DE69820585T2

DE69820585T2 - Verfahren zur herstellung eines expandierten materials aus tabakprodukten

Info

Publication number: DE69820585T2
Application number: DE69820585T
Authority: DE
Inventors: Hiromi Yokohama-shi UEMATSU; Katsuhiko Yokoham-shi KAN; Yukio Yokohama-shi NAKANISHI; Kensuke Yokohama-shi UCHIYAMA
Original assignee: Japan Tobacco Inc
Current assignee: Japan Tobacco Inc
Priority date: 1997-03-27
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2018-03-25
Also published as: CN1095636C; EP0940091B1; TW404820B; US6158440A; EP0940091A4; KR20000015988A; DE69820585D1; WO1998043502A1; JP3165791B2; CN1220584A; KR100388552B1; EP0940091A1; JPH10262635A

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten Tabakmaterials und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten Tabakmaterials durch Verwendung von Kohlendioxid als Expansionsmittel.
Stand der Technik
Es wurde zur Praxis, dass Tabakmaterialien expandiert bzw. ausgedehnt werden, um die Menge der Tabakmaterialien, die in Tabakartikeln wie beispielsweise Zigaretten verwendet werden, einzusparen, und um den Geruch und Geschmack etc. der Tabakartikel zu mildern. Diese Expansion ist eine Technik, die es ermöglicht, dass das getrocknete und geschrumpfte Tabakgewebe in einen Zustand zurückgeführt wird, der demjenigen des lebenden Tabakblattes nahekommt und stellt eine bedeutende Technik bei der Herstellung von Tabakartikeln dar.
Prinzipiell wird die Expansion des Tabakmaterials dadurch bewirkt, dass ein Expansionsmittel in das Tabakgewebe eindringt, gefolgt vom Erhitzen des Tabakmaterials, so dass das Volumen des Expansionsmittels expandiert wird, wodurch das eingeschrumpfte Tabakgewebe expandiert wird.
Als ein solches Verfahren zum Expandieren von Tabakmaterial ist ein Verfahren unter Verwendung von Kohlendioxid als Expansionsmittel bekannt.
Beispielsweise offenbart die japanische Patent-Offenlegung (Kokoku) Nr. 56-50830 ein Verfahren, bei dem ein Tabakmaterial in flüssigem Kohlendioxid unter einem Druck von beispielsweise ungefähr 24,6 bis 31,6 kg/cm² eingetaucht wird, so dass das flüssige Kohlendioxid in das Tabakmaterial imprägniert werden kann, gefolgt vom Umwandeln des imprägnierten flüssigen Kohlendioxids zu festem Kohlendioxid und dem anschließenden Abdampfen des festen Kohlendioxids unter hohen Temperaturen, so dass das Tabakgewebe expandiert. In diesem Verfahren wird das gesamte Tabakmaterial in dem flüssigen Kohlendioxid mit dem Ergebnis eingetaucht, dass die Aroma- bzw. Duft- bzw. Geschmacksbestandteile des Tabakmaterials in das flüssige Kohlendioxid extrahiert werden, wodurch das Aroma und der Geschmack des expandieren Tabakmaterials verringert wird. Weiterhin wird eine große Menge des flüssigen Kohlendioxids, das an das Tabakmaterial gebunden ist, zu festem Kohlendioxid mit dem Ergebnis umgewandelt, dass das Tabakmaterial verfestigt und fest verdichtet wird. Das verdichtete Tabakmaterial erfordert eine beträchtlich große Kraft, um es vor dem Expansionsschritt unter Hitze aufzulockern, was die Erzeugung von feinen Teilchen zur Folge hat, die zur Herstellung von Zigaretten ungeeignet sind. Dies wiederum führt zu einer niedrigen Ausbeute. Um diese Schwierigkeit zu überwinden wird empfohlen, das flüssige Kohlendioxid vom Tabakmaterial nach dem Eintauchen des Tabakmaterials im flüssigen Kohlendioxid abtropfen zu lassen, bis das flüssige Kohlendioxid aufhört, einen kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom zu bilden. In diesem Fall jedoch ist zusätzliche Zeit zum Abtropfenlassen des flüssigen Kohlendioxids erforderlich und ein zufriedenstellendes Ergebnis kann nach wie vor nicht erzielt werden.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 56-50952 offenbart ein Verfahren, bei dem Kohlendioxid in Form von Gas in Tabakmaterial imprägniert wird, gefolgt von einem raschen Erhitzen des sich ergebenden Tabakmaterials, um die Expansion (das Expandieren) zu bewirken. Dieses Expansions- bzw. Ausweitungs- bzw. Ausdehnungsverfahren unter Verwendung von gasförmigem Kohlendioxid ermöglicht sicherlich die Vermeidung der oben erwähnten Schwierigkeiten, die der Technik der Verwendung von flüssigem Kohlendioxid, die oben beschrieben ist, zu eigen ist. Weil jedoch lediglich eine kleine Menge Kohlendioxid im Tabakmaterial zurückgehalten wird, neigt das Kohlendioxid dazu, sich vor dem Expansionsschritt unter Hitze zu verflüchtigen, was ein Versagen eines ausreichenden Expandierens des Tabakmaterials zur Folge hat.
