약의 유속이 추출물을 통한 관류 흐름을 달성하고 용기의 최상부 또는 그 근처에서 수집되고 추출물은 용기의 바닥 또는 그 근처에서 수집된다. 선택적으로, 수성 담배 추출물은 용기의 저부로 도입되고 선택적 흡착제는 용기의 상부로 도입될 수 있고, 수성 담배 추출물의 업흐름(upflow) 속도는, 선택적 흡착제는 추출물을 통해 하류로 흘러 시약이 용기의 바닥 부분 또는 그 근처에서 수집될 수 있고 추출물은 용기의 최상부 또는 그 근처에서 수집될 수 있도록 유지될 수 있다.

병렬로 또는 직렬로 접촉하고 있는 다수의 용기를 통해 동시에 추출물을 통과시키는 것이 유리할 수 있다. 이와 같은 시스템에서, 다수의 사용하지 않는 용기들을 유지하는 것이 유리한데, 이것은 사용중인 용기의 수와 거의 동일 할 수 있고, 이것은 대기 중이거나 또는 재생 모드일 수 있다.

바람직하기는 수성 담배 추출물과 선택적 흡착제는 길이 대 직경의 비가 약 2:1 미만인 접촉 용기에 담겨진다.

담배와 같은 식물로부터 흡연 재료의 제조시, 재구성 재료는 식물의 불용성 부분으로부터 가용성 추출물을 분리함에 의해 제조될 수 있다. 가용성 및 불용성 부분은 분리되어 처리되고 이어서 최종 산물로 재결합될 수 있다. 이와 같은 재구 성 재료는 흡연 물품의 여러 부분에 사용될 수 있고 천연 담배 및/또는 다른 재료들과 혼합될 수 있다. 가용성 부분의 처리에서, 특정 구성성분을, 예를 들면 다른 적용에 사용하기 위해 또는 재구성 제품의 특징을 변화시키기 위해 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 본 명세서에 그 전체 내용이 병합되어 있는 미국특허 제 3,616,801호 및 제5,339,838호를 참조하라.

담배 식물의 수성 추출물은 본 분야에 인식된 어느 적절한 방법으로 생성될 수 있다. 예를 들면, 담배 식물을 여과수, 증류수, 탈이온수, 수돗물 또는 수용액과 같은 물과 접촉시키는 것을 포함하는 방법이다. 산, 염기, 염, 완충액 및/또는 알콜과 같은 수혼화성 용매가 물에 첨가되어 담배의 수용성 성분의 추출을 변형시킬 수 있다.

담배는 보통 처리에 앞서 건조 또는 큐어링된다. 담배는 보통 추출물을 제조하기 전 작은 크기로 절단되거나 또는 잘게 썰린다. 선택적으로, 또는 부가적으로, 담배의 가공 중 생성될 수 있는 담배 식물 재료의 작은 조각들 및 더스트가 수성 담배 추출물을 제조하는데 사용될 수 있다. 담배 재료는 일정시간 동안 용기 중에서 물 또는 수용액과 접촉되고, 그동안 혼합물은 젓거나 또는 용기를 회전시킴에 의해 교반될 수 있다. 혼합물의 온도와 압력은 추출 공정을 최적화하도록 조절될 수 있다. 예를 들면, 물 또는 수용액의 온도는 약 38 ℃(약 100℉)보다 높고, 약 43℃ 내지 약 60℃(약 110℉ 내지 약 140℉)이지만, 바람직하기는 용액의 끓는점 이하이다. 바람직한 온도는 약 46~52 ℃ (약 115~125 ℉), 예를 들면, 약 49 ℃ (약 120℉)이다. 상승된 온도 용액이 필요한 경우, 혼합물은 추출기간 동안 가열될 수 있고 또는 용액은 식물 재료와 접촉하기 전에 가열될 수 있다. 필요하다면, 추출물은 추출 및/또는 가공 중 상승된 온도를 유지할 수 있다.

담배의 가용성 부분을 포함하는 액체 수성 추출물은 가만히 따르거나, 여과 또는 원심분리와 같은 적절한 방법에 의해 혼합물 불용성 분획으로부터 분리될 수 있다. 예를 들면, 액체 또는 고체 분획은 불용성 부분을 가라앉힌 후 액체 추출물을 가만히 따름으로써 분리될 수 있고, 이것은 드럼과 같은 곳에서 혼합물을 회전시키거나, 혼합물을 압축하거나, 양동이-형 또는 바스켓-형 원심분리기와 같은 곳에서 원심분리하거나, 이와 같은 단계들의 조합 또는 순환에 의해 촉진될 수 있다. 불용성 담배 부분에서 액체 추출물의 분리를 위한 바람직한 원심분리 유형은 Alfa-Laval에 의해 제조된 양동이-형 원심분리기를 포함한다. 분리 후, 그리고 추출물을 농축하기 전, 추출물은 예비-농축 추출물로 불린다.

본 명세서에 기재된 방법에서, 수성 추출물은 바람직하기는 농축된다. 수성 추출물에서 가용성 담배 구성성분들의 양은 여러 인자들, 예를 들면, 추출물에서 수용액 대 담배 추출물의 비, 잎과 줄기 부분의 상대적 몫, 시간, 온도, 압력, 및 다른 추출 조건에 의해 영향을 받을 수 있다. 추출물의 농축은 예를 들면, 증발과 역삼투를 포함하는 어느 적절한 방법에 의해 수행될 수 있다. 바람직하기는, 추출물은 수성 용매의 증발에 의해 경제적으로 농축될 수 있다. 증발은 추출물을 낮은 압력 및/또는 증가된 온도에 노출함으로써 그리고 회전 용기와 같이, 용매의 노출 표면적을 증가시키는 장치에 의해 촉진될 수 있다.

전형적으로, 추출물은 약 43℃ 내지 약 60℃ (약 110℉ 내지 약 140℉), 바 람직하기는 약 49 ℃ (약 120℉)와 같은 상승된 온도에서 유지된다. 수성 담배 추출물의 특징은 높은 온도가 추출물 점도를 증가시킬 수 있어, 낮은 온도가 추출물 흐름 처리 및 흡착 용량을 개선시킬 수 있다는 것이다. 회전 장치상의 용기와 같은 것에서 추출물을 끊임없이 젓거나 또는 그렇지 않다면 혼합하는 것이 유리하다. 이와 같은 교반은 바람직하기는 추출물에서 겔의 형성을 막기에 충분하고 바람직하기는 거품을 일으킬 정도로 강하지는 않다.

추출물에서 농축 정도는 비중과 굴절률과 같은 다양한 방법에 의해 측정될 수 있다. 본 발명에 사용하기 위해, 추출물은 바람직하기는 약 1.5x, 2x 또는 3x~5x의 인자로 농축되고, 예를 들면, 추출물은 약 43℃ 내지 약 60℃(약 110℉ 내지 약 140℉)에서 약 1.2 g/ml 내지 약 1.35 g/ml, 예를 들면, 약 1.28 g/ml의 밀도로 농축된다.

수성 담배 추출물로부터 담배 특이 니트로사민( TSNA )의 선택적 제거

수성 담배 추출물로부터 TSNA를 선택적으로 제거하는데 효과적인 TSNA 선택적 흡착제의 바람직한 특성이 확인되었다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, TSNA는 화합물 4-(메틸니트로스아미노)-1-(3-피리딜)-1-부탄온(NNK), N'-니트로스노르니코틴(NNN), N'-니트로소아나바신(NAB), 및 N'-니트로소아나타빈(NAT)을 포함한다. 그러므로, 예를 들면, 수성 담배 추출물로부터 하나 이상의 이와 같은 TSNA의 양을 선택적으로 감소시키는 방법은 추출물을 TSNA 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 포함한다. 활성탄소와 같은 비-특이 흡착제는 수용액으로부터 TSBA와 같은 유기 화합물을 제거할 수 있고, 바람직한 특성의 조합을 갖는 흡착제들이 놀라운 선택성과 효과를 갖는다는 것이 발견되었다.