Weiterhin offenbart die japanische Patent-Offenbarung (Kokai) Nr. 4-228055 und die japanische Patent-Offenbarung Nr. 5-219928 ein Verfahren zum Expandieren des Tabakmaterials, bei dem das Tabakmaterial im voraus ausreichend abgekühlt wird, um die Menge an imprägniertem Kohlendioxid durch Kondensieren des Kohlendioxidgases zu erhöhen. Insbesondere wird in dem in der japanischen Patent-Offenbarung (Kokai) Nr. 4-228055 offenbarten Verfahren das Tabakmaterial durch in Berührung bringen und Mischen mit einem nebligen kalten Gemisch, das kaltes gasförmiges Kohlendioxid, Kohlendioxidschnee bzw. -eis und dergleichen umfasst, das gebildet wird, während das Tabakmaterial, das in den horizontalen Mischtank eingespeist wird, in den Tank übertragen wird, und durch Einbringen von flüssigem Kohlendioxid in den Mischtank zum Expandieren des flüssigen Kohlendioxids. Das abgekühlte Tabakmaterial wird in einen vertikalen Drucktank eingebracht, der an den Mischtank angeschlossen ist und wird im Drucktank mit dem gasförmigen Kohlendioxid in Berührung gebracht, um die erwünschte Imprägnierung zu erreichen. In diesem Verfahren ist eine spezielle Vorrichtung für das vorherige Abkühlen erforderlich. Zusätzlich neigt der Wärmeaustausch-(Wärmeübertragungs)-Zustand zwischen dem nebligen kalten Gemisch (in erster Linie Eis) und dem Tabakmaterial dazu, lokal stattzufinden, was eine ungleichförmige Tabaktemperaturverteilung entstehen läßt. Andererseits wird in dem in der japanischen Patent-Offenbarung Nr. 5-219928 offenbarten Verfahren das Tabakmaterial einleitend bzw. vorläufig abgekühlt, indem Kohlendioxidgas durch das Tabakmaterial fließen gelassen wird. Das einleitende Abkühlen macht notwendig, dass Kohlendioxidgas in einem Druckgefäß zirkuliert, was es notwendig macht, ein zusätzliches Gerät zum Zirkulieren zu verwenden. Weil weiterhin Kohlendioxidgas, das zum Abkühlen des Tabakmaterials verwendet wird, eine geringe empfindliche Wärme (spezifische Wärme) aufweist, muss das Tabakmaterial mit einer großen Menge des Kohlendioxidgases in diesem Verfahren in Berührung gebracht werden, um das Tabakmaterial auf eine ausreichend niedrige Temperatur abzukühlen. Weil weiterhin in diesen Verfahren nach dem Stand der Technik die Abkühlungseffizienz des Tabakmaterials gering ist, ist eine große Menge an Kohlendioxid zum Abkühlen des Tabakmaterials erforderlich. Zusätzlich wird das Tabakmaterial sogar dann, wenn das Tabakmaterial einleitend abgekühlt wird, durch die Kompressionswärme, die erzeugt wird, wenn Kohlendioxidgas auf den Imprägnierdruck zum Imprägnieren des Kohlendioxidgases im Druckgefäß angehoben wird, erwärmt. Es folgt daraus, dass es notwendig ist, das Tabakmaterial einleitend auf eine niedrige Temperatur abzukühlen, die niedriger als notwendig ist, was unökonomisch ist.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten Tabakmaterials bereitzustellen, das es möglich macht, dass ein Tabakmaterial ausreichend mit Kohlendioxid in einer kurzen Zeitspanne imprägnierbar ist, unter Verwendung ei ner minimal erforderlichen Menge Kohlendioxid, und das es ebenfalls möglich macht, qualitativ hochwertiges expandiertes Tabakmaterial, das eine hohe Expansionsrate bzw. Geschwindigkeit aufweist, durch Verwendung einer Vorrichtung mit einer einfachen Konstruktion zu erzeugen.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Expandieren eines Tabakmaterials unter Verwendung von Kohlendioxid bereit, in erster Linie eines Kohlendioxidgases, bei dem ein Abkühlen des Tabakmaterials durch latente Wärme der Verdampfung von flüssigem Kohlendioxid beim Imprägnieren des Tabakmaterials mit Kohlendioxid verwendet wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben umfangreiche Forschungsarbeiten bzgl. der Expansionsverfahren eines Tabakmaterials unter Verwendung hauptsächlich von Kohlendioxidgas in dem Bestreben durchgeführt, die oben erwähnte Aufgabe zu lösen und haben herausgefunden, dass, damit das Tabakmaterial ausreichend mit Kohlendioxid imprägniert werden kann, es für einen Teil des Kohlendioxids, das innerhalb des Druckgefäßes vorliegt, das mit dem Tabakmaterial in Berührung gebracht wird, von Vorteil ist, dass es in Form einer dünnen filmartigen Flüssigkeit oder eines nebligen gesättigten Gases vorliegt. Es wurde ebenfalls herausgefunden, dass es, um den speziellen Zustand des Kohlendioxids zu erreichen, effektiv ist, das Tabakmaterial auf die Sättigungstemperatur des Kohlendioxids, die dem Druck entspricht, bei dem das Kohlendioxid in das Tabakmaterial imprägniert wird (Imprägnierdruck) abzukühlen, und dass es hocheffektiv ist, zum Abkühlen des Tabakmaterials die latente Wärme der Verdampfung nach der Phasenänderung des flüssigen Kohlendioxids zu einem Kohlendioxidgas zu verwenden, wodurch die vorliegende Erfindung verwirklicht wird.
Die vorliegende Erfindung verwendet die latente Wärme des Verdampfens eines flüssigen Kohlendioxids zum Abkühlen des Tabakmaterials, das in einem Druckgefäß enthalten ist, um das Tabakmaterial ausreichend mit Kohlendioxid zu imprägnieren. Nachdem das Druckgefäß, das das Tabakmaterial enthält, mit einem Kohlendioxidgas auf einen erwünschten Imprägnierdruck unter Druck gesetzt wird, wird flüssiges Kohlendioxid dem Tabakmaterial zugeführt, während der Imprägnierdruck aufrecht erhalten wird. Das zugeführte flüssige Kohlen dioxid berührt das Tabakmaterial und wird im Druckgefäß verdampft, so dass die Innenseite bzw. das Innere des Druckgefäßes mit dem Kohlendioxidgas gesättigt wird. In diesem Schritt wird das Tabakmaterial durch die latente Wärme der Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids auf die Kohlendioxidsättigungstemperatur, die dem Imprägnierdruck entspricht abgekühlt, so dass es ausreichend mit dem Kohlendioxid, das in der Atmosphäre des Druckgefäßes enthalten ist, imprägniert wird. Ein expandiertes Tabakmaterial kann durch Erhitzen bzw. Erwärmen zum Expandieren des Tabakmaterials, das mit dem Kohlendioxid imprägniert ist, erzielt werden.