바람직한 TSNA 선택적 흡착제는 스티렌 또는 알킬스티렌과 다이비닐 벤젠 및/또는 트라이비닐 벤젠 공중합체 수지의 높게 가교된 비-이온성 공중합체의 비드를 포함한다. 프라이델-크라프트 촉매를 사용한 팽창 상태로 후-가교 결합된, 할로알킬화 스티렌-다이비닐벤젠 수지의 비드를 포함하는 시약이 바람직하다. 이와 같은 수지는, 본 명세서에 그 전체가 참조로서 병합된, 미국 특허 제 5,079,274, 및 인용된 참조문헌에 상세히 기재되어 있다.

TSNA 선택적 흡착제는 비-이온성 스티렌-다이비닐 벤젠 매크로다공성 또는 매크로망상조직 수지일 수 있다. 매크로망상조직 수지는 약 100Å의 비교적 큰 구멍을 갖고, 이것은 더 작은 구멍들과 채널로 나뉘고, 더 작은 구멍들의 직경은 약 10Å이다. 그러므로, TSNA 선택적 흡착제는 바람직하기는 구멍 크기 분포가 넓은 높은 내부 표면적을 갖는다. 바람직한 TSNA 선택적 흡착제는 약 100Å 미만의 구멍 크기, 또는 약 50Å 미만의 구멍 크기(예를 들면, 약 46Å)를 특징으로 한다. TSNA 선택적 흡착제의 내부 표면적은 약 300 m²/g 내지 더욱 바람직하기는 적어도 약 1000 m²/g 초과, 가장 바람직하기는 약 1100 m²/g이다. 약 1.15 cm³/g 초과의 총 다공도(입자 특이 구멍 부피)가 또한 바람직하다. 바람직한 TSNA 선택적 흡착제 수지는 약 20-50 메쉬의 입자크기 및 높은 가교 수지를 나타내는 약 500(g/비드)보다 큰 분쇄 강도를 갖는다.

스티렌-다이비닐 벤젠 수지를 포함하는 바람직한 TSNA 선택적 흡착제는 고체 밀도가 적어도 약 1.2 g/cm³, 예를 들면, 약 1.24 g/cm³이고, 벌크 밀도가 적어도 약 0.3 g/cm³, 예를 들면, 약 0.35 g/cm³이고 입자 밀도가 약 0.50 g/cm³이다. 이와 같은 수지는 약 0.7, 예를 들면, 0.71의 공극 분획, 약 0.3, 예를 들면 0.31의 벌크 공극 분획 및 약 0.6, 예를 들면, 0.59의 입자 공극 분획을 갖는다. 이와 같은 수지의 입자 특이 구멍 부피는 적어도 약 1.1 cm³/g, 예를 들면, 약 1.17 cm³/g일 수 있다. 입자 크기는 바람직하기는 사우터(Sauter) 평균직경이 약 0.7mm이고 수평균 직경은 약 0.65mm이고 입자의 약 70% 초과는 0.5mm 내지 0.8mm의 직경을 갖는다.

TSNA 선택적 흡착제의 바람직한 특성을 갖는 수지의 바람직한 예는 다우 케미칼사의 Dowex™ Optipore™ L493, (또한, 제조사에 의해 XUS-43493로도 표기되고, 기체상 적용을 위해 제조되는 경우는 V493로 표기된다)이다. Purolite™ MN-200는 어떤 점에서는 Dowex™ Optipore™ L493와 비슷하고 허용가능한 TSNA 선택적 흡착제의 또 다른 예이다. 추가의 예로서, 수성 담배 추출물로부터 TSNA 화합물을 제거할 수 있는 아크릴성 에스터 중합체 수지는 Rohm 및 Haas XAD-7이다. 예시적 중합체 수지 중에서, Dowex™ Optipore™ L493의 특징을 갖는 수지는 TSNA의 선택적 제거를 위해 Rohm 및 Haas XAD-7보다 바람직하다. 상기 내용을 고려하여, TSNA 선택적 흡착제의 추가의 바람직한 특성은 이들 제품들의 물리적 특성을 시험함으로써 측정될 수 있다.

이론에 얽매일 의도 없이, TSNA의 환원이 일어나는 메카니즘은 소수성 상호 작용에 의해 분자 사이징과 결부하는 것으로 믿어진다. 흡착제의 화학적 조성과 구조적 특징은 모두 효율성 및 선택성에 기여하는 것을 믿어진다. 그러므로, TSNA 선택적 흡착제는 바람직하기는 비-이온성이고 TSNA 분자의 사이즈 선택성인 구멍을 포함한다. 상기 바람직한 특성 및 시판 제품들은 예시되어 있고 제한되거나 소모적이지 않다. TSNA 선택적 시약이 예시 중 하나이거나 모든 바람직한 특징을 지녀야 하는 것은 아니다. 그러나, 본 발명에 사용하기 위한 바람직한 TSNA 선택적 흡착제는 일반적으로 예시적인 바람직한 시약의 특징들과 유사한 다수의 특징을 가질 것이다.

흡착제와 결부된 추출물의 특징은 선택된 구성성분들의 흡착에 영향을 미칠수 있다. 예를 들면, TSNA의 농도의 증가는 TSNA 선택적 흡착제의 흡착 용량을 증가시킨다. 온도가 높을수록 TSNA 선택적 흡착제의 흡착 성능은 감소한다. 그러나, 농축된 담배 추출물의 점도는 온도에 크게 영향을 받을 수 있고, 점도는 흡착 속도에 영향을 미칠 수 있다. 지침과 유사하기는, 약 49 ℃(약 120℉)의 온도가 바람직하고, 또는 최적을 위한 출발점으로 작용할 수 있다. 최적 온도는 흡착 성능을 제공하면서 공정을 위한 적합한 점도를 유지하는 조건을 균형 맞추기 위한 장비의 베열 및 추출물의 상태에 의존한다.

추출물의 pH는 TSNA 선택적 흡착제의 선택성에 영향을 미칠 수 있다. 일반적으로 pH가 높을수록 아민과 같은 유기 염기의 흡착이 선호된다. pH가 낮으면 일반적으로 페놀과 같은 유기산의 흡착이 선호된다. 약 5 내지 7, 예를 들면, 약 5.7 내지 6.1의 pH 범위가 특히 바람직하다.

TSNA 선택적 흡착제는 담배 추출물로부터 TSNA 화합물을 효과적으로 제거하고, TSNA 화합물을 다른 화합물을 제거하는 것보다 큰 정도로 제거하는 시약으로 정의된다. 예를 들면, TSNA 선택적 흡착제는 바람직하기는 수성 담배 추출물에 존재하는 다른 유기 성분들보다 TSNA를 더 크게 추출한다. 담배 추출물에서의 이런 선택성이 측정될 수 있는 예시적 화합물은 알칼로이드, 환원당, 및 가용성 암모니아이다.

수성 담배 추출물에서 TSNA를 제거할 때 재료의 유효성의 측정은 표준화 조건하에서 흡착제의 표준화된 양을 사용하여 TSNA 화합물의 감소를 직접 측정함으로써 결정될 수 있다. 예를 들면, TSNA 화합물과 다른 화합물의 농도는 어느 인식된 정량적 과정을 이용한 미처리 농축 수성 담배 추출물의 샘플에서 측정될 수 있다. 흡착성을 측정하기 위해, 추출물과 흡착재를 회전 플레이트 중의 바이알에 놓음으로써 흡착제가 현탁을 유지하기에 충분히 일정하게 저어주거나 또는 교반하는 조건하에서, 농축된 추출물(예를 들면, 약 1.25g/cm³)의 샘플이 약 43℃ 내지 약 60℃(약 110℉ 내지 약 140℉)와 같은 담배 추출물의 처리에 알맞는 온도와 평형을 이루도록 한다. 총 TSNA 화합물의 농도는 처리된 및 미처리 추출물과 비교한다. 1 내지 100의 규모인 TSNA 흡착성 지수는 시약 1g에 의해 농축 수성 담배 추출물 35ml로부터 제거된 총 TSNA 화합물의 비율로 정한다. 본 발명에 사용하기 위한 TSNA 선택적 흡착제는 바람직하기는 흡착성 지수가 50을 초과하는 것이다. 흡착성 지수가 약 70을 초과하는 TSNA 선택적 흡착제가 바람직하고, 지수가 약 80 이상인 시약이 가장 바람직하다.

TSNA 선택적 시약의 선택성 지수는 다음과 같은 과정을 사용하여 정해질 수 있다. 총 TSNA 화합물의 수준과 알칼로이드 화합물의 수준이 농축 수성 담배 추출물의 샘플에서 결정된다. 농축 수성 담배 추출물의 샘플(35 ml)은 일정하게 교반되면서, 이와 같은 추출물의 처리와 일치하는 온도, 예를 들면 약 43℃ 내지 약 60℃(약 110℉ 내지 약 140℉)에서 시약 (1g)과 접촉된다. 혼합물이 평형을 이루도록 한다. 시약은 농축 수성 담배 추출물로부터 분리되고, TSNA 화합물의 수준과 알칼로이드 화합물의 수준이 농축 수성 담배 추출물에서 다시 측정된다. TSNA 선택성 지수는 43℃에서 시약 1g에 의해 농축 수성 담배 추출물 35ml에서 모든 TSNA 화합물의 수준의 감소율을 알칼로이드에서의 감소율로 나누어 정한다. 실례로서, TSNA 수준이 80% 감소하고 알칼로이드 수준이 10% 감소된 시약의 TSNA 선택성 지수는 8이다. 본 발명의 용도에 따른 TSNA 선택적 흡착제의 TSNA 선택성 지수는 바람직하기는 약 2이고, 더욱 바람직하기는 약 4보다 크고 가장 바람직하기는 적어도 약 8이다(예를 들면, 20, 30, 40, 50 또는 60±5 보다 크다).

이와 관련하여, Dowex™ Optipore™ L493 (또는 V493) 수지의 특징을 갖는 TSNA 선택적 시약은 Rohm 및 Haas XAD-7와 같은 선택적 수지 또는 범용 흡착제보다 TSNA에 대한 실질적으로 더 큰 결합된 유효성 및 선택성을 갖는다는 것이 발견되었다. 이들 수지 입자들의 평균 특징을 표 1에 비교하여 요약하였다.

유리하기는, TSNA 선택적 흡착제는 TSNA 흡착성 지수가 약 70 이상이고 TSNA 선택성 지수는 적어도 약 5이다. 예를 들면, TSNA 선택적 흡착제는 TSNA 흡착성 지 수가 약 80 이상이고 TSNA 선택성 지수는 적어도 약 10이다. 선택적으로 TSNA 선택적 흡착제는 TSNA 흡착성 지수가 약 50 이상이고 TSNA 선택성 지구는 약 10 초과이다.

수성 담배 추출물에서 카드뮴( Cd ), 수은( Hg ), 니켈( Ni ), 납( Pb ) 및 기타 수용성 금속 이온의 선택적 제거

수성 담배 추출물로부터 카드뮴과 같은 다량의 금속 이온을 선택적으로 감소시키는 방법은 추출물을 금속 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 포함할 수 있다. 수성 담배 추출물에서 가용성 금속 이온을 선택적으로 제거하는데 효과적인 금속 선택적 흡수제의 성질이 확인되었다. 수성 담배 추출물로부터 금속 이온을 제거하기 위한 효율성과 선택성의 놀라운 결합이 다음과 같은 성질의 결합을 갖는 약산 양이온 교환수지의 사용에 의해 달성될 수 있다는 것이 발견되었다.

바람직한 수지는 금속 선택성 킬레이트화 작용기를 갖는 매크로다공성 또는 매크로망상조직 스티렌-다이비닐 벤젠 수지를 포함한다. 적절한 수지의 바람직한 메쉬 스크린은 약 14~52 또는 약 16~50 메쉬이다. 입자 크기는 바람직하기는 평균 Sauter 직경이 약 0.44mm이고 수 평균이 약 0.42이고 입자의 약 70% 이상의 직경은 0.35mm 내지 0.5mm이다.

바람직하기는, 수지의 평균 고체 밀도는 약 1.4 g/cm³, 예를 들면, 메탄올 중에서 1.43 g/cm³이고, 공기 중 평균 벌크 밀도는 약 0.5 g/cm³, 예를 들면, 약 0.47 g/cm³이고, 평균 입자 밀도는 약 0.6 g/cm³, 예를 들면, 약 0.64 g/cm³이다. 총 공극률은 바람직하기는 약 0.7, 예를 들면, 0.67이고, 벌크 공극률은 약 0.25, 예를 들면, 0.27이고 입자 공극률은 약 0.55이다. 그러므로, 입자 특이 공극 부피는 바람직하기는 약 0.85 cm³/g이다. 바람직한 수지는 교환 용량이 적어도 약 1.1 eq/l이고, 더욱 바람직한 용량은 적어도 약 1.35 eq/l이다. 유리하기는, 수지는 킬레이트화 모이어티로 기능화된다. 바람직하기는, 금속 선택적 흡착제는 킬레이트화 모이어티 산으로 기능화되고 교환 용량이 적어도 약 1.1 eq/l인 수지이다.

킬레이트화 모이어티는 일반적으로 금속 이온의 원자 오비탈과 상호작용하기 위해 다소 변형될 수 있는 분자 기하에서, 산소 또는 질소원자와 같은 금속 결합 원자에 있는 기능적 화학기이다. 금속 결합원자의 위치가 특별한 금속 원자의 원자가 오비탈의 기하에 거의 상응할 때, 특이성 및 친화성이 최적이 될 것이다. 이미도다이아세트산 기는 그것의 선택적 금속 결합 성질로 인해 바람직한 킬레이트화 모이어티이다. 킬레이트화 모이어티의 추가의 예는 니트릴로트라이아세트산(NTA) 및 에틸렌다이아민 테트라-아세트산을 포함하고, 이것은 또한 수지와 병합할 수 있다. 금속 선택적 흡착제는 킬레이트화 모이어티로 기능화된 스티렌-다이비닐 벤젠 수지일 수 있다.

바람직한 금속 선택적 흡착제의 예는 Rohm and Haas사의 Amberlite™ IRC-748를 포함한다. 이미도다이아세테이트 작용기를 갖는 매크로다공성 스티렌-다이비닐 벤젠 수지인 선택적인 금속 선택적 흡착제의 예는 Purolite Company의 Purolite™ S-930 및 다우 케미칼 사의 Dowex™ IDA-1를 포함한다. 추가의 예는 Bio-Rad사에서 시판되는 Chelex20 및 Sybron™, a Bayer™ Company에서 판매되는 Lewatit TP 207 및 TP 208를 포함한다. 수성 담배 추출물로부터 특정 금속을 선택적으로 제거하기 위한 또 다른 선택적 시약은 아미노포스폰성 작용기(-NHCH₂PO₃)를 포함하는 스티렌-다이비닐 벤젠 수지를 포함한다. 이와 같은 수지의 한 예는 다우 케미칼 사의 Dowex™ IPA-1이다.