Es ist in der vorliegenden Erfindung möglich, die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids zu stoppen und den Druck innerhalb des Druckgefäßes abzubauen oder zu entlüften (üblicherweise auf im wesentlichen atmosphärischen Druck), sobald das gesamte Tabakmaterial, das im Druckgefäß enthalten ist, die oben erwähnte Sättigungstemperatur erreicht hat. Es ist jedoch wünschenswert, den Druck eine vorherbestimmte Zeitspanne, nachdem die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids gestoppt wird, abzubauen. Es ist ebenfalls wünschenswert, den Imprägnierdruck auf den Punkt einzustellen, an dem sich das flüssige Kohlendioxid zu festem Kohlendioxid umzuwandeln beginnt, d. h. der Druck, der nicht niedriger als der Druck am Tripelpunkt im Phasendiagramm von Kohlendioxid ist (ungefähr 4,3 kg/cm² Überdruck). Weiterhin sollte das Expandieren des Tabakmaterials wünschenswerterweise durch in Berührung bringen des Tabakmaterials mit einem Hochtemperaturgasstrom innerhalb einer Gasstromtrockenmaschine, gefolgt vom Abtrennen des expandierten Tabakmaterials aus dem Hochtemperaturgasstrom, durchgeführt werden.
Gemäß eines Aspektes der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten Tabakmaterials bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

(a) Zuführen eines Tabakmaterials in ein Druckgefäß;
(b) Unter Druck Setzen des Innenraums des Druckgefäßes mit einem Kohlendioxidgas auf einen Imprägnierdruck von zumindest ungefähr 4,3 kg/cm² Überdruck bzw. Manometerdruck;
(c) Zuführen von flüssigem Kohlendioxid von oberhalb des Tabakmaterials, während der Imprägnierdruck aufrecht erhalten bleibt, um den Innenraum des Druckgefäßes mit einem Kohlendioxidgas durch Verdampfen des flüssigen Kohlendioxids zu sättigen;
(d) Senken des Druckes innerhalb des Druckgefäßes auf im wesentlichen atmosphärischen Druck, nachdem der Zustand innerhalb des Gefäßes für eine vorherbestimmte Zeitspanne aufrecht erhalten wurde;
(e) Entnehmen des Tabakmaterials aus dem Druckgefäß;
(f) Zuführen des aus dem Druckgefäß entnommenen Tabakmaterials in einen Gasstromtrockner, um das Tabakmaterial zu expandieren, indem das Tabakmaterial mit einem Hochtemperaturgasstrom im Gasstromtrockner in Berührung gebracht wird; und
(g) Abtrennen des expandierten Tabakmaterials aus dem Hochtemperaturgasstrom.

Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines expandierten Tabakmaterials bereitgestellt, das folgende Schritte umfasst:

(a) Zuführen eines Tabakmaterials bei einer ersten Temperatur in ein Druckgefäß;
(b) Unter Druck setzen des Innenraums des Druckgefäßes auf einen Imprägnierdruck, der niedriger als der Sättigungsdruck des Kohlendioxidgases bei dieser ersten Temperatur ist;
(c) Zuführen von flüssigem Kohlendioxid von oberhalb des Tabakmaterials im Druckgefäß in einer minimalen Menge, die erforderlich ist, dass das Tabakmaterial eine zweite Temperatur erreichen kann, die der Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases bei dem Imprägnierdruck entspricht, so dass das flüssige Kohlendioxid mit dem Tabakmaterial in Berührung gebracht wird, wodurch das Tabakmaterial auf die zweite Temperatur durch die latente Verdampfungswärme des flüssigen Kohlendioxids abgekühlt wird, wodurch das Tabakmaterial mit Kohlendioxid imprägniert wird;
(d) Entnehmen des mit Kohlendioxid imprägnierten Tabakmaterials aus dem Druckgefäß; und
(e) Expandieren des aus dem Druckgefäß entnommenen Tabakmaterials unter Hitze.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 stellt schematisch eine Imprägniervorrichtung dar, die im Verfahren der vorliegenden Erfindung zum lmprägnieren eines Tabakmaterials mit Kohlendioxid verwendet wird.
Beste Art und Weise, die Erfindung durchzuführen
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend ausführlicher beschrieben werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Tabakmaterial zunächst in ein Druckgefäß (Imprägniergefäß) eingebracht.
Das Tabakmaterial liegt im Allgemeinen in der Form von geschreddertem Tabak oder kleinen Schichten vor, und verschiedene Arten von Tabakmaterialien können verwendet werden.
Der Wassergehalt des Tabakmaterials sollte wünschenswerterweise 12 bis 33 Gew.-%, vorzugsweise 12 bis 25 Trockengew.-% auf Trockengewichtsbasis betragen. Die Temperatur des Tabakmaterials zum Zeitpunkt, wenn das Tabakmaterial in das Druckgefäß eingebracht wird (anfängliche Tabaktemperatur), wird im Allgemeinen bei 20 bis 30°C eingestellt, was im wesentlichen der Raumtemperatur innerhalb der Zigarettenherstellungsfabrik durch die Temperaturkontrolle der Fabrik entspricht und somit wird das Tabakmaterial bei dieser Temperatur in das Druckgefäß eingebracht. Es ist eigentlich nicht notwendig zu sagen, dass es möglich ist, Tabakmaterialien mit einer anfänglichen Tabaktemperatur zu verwenden, die niedriger als oder höher als die oben erwähnte Temperatur ist.