본 분야의 당업자는 금속 선택적 흡착제의 상기 바람직한 특징 및 상기 상업적 제품의 예가 예시적이며 제한적이거나 배타적이 아니라는 것을 인식할 것이다. 이들 예에 의해 설명된 특징들의 조합을 갖는 어느 흡착 재료, 즉 금속 선택적 킬레이트화 기능성을 포함하는 다공성 재료는, 이것이 적절한 흡착성과 선택성을 갖는 한, 본 발명에 기재된 방법의 범위 내의 금속 선택적 흡착제일 수 있다.

본 발명에 사용되는 바와 같은 금속 선택적 흡착제는 농축된 수성 담배 추출물로부터 수용성 금속을, 다른 구성성분, 즉 알칼로이드와 같은 유기 화합물을 흡착하는 것보다 더 크게 효과적으로 제거하는 시약이다. 수성 담배 추출물로부터 가용성 금속을 제거하는 효율의 측정은 표준 조건하에서 표준화된 흡착제의 양을 이용하여 직접 가용성 금속의 감소를 측정함으로써 결정될 수 있다. 예를 들면, 가용성 금속의 농도는 어느 인식된 정량 과정을 이용하여 미처리된 농축 수성 담배 추출물의 샘플에서 측정될 수 있다. 농축된 추출물의 샘플(35 ml)은 담배 추출물의 처리에 일치하는 온도에서, 즉 약 43℃ 내지 약 60℃(약 110℉ 내지 약 140℉)에서 흡착제(1g)의 존재하에, 회전판에 있는 바이알에 재료를 놓는 것과 같이, 흡착제가 현탁을 유지하기에 충분하게 계속 젓거나 또는 교반하는 조건하에서 평형을 이루도록 한다. 처리된 및 미처리된 추출물에서 총 가용성 금속의 농도를 비교한다. 편리하도록, 0 내지 100의 흡착성 지수는 43℃(110℉)에서 시약 1g에 의해 추출된 농축 수성 담배 추출물 35ml로부터 제거된 가용성 금속의 비율로 정해질 수 있다. 본 발명에 사용될 가용성 금속 선택적 흡착제의 흡착 지수는 바람직하기는 약 60을 초과한다. 흡착 지수가 70을 초과하는 가용성 금속 선택적 흡착제가 바람직하고, 지수가 약 75 또는 그 이상인 시약이 가장 바람직하다.

선택성은 간단한 시험에 의해 결정될 수 있는 지수로 설명될 수 있다. 금속(즉, 금속 양이온)과 유기 화합물 사이에서 선택적인 시약이 여러 금속이온들 사이에 선택적인 시약과 비교하여 바람직하다. 그러므로, 담배 추출물의 금속과 유기 구성성분 사이의 선택성은 금속 선택적 흡착제에 관한 유리한 기준이다. 예를 들면, 카드뮴 선택성 지수는 금속 선택적 흡착제에 대해 다음과 같이 정의될 수 있다: 카드뮴의 수준과 알칼로이드 화합물의 수준은 농축된 수성 담배 추출물의 샘플에서 측정된다. 상당한 양의 농축된 수성 담배 추출물(35ml)은 이와 같은 추출물의 처리에 적합한 온도, 예를 들면, 약 43℃ 내지 약 60℃(약 110℉ 내지 약 140℉)에서 일정하게 교반하면서(즉, 추출물에 버블이 도입되거나 포말이 형성되지 않도록 젓기 또는 부드럽게 흔들기) 상당한 양의 시약(1g)과 접촉된다

혼합물이 평형을 이루도록 한다. 시약은 농축된 수성 담배 추출물로부터 분리되고 카드뮴의 수준과 알칼로이드 화합물의 수준이 농축된 수성 담배 추출물에서 다시 측정된다. 금속 선택성 지수는 43℃(110℉)에서 농축된 수성 담배 추출물 35ml에서 시약 1g에 의한 카드뮴 수준의 감소 비율을 알칼로이드에서의 감소 비율로 나누어 결정된다. 예를 들면, 카드뮴 수준이 75%까지 감소하고 알칼로이드 수준이 5%까지 감소한 시약의 카드뮴 선택성 지수는 15이다.

본 명세서에 기재된 용도에 따른 카드뮴 선택적 흡착제는 카드뮴 선택적 지수가 15를 초과하고 더욱 바람직하기는 약 20을 초과한다(예를 들면, 30, 40, 50, 60 또는 70±5를 초과한다). 아래에 설명한 바와 같이, 여러 조건은 시약의 선택성에 영향을 미칠 수 있다. 이들 요소들을 고려하여, 흡연 재료의 제조를 위한 담배 추출물의 처리에 적합한 가장 바람직한 조건은 본 명세서에 기재된 방법을 적용하여 개별적으로 결정되어야 한다는 것을 이해하여야 한다.

유리하기는, 금속 선택적 흡착제는 Cd 흡착성 지수가 약 75 이상이고 Cd 선택성 지수는 15 이상이다. 예를 들면, 금속 선택적 흡착제는 Cd 흡착성 지수가 약 75 이상이고 Cd 선택성 지수는 약 20 이상이다.

이 발견에 따라, 담배의 수성 추출물로부터 카드뮴, 니켈, 수은, 및 납과 같은 금속을 선택적으로 제거하는 방법은 수성 추출물을 금속 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 포함한다. 금속 선택적 흡착제는 매크로다공성 가교된 금속 결합 폴리머 수지일 수 있다. 바람직한 매크로다공성 수지는 공중합체로 형성되고 그 후 팽창 상태에서 후-가교결합 하는 것이다. 이와 같은 중합체는 바람직하기는 이미도다이아세트산 기와 같은 킬레이트화 작용기를 포함한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 본 방법은 수성 추출물을 이미노다이아세트산 기능화된 스티렌-다이비닐벤젠 수지와 접촉시키는 것을 포함한다.

특정 2가 양이온을 위한 이미도다이아세테이트 작용성 킬레이트화기를 갖는 스티렌 다이비닐벤젠 공중합체의 상대적 친화성은 상대이온, 추출물의 이온 강도, 및 액체 추출물의 pH에 의해 영향을 받을 수 있다. 그러므로, Hg^{2 +}에 대한 선택성은 질산염의 존재에서 증가될 수 있다. 염소 이온의 존재에서, Hg^{2 +}는 낮은 특이성으로 제거될 수 있고 다른 이온은 더 높은 상대 친화성으로 제거될 수 있다.

또 다른 예에 따르면, Hg^{2 +} 대 Cd^{2 +}에 관한 이와 같은 중합체 수지의 상대적 친화성은 약 pH 4에서 더 클 수 있고 반면 Cd^{2 +}의 상대적 친화성은 pH가 높아지고(약 pH 9) 수성 추출물의 이온 강도가 커질 때(1.5M 이온 강도의 용액에서와 같이) 증가될 수 있다.

그러므로, 수성 추출물은 담배 추출물의 pH를 조정함에 의해, 이온강도를 증가시키거나 또는 감소시킴에 의해 또는 (NO₃와 같은) 특정 상대이온의 존재하에 특이 가용성 금속 이온의 선택적 제거를 위해 조정될 수 있다. 이와 같은 조정은 선택된 구성성분의 원하는 제거에 따른 선택성이 최대화되도록 공정 단계(즉, 농축, 희석, 질산염의 제거 등)를 조정하여, 전체 공정 방법의 일부로서 경제적으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 추출물의 이온강도는 담배 추출물의 농축 또는 희석에 의해 조정될 수 있다. 더우기, 질산염과 같은 비-금속 이온의 제거를 수행하는 공정 단계는 추출물을 킬레이트화 작용기를 포함하는 매크로다공성 중합체와 접촉시키는 것을 포함하는 단계 전 및/또는 후에 수행된다.

또 다른 예에서, 추출된 수성 담배의 pH는 추출물을 킬레이트화 수지와 접촉시키기 전에 약 pH 7 아래, 예를 들면 약 pH 5 또는 약 pH 4로 조정할 수 있다. pH는 강산 또는 약산과 염기 및 완충 화합물을 포함하여 산성 또는 염기성 화합물을 첨가함으로써 조절될 수 있다. 그러나, pH 2와 같은 매우 낮은 pH에서, 수지는 금속 이온과 결합에 실패할 수 있다. 그러므로, 킬레이트화 수지와 접촉 중 pH는 산성 킬레이트 작용기의 pKa 보다 높은 것이 바람직하다. 선택적으로, 예를 들면, 추출된 수성 담배의 pH는 추출물이 킬레이트화 수지와 접촉하기 전에 약 pH 7보다 높게, 예를 들면, 약 pH 9 또는 약 pH 12로 조절될 수 있다.

방법의 정교함에서, 장치는 담배 추출물이 2회 이상의 별도의 시간에, 킬레이트화 수지와의 각각의 접촉 사이에 하나 이상의 금속 이온의 선택적 제거를 증가시키기 위해 추출물이 조정되면서 킬레이트 수지와 접촉되도록 배열될 수 있다.

수성 담배 추출물로부터 질산염의 선택적 제거

통상적으로, 질산염은 담배 추출물로부터 결정화법에 의해 제거된다. 그러나, 이것은 처리의 분리된 단계와 부속 설비 작동 및 유지 비용을 요구한다. 추출물을 질산염 선택적 흡착제와 접촉시키는 것을 포함하는, 수성 담배 추출물로부터 질산염의 양을 선택적으로 감소시키는 방법은 결정화 없이 수행될 수 있다. 더우기, 본 방법은 담배 추출물의 하나 이상의 구성성분의 선택적 제거와 분리되어 또는 결합하여 수행될 수 있다. 수성 담배 추출물의 처리 중 사용하기 위한 질산염 선택적 흡착제의 바람직한 성질은 확인되어있다.

바람직한 질산염 선택적 흡착제는 바람직하기는 강 염기 또는 약 염기 모이어티에 의해 기능화된, 겔 또는 매크로망상조직 수지로서 음이온성 스피렌-다이비닐 벤젠 공중합체 또는 아크릴성-다이비닐 벤젠을 포함한다. 바람직한 질산염 선택적 흡착제는 3급 또는 4급 아민 또는 4급 암모늄 작용기를 포함할 수 있다.

질산염 선택적 흡착제의 바람직한 성질을 갖는 수지의 바람직한 예는 다우 케미칼 사의 Dowex™ Marathon™ WBA-2, Dowex™ Marathon™ A 및 MTO-Dowex™ M43, 및 Rohm and Haas Amberlite™ FPA51, FPA53 및 FPA90CI을 포함한다. 질산염 선택적 흡착제는 예시된 재료로 제한되는 것이 아님을 명심해야 한다. 질산염 선택적 흡착제의 바람직한 성질은 이들 예시적 질산염 선택적 흡착제의 시험에 의해 결정될 수 있다. 더우기, 질산염 선택적 흡착제는, 시약이 질산염 선택적 흡착제의 흡착성 및 선택성을 갖는 한, 상기 예시와 다른 특성을 포함하여 제조될 수 있다.

약 염기 작용성을 갖는 매크로망상조직 스티렌-다이비닐 벤젠 수지를 포함하는, Rohm and Haas Amberlite™ FPA51로 예시되는 바람직한 질산염 선택적 흡착제는 고체 밀도가 약 1.06 g/cm³이고, 벌크 밀도가 약 0.32 g/cm³이고, 입자 밀도가 약 0.47 g/cm³이다. 이와 같은 수지는 바람직하기는 공극률이 약 0.70이고, 벌크 공극률이 약 0.31이고 입자 공극률이 약 0.56이다. 이와 같은 수지의 입자 특이 구멍 부피는 바람직하기는 약 1.18 cm³/g이다. 입자 크기는 바람직하기는 Sauter 평균직경이 약 0.34 mm이고 수평균 직경은 약 0.29 mm일 수 있다.

약한 염기 작용성을 갖는 아크릴성-다이비닐 벤젠 겔을 포함하는 Rohm and Haas Amberlite™ FPA53로 예시되는 바람직한 니트레이트 선택성 흡착제는 고체 밀도가 약 1.15 g/cm³이고, 벌크 밀도가 약 0.63 g/cm³이고, 입자 밀도가 약 0.97 g/cm³이다. 이와 같은 수지는 바람직하기는 공극 분획이 약 0.45이고, 벌크 공극 분획이 약 0.35이고, 그리고 입자 공극 분획이 약 0.16이다. 이와 같은 수지의 입자 특이 공극 부피는 약 0.16 cm³/g이다. 입자 크기는 바람직하기는 Sauter 평균 직경이 약 0.49 mm이고 수평균 직경은 약 0.45 mm이다.

강 염기성 4급 암모늄 작용성을 갖는 스티렌-다이비닐 벤젠 수지 매크로망상수지를 포함하는, Rohm and Haas Amberlite™ FPA90CI로 예시되는 바람직한 질산염 선택적 흡착제는 고체 밀도가 약 1.26 g/cm³이고, 벌크 밀도가 약 0.46 g/cm3이고 입자밀도가 약 0.60 g/cm³이다. 이와 같은 수지는 바람직하기는 공극 분획이 약 0.63이고, 벌크 공극 분획이 약 0.23이고 입자 공극 분획이 약 0.53이다. 이와 같은 수지의 입자 특이 공극 부피는 바람직하기는 약 0.88 cm³/g이다. 입자 크기는 바람직하기는 Sauter 평균 직경이 약 0.42 mm이고 수평균직경이 약 0.36 mm이다.

약 염기성 4급 아민 작용성을 갖는 스티렌-다이비닐 벤젠 수지 매크로망상 수지를 포함하는, Dowex™ Marathon WBA-2로 예시되는 바람직한 질산염 선택적 흡착제는 고체 밀도가 약 1.11 g/cm³이고, 벌크 밀도가 약 0.42 g/cm³이고, 그리고 입자 밀도가 약 0.61 g/cm³이다. 이와 같은 수지는 바람직하기는 공극분획이 약 0.63이고 벌크 공극 분획이 약 0.32이고 입자 공극 분획이 약 0.45이다. 이와 같은 수지의 입자 특이 구멍 부피는 바람직하기는 약 0.73 cm³/g이다. 입자 크기는 바람직하기는 Sauter 평균 직경이 약 0.53 mm이고 수 평균 직경은 약 0.50 mm이다.

강 염기성 4급 아민 작용성을 갖는 스티렌-다이비닐 벤젠 수지 매크로망상 수지를 포함하는, Dowex™ Marathon™ A을 예시로 하는 바람직한 질산염 선택적 흡착제는 고체 밀도가 약 1.26 g/cm³이고, 벌크 밀도가 약 0.65 g/cm³이고, 입자 밀도가 약 0.96 g/cm³이다. 이와 같은 수지는 바람직하기는 공극 분획이 약 0.48이고, 벌크 공극 분획이 약 0.32이고 입자 공극 분획이 약 0.24이다. 이와 같은 수지의 입자 특이 구멍 부피는 바람직하기는 약 0.25 cm³/g이다. 입자 크기는 바람직하기는 Sauter 평균 직경이 약 0.35mm이고, 수평균 직경은 약 0.33 mm일 수 있다.