Als nächstes wird die Luft innerhalb des Druckgefäßes, das das Tabakmaterial enthält entleert, wie es herkömmlicherweise durchgeführt wird. Das Entleeren kann entweder durch Einbringen von Kohlendioxidgas in das Druckgefäß oder durch Dekomprimieren des Innenteils des Druckgefäßes durch Verwendung einer Vakuumpumpe durchgeführt werden.
Nach dem Schritt des Entleerens wird das Innere des Druckgefäßes, das das Tabakmaterial enthält, mit einem Kohlendioxidgas auf einen erwünschten Imprägnierdruck unter Druck gesetzt. Es ist für den Imprägnierdruck wünschenswert, dass er nicht geringer als der Punkt ist, an dem das flüssige Kohlendioxid sich zu festem Kohlendioxid umzuwandeln beginnt, d. h. der Druck am Tripelpunkt im Phasendiagramm des Kohlendioxids (ungefähr 4,3 kg/cm² Überdruck). Durch ein solches Einstellen des Imprägnierdruckes auf nicht weniger als den Druck am Tripelpunkt im Phasendiagramm von Kohlendioxid kann die Wahrscheinlichkeit verringert werden, dass das flüssige Kohlendioxid, das in einem anschließenden Schritt eingespeist wird, zu festem Kohlendioxid umgewandelt wird, so dass es an der Wand des Druckgefäßes anhaftet und die Rohrleitung des Druckgefäßes verstopfen kann.
In der vorliegenden Erfindung wird die latente Wärme der Verdampfung von flüssigem Kohlendioxid zum Abkühlen des Tabakmaterials verwendet. Deswegen ist der Imprägnierdruck genauer als ein Druck definiert, der geringer als der Sättigungsdruck von Kohlendioxidgas bei der initialen Tabaktemperatur ist (beispielsweise 20 bis 30°C), die das Tabakmaterial aufweist, das in dem Druckgefäß enthalten ist.
Es ist wünschenswert, dass der Imprägnierdruck nicht geringer als 10 kg/cm² (Überdruck) ist, bei dem die Sättigungstemperatur eines Kohlendioxidgases ungefähr –37°C beträgt, im Hinblick auf die Brüchigkeit des Tabakmaterials bei geringen Temperaturen, auf die Wirtschaftlichkeit, die Einrichtungen zur Aufrechterhaltung des Imprägniersystems bei niedrigen Temperaturen einschließt, etc.
Um eine hohe Expansionsrate des Tabakmaterials zu erreichen, sollte der Imprägnierdruck wünschenswerterweise so hoch wie möglich sein. Jedoch weist Kohlendioxid bei einem relativ geringen Druck und Temperatur (74,2 kg/cm² (Überdruck) und 31,1°C) einen kritischen Punkt auf. Unter dem Druck und Temperaturen, die höher sind als der kritische Punkt, ist Kohlendioxid nicht dazu in der Lage, eine flüssige Phase aufrecht zu erhalten mit dem Ergebnis, dass das Kontrollsystem zunehmend komplex wird und es unmöglich ist, eine weitere Verbesserung der Expansionsrate zu erreichen. Wegen dieser Situation sollte der Imprägnierdruck praktischerweise diesen Druck nicht überschreiten, d. h. üblicherweise ungefähr 74 kg/cm² Überdruck (Kohlendioxidgas Sättigungstemperatur von 31°C).
Wenn andererseits der Imprägnierdruck niedrig ist, kann die mechanische Festigkeit, die für das Druckgefäß erforderlich ist, niedrig sein, was zu einer Kostenersparnis bei dem Druckgefäß führt.
Unter diesen Umständen ist der praktische Imprägnierdruck im Hinblick auf die erwünschte Expansionsrate des Tabakmaterials, die Menge des flüssigen Kohlendioxids, die verwendet wird (die hierin später beschrieben wird), die mechanische Festigkeit des Druckgefäßes, Operabilität etc. zu bestimmen. Üblicherweise wird im Hinblick auf die initiale Tabaktemperatur des Tabakmaterials, die 20 bis 30°C beträgt, der Imprägnierdruck von 30 bis 60 kg/cm² (Überdruck) in geeigneter Weise verwendet.
Nachdem das Kohlendioxidgas in das Druckgefäß zu dem wie oben beschriebenen Imprägnierdruck eingebracht wird, wird flüssiges Kohlendioxid von oberhalb des Tabakmaterials zugeführt, während der Imprägnierdruck aufrechterhalten wird.
Das flüssige Kohlendioxid kann durch ein oder mehrere Sprühdüsen, die unterhalb eines oberen Deckels des Druckgefäßes angeordnet sind, durch eine Sintermetallplatte mit Poren in der Größe von 2 bis 200 μm Durchmesser zugeführt werden, die so angeordnet sind, dass sie am oberen Deckel des Druckgefäßes in einer solchen Weise Gas ausstoßen, dass die Öffnung des Druckgefäßes überquert wird oder durch eine Sprühdüse, die in der umlaufenden Wand des Druckgefäßes in der Nachbarschaft des offenen Endes des Druckgefäßes angeordnet ist. Es ist ebenfalls möglich, andere geeignete Mittel zur Zuführung von flüssigem Kohlendioxid in das Druckgefäß zu verwenden.
Die Menge des flüssigen Kohlendioxids, die zugeführt werden soll, kann als minimale Menge definiert werden, die für die Temperatur des Tabakmaterials das im Druckgefäß enthalten ist, notwendig ist, um eine Temperatur zu erreichen, die der Temperatur des gesättigten Kohlendioxidgases beim oben beschriebenen Imprägnierdruck entspricht.