약 1.55 eq/liter보다 큰 약 염기성 작용성을 갖는 스티렌-다이비닐 벤젠 수지 매크로망상 수지를 포함하는, Dowex™ M43을 예시로 하는 바람직한 질산염 선택적 흡착제는 고체 밀도가 약 1.13 g/cm³이고, 벌크 밀도가 약 0.43 g/cm³이고, 입자 밀도가 약 0.61 g/cm³이다. 이와 같은 수지는 바람직하기는 공극 분획이 약 0.62이고, 벌크 공극 분획이 약 0.30이고 입자 공극 분획이 약 0.46이다. 이와 같은 수지의 입자 특이 구멍 부피는 바람직하기는 약 0.75 cm³/g이다. 입자 크기는 바람직하기는 Sauter 평균 직경이 약 0.52 mm이고, 수 평균 직경은 약 0.46 mm일 수 있다.

바람직하기는, 질산염 선택적 흡착제는 약 0.6%(즉, 0.12mmol/ml) 질산염 추출물을 갖는 추출물 중 흡착제 그램 당 약 0.35mmol 초과, 바람직하기는 약 0.37mmol 초과, 더욱 바람직하기는 약 0.38mmol 또는 0.42mmol를 장전하는 질산염 흡착에 대한 실질적 용량을 갖고, 약 6시간 미만, 더욱 바람직하기는 약 4시간 미만, 및 가장 바람직하기는 약 2시간 이하로 담배 추출물과 접촉하여 평형을 가져올 수 있다.

질산염 선택적 흡착제는 담배 추출물에서 질산염을 효과적으로 제거하고, 다른 화합물을 제거하는 것보다 더 큰 정도로 질산염 화합물을 제거하는 시약으로 정의된다. 예를 들면, 질산염 선택적 흡착제는 바람직하기는 질산염을, 수성 담배 추출물에 존재하는 다른 유기 성분보다 큰 정도로 추출한다. 담배 추출물에서 그것에 대한 선택성을 측정할 수 있는 예시적 화합물은 알칼로이드, 환원당 및 가용성 암모니아이다.

수성 담배 추출물로부터 질산염을 제거할 때 시약의 유효성의 측정은 표준 조건하에서 표준화된 양의 흡착제를 사용하여 질산염 화합물의 감소를 간단히 측정함으로써 결정될 수 있다. 예를 들면, 질산염 화합물과 다른 화합물의 농도는 미처리 농축 수성 담배 추출물의 샘플에서 어느 인정된 정량적 과정을 사용하여 측정될 수 있다. 밀도가 약 1.28 g/ml인 농축 추출물 샘플(35ml)을 약 43℃ 내지 약 60℃(약 110℉ 내지 약 140℉)와 같은 담배 추출물 처리와 일치하는 온도에서, 흡착제 3g의 존재하에, 회전 플레이트 상의 바이알에 추출물과 흡착제를 놓는 것과 같이, 흡착제가 현탁을 유지하기에 충분히 일정하게 젓거나 교반시키면서 평형을 이루도록 하였다. 총 질산염 화합물의 농도를 처리 및 미처리 추출물에서 비교한다. 0 내지 100 크기의 흡착성 지수는 43℃(110℉)에서 시약 3g에 의해 농축 수성 담배 추출물 35ml로부터 제거된 총 질산염 화합물의 비율로 정한다. 본 방법에 사용하기 위한 질산염 선택적 흡착제는 바람직하기는 흡착성 지수가 적어도 12 또는 16이고 바람직하기는 23을 초과하는 것이다. 질산염 선택적 흡착제는 질산염 흡착성 지수가 약 37일 수 있다. 질산염 선택적 흡착제는 질산염 흡착성 지수가 약 37을 초과하는 것이 더욱 바람직하고, 약 44를 초과하거나 또는 51 이상인 것이 더욱 바람직하다.

질산염 선택적 시약의 선택성 지수는 다음 과정을 사용하여 정해질 수 있다.

총 질산염 화합물의 수준과 알칼로이드 화합물의 수준은 농축된 수성 담배 추출물의 샘플에서 측정된다. 상당한 양의 농축된 수성 담배 추출물(35ml)를, 이와 같은 추출물의 처리 중 보통 유지되는 온도, 예를 들면, 약 43℃(약 110℉)에서 일정하게 교반하면서 시약(3g)과 접촉시킨다. 혼합물이 평형을 이루도록 한다. 시약을 농축된 수성 담배 추출물로부터 분리시키고, 질산염 수준과 알칼로이드 화합물의 수준을 농축된 수성 담배 추출물에서 다시 측정한다. 모든 질산염 화합물의 수준에서 감소율을 알칼로이드의 감소율로 나눈다. 예를 들면, 질산염 농도가 42%까지 감소되고 알칼로이드 농도가 4.1%까지 감소된 시약은 질산염 선택성 지수가 10을 초과한다. 이 용도에 따른 질산염 선택적 흡착제는 바람직하기는 질산염 선택성 지수가 적어도 3.8이고, 더욱 바람직하기는 4를 초과하고, 더욱 바람직하기는 약 12 초과이고, 가장 바람직하기는 약 45 이상이다.

유리하기는, 질산염 선택적 흡착제는 질산염 흡착성 지수가 적어도 약 12이고 질산염 선택성 지수가 적어도 약 4이다. 예를 들면, 질산염 선택적 흡착제는 질산염 흡착성 지수가 적어도 약 50이고 질산염 선택성 지수는 적어도 약 12이다.

선택적 흡착제를 농축된 담배 추출물과 접촉시키는 바람직한 방법

수성 추출물은, 추출물을 원통형 칼럼과 같은 용기 또는 병렬로 연결된 다수의 용기들에 함유된 중합성 수지 비드를 통과시킴으로써 흡착제와 접촉할 수 있고, 여기서 후자와 같은 용기 배열이 바람직하다. 바람직한 배열에서, 병렬로 연결된 적어도 2개의 칼럼은 작동중이고, 거의 동일한 수의 칼럼은 예를 들면 뜨거운 물, 증기 및/또는 용매 세척에 의한 재생을 위해 비-작동중이다. 예를 들면, 추출물은 추출물에서 금속 이온의 양을 실질적으로 감소시키기에 충분한 기간 동안 병렬로 연결된 다수의 칼럼에서 이미노다이아세트산 기능화된 스티렌-다이비닐벤젠 수지의 비드를 통과할 수 있다. 접촉기간은 추출물의 유속과 칼럼에서의 수지 비드의 베드 깊이를 조절함으로써 조정할 수 있다. 본 명세서에 기재된 방법에 사용되는 유속은 결합 반응 속도에 따른 접촉 시간을 조절하기 위해 조정될 수 있다. 바람직하기는, 유속은 대략 하나의 공극 부피는 속도 상수와 동등한 시간에 시약을 통과하도록 시약에 대한 결합의 속도 상수 및 베드의 공극 부피에 따라 맞춰진다.

담배 추출물이 농축된 수성 담배 추출물인 경우, 추출물이 흡착제의 칼럼을 통과하는 것으로 접촉 단계를 수행하는 것은 상당히 어려울 수 있다. 예를 들면, 흡착제 칼럼 중의 수성 담배 추출물의 젤라틴은 시스템 펌프를 제압하는 압력 강하를 생성하거나 또는 흡착제 베드를 통한 채널화를 가져온다. 그러므로, 접촉 단계에서 대안적 배열을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 더우기, 선택적 흡착제의 흡착률 특성의 결과로서 하기와 같은 바람직한 방법을 사용함에 의해 시약의 흡착능의 더 큰 부분을 이용하는 것이 가능하다는 것이 결정되었다.

따라서, 수성 담배 추출물은 시약이 접촉 단계 중 베드가 형성되지 않도록 추출물과 시약(들)이 용기 중에서 접촉하는 하나 이상의 배치 공정에서 하나 이상의 선택적 흡착제와 접촉한다. 예를 들면, 시약과 추출물은 용기 내에서 접촉될 수 있고 시약이 현탁을 유지하지만 포말을 형성할 만큼 강하지는 않게 충분히 젓거나 교반된다. 시약(들)과 추출물은 그 후 시약이 가라앉은 후 여과 또는 가만히 따르기와 같은 어느 적절한 방법에 의해 분리될 수 있다. 시약을 가라앉히는 것을 원심분리에 의해 촉진될 수 있다.

선택적으로, 반대-전류 배열이 접촉 단계에서 이용될 수 있다. 이와 같은 배열에서 수성 담배 추출물과 선택적인 흡착은 용기의 반대 부분으로부터 도입된다. 예를 들면, 시약의 유속이 추출물을 통한 플러그 흐름을 얻고 용기의 상부 또는 그 근처로부터 수집되고 추출물은 용기의 저부 또는 그 근처로부터 수집되도록, 수성 담배 추출물은 용기의 상부로부터 도입될 수 있고 반면 선택적 흡착제는 용기의 하부부분에서 연속적으로 도입될 수 있다. 선택적으로, 수성 담배 추출물은 용기의 하부에 도입되고 반면 선택적 흡착제는 용기의 상부에 도입될 수 있고 수성 담배 추출물의 업흐름 속도는 선택적 흡착제가 추출물을 통해 하류로 통과하여 시약이 용기의 저부로부터 수집되고 반면 추출물은 용기의 상부로부터 수집되도록 유지된다.

하나 이상의 선택적 흡착제를 접촉 용기로 결합시키는 것이 바람직하고, 예를 들면 수성 담배 추출물로부터 TSNA를 제거하기 위한 방법의 접촉 단계 및 추출물로부터 금속 이온을 제거하기 위한 방법의 접촉단계는 동시에 일어날 수 있다. 이것은 칼럼 또는 배치 공정을 사용하여 수행될 수 있다. 그러므로, 수성 담배 추출물에서 선택적으로 금속과 TSNA를 감소시키는 방법은 추출물을 금속 선택적 흡착제 및 TSNA 선택적 흡착제와 접촉시키는 단계를 포함할 수 있다. 시약의 비율은 TSNA 선택제와 금속 선택제와 대략 등가, 즉 1:1의 비율일 수 있다. 예를 들면, TSNA 선택제와 가용성 금속 선택적 시약의 바람직한 결합은 Dow Optipore L493 및 Rohm and Haas IRC-748, 또는 이들 수지의 바람직한 물리적 특징을 갖는 양립가능한 시약의 건조 중량으로 대략 등가, 즉 1:1의 비율일 수 있다. 선택적으로, 방법의 정교함에서, 시약들의 비는 시약들의 상대적 용량 및/또는 반응속도와 매치되도록 선택될 수 있다. 비율은 유리하기는 주어진 기간에 시약의 상대적 용량이 그 시약에 의해 선택적으로 제거된 구성성분들의 상대적 농도와 어울리도록 선택될 수 있다.

실질적으로 유사하고 처리 스트림이 병행으로 연결된 다수의 접촉 용기를 동시에 사용하는 것이 유리할 수 있다. 이와 같은 시스템의 사용에서, 대기 또는 재생 모드에 있는 다수의 사용하지 않는 용기를, 사용중인 용기와 거의 같은 수로 유지하는 것이 유리할 수 있다.

농축된 수성 담배 추출물의 선택된 구성성분들의 제거를 위한 변형된 칼럼 장비

접촉 단계에서 칼럼 배열을 사용하는 것이 요구될 때, 본 방법은 바람직하기는 이 목적을 위해 수정된 장비를 사용하여 수행되는 것이 바람직하다. 상기와 같이, 담배 추출물은 유리하기는 추출물이 선택적 흡착제와 접촉하기 전에 농축될 수 있다. 흡착제가 수지 비드의 베드의 형태이고 접촉 용기가 칼럼의 형태이면, 수지 비드 칼럼의 작동 기간의 지속시간을 최대로 하는 것이 또한 바람직하다. 그러나, 농축된 담배 추출물이 수지 비드 베드에서 겔을 형성하는 경향이 있다는 이들 목적을 동시에 달성하기 위한 장애가 발견되었다. 이것은 칼럼을 가로질러 압력 강하를 신속히 증가시키고, 따라서 칼럼에서의 작업가능한 사용기간이 단축된다. 수지 비드 칼럼의 사용 지속 기간을 증가시키고 압력 강하 증가에 따른 문제점을 극복하기 위해, 수지 비드 베드 칼럼의 통상적 고안을 변형할 수 있다.

액체를 흡착제 수지와 접촉시키기 위한 칼럼의 상대적 치수는 일반적으로 길이: 직경이 약 5:1 또는 그 이상이고, 여기서 길이는 입구와 출구 사이의 길이이고 폭은 직각 방향으로 평균 크기이다. 농축된 담배 추출물을 이와 같은 상대적으로 긴 길이의 칼럼을 통해 통과시키면 추출물의 겔화가 커지고 칼럼의 사용기간이 짧아질 수 있다. 본 발명에 적용될 때, 이 효과는 길이: 직경이 약 2:1 미만인 치수를 갖는 칼럼, 예를 들면, 길이:직경이 약 1:1 또는 바람직하기는 약 0.6 내지 0.75:1인 칼럼을 사용하여 감소될 수 있다. 실제로, 나란한 칼럼의 규모 및 수는 원하는 용량에 따라 당업자에 의해 결정될 수 있다.

더우기, 칼럼의 길이를 따라 일정한 간격을 갖는 하나 이상의 압력 플레이트를 포함하는 것은 칼럼을 통해 전체 압력 강하가 좀더 고르게 분포되도록 한다. 이들 압력 플레이트는 바람직하기는 얇고 상대적으로 단단한, 칼럼의 내부 직경에 대해 직경이 거의 동일하고, 추출물이 흐를 수 있는 구멍이 하나 이상 뚫려있는 디스크이다. 플레이트는 세라믹, 플라스틱, 폴리카보네이트 및 스테인레스 강과 같은 금속과 같은 어느 적합한 재료로 제조될 수 있다. 압력 플레이트는 하나 이상의 고르게 분포된 구멍 또는 통로에 의해 천공된다. 하나 이상의 메쉬 스크린이 또한 사용될 수 있다. 플레이트는 칼럼의 측면에 플레이트를 부착시키거나 또는 플레이트가 칼럼의 길이를 따라 움직이지 못하게 함으로써 칼럼 적소에 유지될 수 있다.

본 방법의 접촉 단계가 결합될 때, 플레이트는 용기의 다양한 흡착제의 베드들 사이에 놓일 수 있다. 그러나, 시약들을 분리시켜야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 다수의 서로 혼합된 선택적 흡착제를 포함하는 혼합 베드가 제조되고 사용될 수 있다. 이 방법으로, 단일의 균일하게 혼합된 베드가 수성 담배 추출물의 다수의구성성분의 선택적 제거를 수행하는데 사용될 수 있다.