Beispielsweise ist die initiale Tabaktemperatur des Tabakmaterials üblicherweise 20 bis 30°C, wie vorher beschrieben, und der Sättigungsdruck des Kohlendioxidgases bei diesem Temperaturniveau beträgt ungefähr 57 bis 72 kg/cm². Wenn der Imprägnierdruck bei einem Level von weniger als dem Sättigungsdruck eines Kohlendioxidgases bei der initialen Tabaktemperatur des Tabakmaterials eingestellt wird, wird das flüssige Kohlendioxid, das in das Tabakmaterial enthaltende Druckgefäß eingespeist wird, mit dem Tabakmaterial so in Berührung gebracht, dass es verdampft. Somit wird das Tabakmaterial durch die latente Wärme der Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids abgekühlt. Es folgt daraus, dass, wenn eine kontrollierte Menge an flüssigem Kohlendioxid in das Druckgefäß zugeführt wird, das gesamte flüssige Kohlendioxid bis zur Sättigung im Druckgefäß verdampft wird, mit dem Ergebnis, dass die Temperatur des Tabakmaterials gleich der Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases beim Imprägnierdruck wird. Die Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids verursacht, dass der Innendruck des Druckgefäßes erhöht wird. Jedoch kann der Imprägnierdruck innerhalb des Druckgefäßes ohne Schwierigkeit durch Betreiben einer Druckaufrechterhaltungseinrichtung, die dem Fachmann auf dem Gebiet wohl bekannt ist, wie beispielsweise eines den Druck zurückhaltenden Ventils, aufrecht erhalten werden, das am Druckgefäß befestigt ist.
Es wird nunmehr beschrieben werden, wie die Zufuhrmenge an flüssigem Kohlendioxid bestimmt wird, unter Abdeckung des Falls, in dem beispielsweise ein Tabakmaterial (geschredderter Tabak) mit einer initialen Tabaktemperatur von 25°C, das 25 Gew.-% Wasser enthält (Trockengewichtsbasis) verwendet wird, und der Imprägnierdruck bei 30 kg/cm² Überdruck eingestellt wird.

(1) Zunächst werden die zum Abkühlen des geschredderten Tabakmaterials, das eine Temperatur von 25°C aufweist, auf eine Sättigungstemperatur von Kohlendioxidgas (–4,5°C) bei dem Imprägnierdruck von 30 kg/cm² (Überdruck) erforderlichen Kalorien bzw. Wärmeeinheiten, wie folgt bestimmt:
(a) die spezifische Wärme bzw. Hitze eines geschredderten Tabakmaterials, obschon diese ein wenig abhängig von der Art des Ausgangsmaterials und vom Wassergehalt des Tabaks variiert, kann im Allgemeinen als die Summe der Kalorien des Wassergehaltes, präsentiert auf Trockenbasis, hinzugefügt zur spezifischen Wärme eines trocknen bzw. wasserfreien Tabak materials (0,34 kcal/kg°C) betrachtet werden. Deswegen ist die spezifische Wärme des geschredderten Tabakmaterials, das 25% Wasser (0,25 kg H₂O/kg geschreddertes Tabakmaterial) enthält, ungefähr 0,6 kcal/kg°C.
(b) Die zum Abkühlen von 1 kg (Trockengewicht) des geschredderten Tabakmaterials erforderlichen Kalorien (= ungefähr 18 kcal/kg) können durch Multiplizieren des oben erwähnten Wertes mit der Abkühltemperatur erzielt werden {25°C – (–4,5°C) = 29,5°C}.
(2) Andererseits werden die latenten Wärmen der Verdampfung von flüssigem Kohlendioxid in der wissenschaftlichen Literatur, beispielsweise „International Unit for Pure and Applied Chemistry", veröffentlicht von Pargamon Press Inc. oder in einer Sammlung thermo-physikalischer Werte, veröffentlicht von Japan Machinery Institute beschrieben, und die latente Wärme der Verdampfung von flüssigem Kohlendioxid bei einem Überdruck von 30 kg/cm² beträgt ungefähr 60 kcal/kg.
(3) Es folgt, dass die Menge an flüssigem Kohlendioxid, die zum Abkühlen des geschredderien Tabakmaterials erforderlich ist, durch Teilen der Kalorien von ungefähr 18 kcal/kg, die zum Abkühlen des geschredderten Tabakmaterials durch die latente Wärme der Verdampfung von ungefähr 60 kcal/kg für das flüssige Kohlendioxid erforderlich sind, erzielt werden kann. Es mag in anderen Worten ausreichend sein, 0,29 kg flüssiges Kohlendioxid zum Abkühlen von 1 kg (Trockengewichtsbasis) des geschredderten Tabakmaterials zuzuführen.

Es ist jedoch praktisch wünschenswert, ein flüssiges Kohlendioxid in einer Menge zuzuführen, die ein wenig größer als die kalkulierte Menge (theoretische Menge) ist, im Hinblick auf Einflüsse durch Wärme, die in das Druckgefäßsystem von außerhalb des Systems eindringt und dem Zustand bzgl. des Drucks und Temperatur des flüssigen Kohlendioxids, das zugeführt wird. Genauer wird bevorzugt, flüssiges Kohlendioxid in einer Menge von ungefähr 1 bis ungefähr 7 Mal soviel wie der oben erwähnten theoretischen Menge zuzuführen.
Bezüglich der Menge des flüssigen Kohlendioxids bzgl. des Gewichtes des Tabakmaterials sollte das flüssige Kohlendioxid vorzugsweise in einer Menge von 0,04 bis 2,4 mal, besonders bevorzugt ungefähr 0,06 bis 1,4 mal soviel wie das Trockengewicht des Tabakmaterials zuge führt werden. Diese Menge ist insbesondere geeignet, wenn das Tabakmaterial 12 bis 25 Gew.-% Wasser auf Trockengewichtsbasis des Tabakmaterials enthält und eine initiale Tabaktemperatur von 20 bis 30°C aufweist und der Imprägnierdruck bei 30 bis 60 kg/cm² Überdruck eingestellt wird. Die Zufuhrmenge an Kohlendioxid kann mit der Zunahme des Imprägnierdrucks verringert werden. Auf diese Weise wird das Tabakmaterial durch die latente Wärme der Verdampfung des zugeführten flüssigen Kohlendioxids auf die Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases bei Imprägnierdruck abgekühlt und das Tabakmaterial wird ausreichend mit Kohlendioxid imprägniert.