여기에 기재된 방법에 알맞는 장치는 하나 이상의 선택제 접촉 용기를 포함할 수 있다. 바람직한 배열에서, 접촉 단계는 선택제 접촉 용기에서 수행되고 또 다른 용기의 시약은 재생된다. 용기들 또는 한 쌍의 용기는 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들면, 상기 방법을 수행하기에 알맞은 담배 추출물 처리 장치의 일부는 병렬로 연결된 4개의 선택제 접촉 용기를 포함할 수 있고, 여기서 2개의 용기는 동시에 작동하고 두 용기에서 시약은 용기를 통한 스팀과 같은 용매의 흐름에 의해 재생된다.

여러 방법 및 장치들이 그것의 실시예 및 바람직한 구현예를 참조로 상세히 기재되었지만, 당업자에 의해 다양한 변화가 이루어질 수 있고, 여기에 기재된 범위로부터 벗어남 없이 동등하게 적용될 수 있다는 것이 명백하다. 다음의 추가적 예는 여기에 기재된 원리를 설명하기 위해 제공되며, 여기에 기재된 방법 및 장치를 제한하려는 의도는 아니다.

실시예

실시예 1: TSNA 및 금속 선택적 흡착제의 확인

다음의 재료들을 농축된 담배 추출물의 구성성분들의 흡착에 대해 시험하였다:

각각 흡착재를 0, 0.03, 0.1, 0.3 및 1g을 갖는 농축된 담배 추출물(35ml)의 바이알을 24시간 동안 60℃ (140℉)에서 회전 플랫폼에서 부드럽게 교반하면서 평형이 되도록 하였다. 알칼로이드, 환원당, 가용성 암모니아, Ni, As, Se, Cd 및 Pb 뿐 아니라 전체 TSNA를 포함하여, NAB, NAT, NNK, 및 NNN의 농도를 측정하였다.

TSNA 화합물의 흡착재의 흡착 효율을 표 2에 나타내었다. Dowex™ Optipore™ L493이 농축된 담배 추출물에서 전체 TSNA를 제거하는데 가장 효율적이었다. 다른 화합물이 흡착될 때 물이 흡착제로 대체될 것이다. 여기에 보고된 비교 측정에 대해 이러한 가능한 효과를 설명하려는 시도는 없었다

가용성 금속에 대한 재료의 흡착능 및 선택성을 표 3에 나타내었다. Rohm and Haas IRC-748는 농축된 담배 추출물에서 전체 Cd를 제거하는데 가장 효과적이고 선택적이었다.

0.5g Dow Optipore L493 및 Rohm and Haas IRC-748의 결합물을 TSNA와 Cd의 결합된 흡착 및 선택성에 대해 시험하였다. 결과를 표 4에 나타내었다.

실시예 2: 질산염 선택적 흡착제의 확인

재료들을 농축된 담배 추출물의 질산염과 다른 구성성분의 흡착에 대해 시험하였다. 무수 흡착재 0. 0.1, 0.3, 1 및 3g을 갖는 농축 담배 추출물(약 35ml)의 바이알을 회전 플랫폼에서 부드럽게 교반하면서 1~24시간 동안 43℃ (100℉)에서 평형을 이루도록 하였다. 질산염과, 알칼로이드, 환원당 및 가용성 암모니아의 농도를 측정하였다.

질산염에 대한 흡착재 3g의 흡착능과 선택성 및 알칼로이드에 대한 선택성을 표 5에 나타내었다(관측된 감소가 오차범위보다 작을 때 ~0으로 나타내었다. 선택성 산출을 위해 이것은 1%로 간주하였다).

상기 모든 참조는 각각의 참조가 특이적으로 및 개별적으로 그 전체로 참조에 의해 병합되는 것으로 표시되는 바와 동일한 정도로 그들 전체에서 참조에 의해 본 명세서에 병합된다.

Claims (18)

1. 수성 담배 추출물로부터 담배 특이 니트로사민(TSNA)을 선택적으로 제거하는 방법으로, 상기 방법은:

   수성 담배 추출물을 제조하는 단계;

   추출물을 TSNA 특이 흡착제와 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 TSNA 선택적 흡착제는 TSNA 선택지수가 최소한 2인 것인 방법.
2. 제1항에 있어서, 추출물을 TSNA 선택적 흡착제와 접촉시키기 전에 수성 담배 추출물을 농축시키는 단계를 더욱 포함하는 것인 방법.
3. 제1항에 있어서, TSNA 선택적 흡착제는 평균 구멍 크기가 100 Å 미만이고, 내부 표면적이 약 300 m²/g 내지 약 1100 m²/g인 방법.
4. 제1항에 있어서, TSNA 선택적 흡착제는 내부 표면적이 최소한 약 1000 m²/g이고 총 공극률은 약 1.15 (cm³/g) 이상인 방법.
5. 제1항에 있어서, TSNA 선택적 흡착제는 입자 크기가 약 20~50 메쉬이고 분쇄강도가 약 500(g/비드) 초과인 팽창상태에서, 후-가교 결합된 스티렌과 다이비닐 벤젠의 공중합체인 방법.
6. 제1항에 있어서, TSNA 선택적 흡착제는 TSNA 흡착 지수가 최소한 50인 방법.
7. 수성 담배 추출물로부터 가용성 금속 이온을 선택적으로 제거하는 방법으로, 상기 방법은:

   수성 담배 추출물을 제조하는 단계;

   추출물을 금속 선택적 흡착제와 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 금속 선택적 흡착제는 금속 선택성 지수가 최소한 15인 것인 방법.
8. 제7항에 있어서, 추출물을 금속 선택적 흡착제와 접촉시키기 전에 수성 담배 추출물을 농축시키는 단계를 더욱 포함하는 것인 방법.
9. 제7항에 있어서, 금속 선택적 흡착제는 수성 담배 추출물로부터 선택적으로 카드뮴을 알칼로이드보다 더 큰 정도로 제거하는 것인 방법.
10. 제7항에 있어서, 금속 선택적 흡착제는 Cd 흡착성 지수가 약 60인 방법.
11. 수성 담배 추출물로부터 질산염을 선택적으로 제거하는 방법으로, 상기 방법은:

    수성 담배 추출물을 제조하는 단계;

    추출물을 질산염 선택적 흡착제와 접촉시키는 단계를 포함하고, 여기서 질산염 선택적 흡착제는 질산염 선택 지수가 최소한 3.8인 것인 방법.
12. 제11항에 있어서, 추출물을 질산염 선택적 흡착제와 접촉시키기 전에 수성 담배 추출물을 농축시키는 단계를 더욱 포함하는 것인 방법.
13. 제11항에 있어서, 추출물에 존재하는 질산염의 최소한 약 37%는 추출물을 질산염 선택적 흡착제와 접촉시키는 단계에서 제거되는 것인 방법.
14. 제11항에 있어서, 추출물에 존재하는 질산염의 최소한 약 42%는 추출물을 질산염 선택적 흡착제와 접촉시키는 단계에서 제거되는 것인 방법.
15. 제11항에 있어서, 질산염 선택적 흡착제는 산 중화 용량이 약 1.5 eq/l을 초과하는 약염기로 기능화된 스티렌-다이비닐 벤젠 수지인 방법.
16. 수성 담배 추출물의 처리방법으로, 상기 방법은:

    수성 담배 추출물을 제조하는 단계;

    수성 담배 추출물을 농축하는 단계;

    농축된 수성 추출물을, TSNA 선택적 흡착제, 금속 선택적 흡착제, 및 질산염 선택적 흡착제로부터 선택되는 시약을 포함하는 다수의 선택적 흡착제와 접촉시키는 단계를 포함하는 것인 방법.
17. 제16항에 있어서, 다수의 선택적 흡착제는 금속 선택적 흡착제 및 TSNA 선택적 흡착제를 포함하는 것인 방법.
18. 제16항에 있어서, 상기 접촉은 선택적 흡착제의 혼합 베드를 함유하는 용기에서 수행되는 것인 방법.