Wo die Zufuhrmenge des flüssigen Kohlendioxids nicht ausreichend ist, wird das gesamte flüssige Kohlendioxid, das zugeführt wurde, zu einem trocknen, bzw. wasserfreien Gaszustand verdampft. In diesem Falle wird die Temperatur des Tabakmaterials nicht soweit abgesenkt, dass sie die Sättigungstemperatur, oben erwähnt, erreicht und somit sollte zusätzliches flüssiges Kohlendioxid zugeführt werden. Der spezielle Zustand kann durch einen Temperatursensor nachgewiesen werden, der in Berührung mit dem Tabakmaterial angeordnet ist. Wenn andererseits eine überschüssige Menge eines flüssigen Kohlendioxids zugeführt wird, bleibt das flüssige Kohlendioxid teilweise in einem flüssigen Zustand. Das verbleibende flüssige Kohlendioxid wird am Boden des Druckgefäßes durch die Schwerkraft gesammelt und kann wiedergewonnen werden. Der spezielle Zustand kann durch ein Beobachtungsfenster überwacht werden, das am Bodenanteil des Druckgefäßes ausgebildet ist.
Die Tatsache, dass das Kohlendioxid innerhalb des Druckgefäßes den gesättigten Zustand erreicht hat, kann durch einen Temperatursensor bestätigt werden, der beispielsweise am untersten Anteil des Tabakmaterials oder an der Ausgangsöffnung (Gewinnungsleitung) im Bodenanteil des Druckgefäßes angeordnet ist, und der die Sättigungstemperatur anzeigt. Es ist alternativ vernünftig, dass der gesättigte Zustand zu dem Zeitpunkt erreicht wird, wenn das Vorhandensein sogar einer kleinen Menge eines flüssigen Kohlendioxids am Bodenanteil des Druckgefäßes durch das Beobachtungsfenster erkannt wurde.
Danach wird die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids gestoppt, gefolgt vom Belüften des Druckgefäßes auf im wesentlichen atmosphärischen Druck. Darauf wird das Tabakmaterial, das mit Kohlendioxid imprägniert ist, aus dem Druckgefäß herausgenommen und wird zu einem Wärme-Expandierungsschritt übertragen, um das Tabakmaterial unter Wärme bzw. Hitze zu expandieren.
Das Tabakmaterial behält, wie es aus dem Druckgefäß entnommen wird, die innere Form des Druckgefäßes bei, die durch Einfluß des Imprägniervorgangs in einigen Fällen auf dieses ausgeübt wird. Sogar in diesem Falle wird das Tabakmaterial nicht verdichtet und verfestigt und befindet sich in einem Zustand, in dem es leicht kollabiert werden kann, wenn das Tabakmaterial leicht mit den Händen ergriffen wird. In einem solchen Fall ist es möglich, das Tabakmaterial durch zwei Walzen hindurch zu führen, die jeweils eine Vielzahl von Stiften daran befestigt aufweisen, um das Tabakmaterial aufzulockern. Das Tabakmaterial wird nicht zerrissen bzw. zerbrochen (d. h. es wird kein Abfall, feine Teilchen etc. erzeugt), indem die Auflockerungsbehandlung durchgeführt wird. Es folgt, dass das Tabakmaterial, das mit Kohlendioxid durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt ist, ohne zerkleinert zu werden übertragen werden kann.
Im Wärmeexpandierungsschritt wird das mit Kohlendioxid imprägnierte Tabakmaterial im Allgemeinen mit einem Hochtemperaturgasstrom in einem Gasstromtrockner in Berührung gebracht. Wie es in der Technik weithin bekannt ist, ist der Gasstromtrockner derart konstruiert, dass ein Hochtemperaturgasstrom in einer hohen Geschwindigkeit innerhalb eines sich erweiternden bzw. expandierenden Rohres fließt, das im Allgemeinen aus einem rostfreien Stahl-Rohr besteht. Der heiße Gaststrom enthält im Allgemeinen eine Hauptmenge an Wasserdampf.
Im Wärmeexpandierungsschritt wird die Expansionsgeschwindigkeit von Kohlendioxid innerhalb des Tabakgewebes mit der Zunahme der Erhitzungstemperatur vergrößert, was zu einem hohen Expansionsverhältnis führt. In der vorliegenden Erfindung jedoch weist das Tabakmaterial nach Imprägnierung mit Kohlendioxid keine oder beinahe keine feste Kohlendioxidanlagerung hieran auf. Es folgt, dass ein erwünschtes Expansionsverhältnis sogar dann erreicht werden kann, wenn die Expansionstemperatur relativ gering ist. In jeder Rate bzw. Geschwindigkeit ist ein rasches Erhitzen zum Expandieren des Tabakmaterials wünschenswert. Es ist weiterhin wünschenswert, das Tabakmaterial zu trocknen, um den Wassergehalt auf beispielsweise 8% (Trockengewichtsbasis) abzusenken, um einmal das expandierte Ta bakgewebe zu fixieren. Der Gasstromtrockner ist zum Erreichen des raschen Erhitzens geeignet. Die Erhitzungstemperatur und -zeit kann im Hinblick auf das erwünschte Expansionsverhältnis und Raucharoma und -geschmack bestimmt werden (beispielsweise das Fehlen eines Brandgeruches). In der vorliegenden Erfindung kann ein großes Expansionsverhältnis durch in Berührung Bringen des Tabakmaterials mit einem heißen Gasstrom von ungefähr 260°C bis 350°C für lediglich 1 bis 2 Sekunden erreicht werden.
Im Anschluß an die Expansion wird das expandierte Tabakmaterial aus dem heißen Gas abgetrennt. Wie es in der Technik weithin bekannt ist, kann die Auftrennung durch einen tangentialen Separator erreicht werden, der an den Gasstromtrockner angeschlossen ist.
Es ist im übrigen möglich, dass, nachdem flüssiges Kohlendioxid in ein Druckgefäß eingebracht wird und das Druckgefäß den gesättigten Zustand erreicht, der Zustand innerhalb des Druckgefäßes für eine bestimmte Zeitspanne aufrecht erhalten oder gehalten wird, um die Imprägnierung von Kohlendioxid in das Tabakmaterial in höherem Maße sicherzustellen, ohne sofort den Druck abzulassen. Die Aufrechterhaltungs- und Haltezeit beträgt vorzugsweise 10 Sekunden oder mehr und eine Haltezeit von bis zu ungefähr 20 Minuten ist ausreichend. Die Haltezeit kann länger sein, wenn der Imprägnierdruck geringer ist, während er niedriger sein kann, wenn der Imprägnierdruck höher ist.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben weiterhin herausgefunden, dass der Imprägnierdruck mit dem initialen Wassergehalt des Tabakmaterials in Beziehung steht. Es wurde insbesondere herausgefunden, dass der initiale Wassergehalt des Tabakmaterials, der zum Erreichen des höchsten Bereiches von Expansionsverhältnissen (hierin als der geeignete initiale Wassergehalt bezeichnet) niedriger sein kann, wenn der Imprägnierdruck höher ist, wie durch die hierin beschriebenen späteren Beispiele unter Beweis gestellt wird. Wenn beispielsweise der Imprägnierdruck 30 kg/cm² Überdruck beträgt, kann der höchste Bereich von Expansionsverhältnissen durch Einstellen des initialen Wassergehalts des Tabakmaterials bei 20 bis 25% (Trockengewichtsbasis) erreicht werden. Wenn der Imprägnierdruck 40 kg/cm² Überdruck beträgt, kann der höchste Bereich von Expansionsverhältnissen durch Einstellen des initialen Wassergehaltes des Tabakmaterials bei 18 bis 23% (Trockengewichtsbasis) erreicht werden. Wenn weiterhin der Imprägnierdruck 50 kg/cm² Überdruck beträgt, kann der höchste Bereich an Expansionsverhältnissen durch Einstellen des initialen Wassergehalts des Tabakmaterials bei 16 bis 21% (Trockengewichtsbasis) erreicht werden.
Der geeignete initiale Wassergehalt, der ein wenig von den Arten der Tabakmaterialien, der Klassifikation der Tabakblätter etc. abhängig ist, fällt in den Wasserbereich, der oben erwähnt wurde, insbesondere im Fall der Verwendung von geschnittenen Tabakmischungen mit verschiedenen Arten von Tabakmaterialien, die darin vermischt sind.
Es sollte ebenfalls erwähnt werden, dass im Falle der Verwendung eines Tabakmaterials mit dem geeigneten initialen Wassergehalt ein höheres Expansionsverhältnis unter Zunahme des Imprägnierdruckes erreicht werden kann.
Ein weiterer Vorteil davon, dass der Imprägnierdruck hoch ist, besteht darin, dass die minimal erforderliche Menge des flüssigen Kohlendioxids, die verwendet wird, gesenkt werden kann und dass die Verfestigung/Verdichtung des Tabakmaterials nach Imprägnierung effektiver verhindert werden kann. Um dies spezieller auszuführen ist die Sättigungstemperatur von Kohlendioxidgas, die ungefähr –4,5°C unter dem Überdruck von 30 kg/cm² beträgt, unter einem Überdruck von 50 kg/cm² sogar –14,5°C. Es folgt, dass die beim Abkühlen eines Tabakmaterials bei einer initialen Tabaktemperatur von 20 bis 30°C auf die Sättigungstemperatur erforderlichen Kalorien (und daher die Menge an flüssigem Kohlendioxid) unter Erhöhung des Imprägnierdruckes verringert werden kann. Zusätzlich neigt der geeignete initiale Wassergehalt des Tabakmaterials mit der Zunahme des Imprägnierdruckes, wie bereits ausgeführt wurde, dazu, gesenkt zu werden. Es folgt, dass die empfindliche Hitze, die dem Wassergehalt des Tabakmaterials entspricht, ebenfalls verringert wird, was zu einer weiteren Reduktion der zum Abkühlen erforderlichen Kalorien führt (und daher der Menge an flüssigem Kohlendioxid). Als Folge ermöglicht der höhere Imprägnierdruck eine Abnahme der verwendeten Menge an flüssigem Kohlendioxid und eine Erhöhung der Temperatur, die durch das Tabakmaterial während der Imprägnierung erreicht wird (Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases), wodurch der geeignete Wassergehalt des Tabakmaterials abgesenkt wird. Es folgt, dass die Verfestigung/Verdichtung des Tabakmaterials weiterhin effektiver vermieden werden kann.
Die Tabellen 1 bis 4 nachstehend zeigen das Verhältnis zwischen dem initialen Wassergehalt des Tabakmaterials (Trockengewichtsbasis), die initiale Temperatur des Tabakmaterials und der erforderliche minimale Menge an flüssigem Kohlendioxid (berechnete Werte bzgl. 1 kg (Trockengewichtsbasis) des Tabakmaterials, der die Fälle abdeckt, in denen der Imprägnierdruck 30 kg/cm² Überdruck beträgt (Sättigungstemperatur –4,5°C und die latente Wärme der Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids von 60 kcal/kg), wobei der Imprägnierdruck 40 kg/cm² Überdruck beträgt (Sättigungstemperatur von +6,3°C und die latente Verdampfungswärme des flüssigen Kohlendioxids 50 kcal/kg beträgt), wobei der Imprägnierdruck 50 kg/cm² Überdruck beträgt (Sättigungstemperatur von +14,5°C und latente Wärme der Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids von 43 kcal/kg), und wobei der Imprägnierdruck 60 kg/cm² Überdruck (Sättigungstemperatur von 22,0°C und latente Wärme der Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids von 34 kcal/kg) beträgt. In jeder der Tabellen 1 bis 4 ist der initiale Wassergehalt des Tabakmaterials, der die höchsten Expansionsverhältnisse unter dem jeweiligen Imprägnierdruck ergibt, als der geeignete Wassergehalt angegeben.
Tabelle 1: Die minimal erforderliche Menge (kg) an flüssigem Kohlendioxid pro kg Tabakmaterial unter einem Imprägnierdruck von 30 kg/cm² (Überdruck)
Tabelle 2: Die minimal erforderliche Menge (kg) an flüssigem Kohlendioxid pro kg Tabakmaterial unter dem Imprägnierdruck von 40 kg/cm² (Überdruck)
Tabelle 3: Minimal erforderliche Menge (kg) an flüssigem Kohlendioxid pro kg Tabakmaterial unter dem Imprägnierdruck von 50 kg/cm² (Überdruck)
Tabelle 4: Die minimal erforderliche Menge (kg) an flüssigem Kohlendioxid pro kg Tabakmaterial unter dem Imprägnierdruck von 60 kg/cm² (Überdruck)
1 zeigt schematisch als Beispiel eine Imprägniervorrichtung 10 zum Imprägnieren eines Tabakmaterials mit Kohlendioxid im Verfahren der vorliegenden Erfindung. Die Imprägniervorrichtung 10 umfasst einen Druckkessel bzw. ein Druckgefäß (Imprägniergefäß) 11 zur Aufnahme eines Metallnetzbehälters MC, in dem ein Tabakmaterial TM enthalten ist. Das Druckgefäß 11, das beispielsweise aus rostfreiem Stahl hergestellt ist, weist einen zylindrischen Körper auf. Ein oberer Deckel 12 ist abnehmbar am oberen offenen Ende des Druckgefäßes 11 angebracht, um das Druckgefäß 11 hermetisch zu verschließen.
Ein flüssiges Kohlendioxidsprühelement 13, hergestellt aus einer porösen Sintermetallplatte mit Poren einer Größe von 200 μm Durchmesser ist unter und beabstandet von der unteren Oberfläche des oberen Deckels 12 angeordnet. Das Sprühelement 13 weist eine planare Form auf, die der inneren planaren Querschnitt-Form des Druckgefäßes 11 gleich ist und ist so angeordnet, dass es den offenen Querschnitt des Druckgefäßes 11 überbrückt, wenn das Druckgefäß 11 durch den oberen Deckel 12 hermetisch verschlossen ist.
Die äußere Umfangsoberfläche des Druckgefäßes 11 ist mit einem Mantel 14 bedeckt um zu verhindern, dass äußere Hitze in das Druckgefäß eindringt und somit um den Imprägnierdruck in dem Druckgefäß aufrecht zu erhalten oder die Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases im Druckgefäß 11 aufrecht zu erhalten. Es ist möglich, im Mantel 14 ein Kühlmedium oder ein Heizmedium zirkulieren zu lassen, das zur Aufrechterhaltung der oben erwähnten Sättigungstemperatur erforderlich ist.
Ein Behälter 20, der flüssiges Kohlendioxid aufnimmt, ist außerhalb des Druckgefäßes 11 angeordnet. Der Freiraum oberhalb des flüssigen Kohlendioxids 21 im Behälter 20 ist mit Kohlendioxidgas 22 befüllt.
Um das Kohlendioxidgas 22 in das Druckgefäß 11 einzuspeisen, wird eine Leitung L1 angeordnet, die am einen Endanteil mit dem Innenraum des Druckgefäßes 11 durch den oberen Deckel 12 in Verbindung steht und ebenfalls am anderen Endanteil mit dem freien Raum im oberen Anteil des Behälters 20 in Verbindung steht. Ein Öffnungs-/Verschlußventil V1 ist an der Leitung L1 in der Nähe des oberen Endes des Druckgefäßes 11 befestigt. Die Zufuhr zum Druckgefäß 11 und die Unterbrechung der Zufuhr des Kohlendioxidgases 22 werden jeweils durch Öffnungs- und Verschlußvorgänge des Ventils V1 gesteuert.
Eine Leitung L2 wird angeordnet, die mit dem Bodenanteil des Behälters 20 zum Zuführen des flüssigen Kohlendioxids 21 in das Druckgefäß 11 in Verbindung steht. Befestigt an der flüssigen Kohlendioxid-Zufuhrleitung L2 ist ein Öffnungs-/Verschlußventil V2, eine flüssige Kohlendioxid-Zufuhrpumpe P, ein Strömungsmesser FM und ein Druckreduktionsventil V3, in der erwähnten Reihenfolge, aus Sicht des Behälters 20. Wenn die Zufuhr bzw. Speisepumpe P bei geöffnetem Ventil V2 betrieben wird, strömt das flüssige Kohlendioxid 21 im Behälter 20 hin zum Druckgefäß 11. Der Strömungsmesser FM mißt die Durchflußgeschwindigkeit des flüssigen Kohlendioxids und erzeugt ein Signal zum Anhalten des Vorgangs der Zufuhrpumpe P, wenn die Menge des flüssigen Kohlendioxids, das durch den Strömungsmesser FM fließt, einen vorherbestimmten integrierten Wert erreicht. Die Zufuhrpumpe P kann in Reaktion auf das Signal angehalten bzw. gestoppt werden. Das Druckreduktionsventil V3 dient zur Steuerung des flüssigen Kohlendioxids 21, das durch die Leitung L2 in das Druckgefäß 11 bei einem vorherbestimmten Druck zugeführt wird.
Die Leitung L2 ist in zwei Leitungen L3 und L4 auf der stromabwärts gerichteten Seite des Druckreduktionsventils V3 aufgezweigt. Die verzweigte Leitung L3 wird mit der Leitung L1 außerhalb des Druckgefäßes 11 vereinigt. Die weitere verzweigte Leitung L4 wird an Sprühdüsen (nicht dargestellt) angeschlossen, angeordnet am oberen Peripheranteil des Druckgefäßes 11, die sich in den Innenraum des Druckgefäßes 11 hinein erstrecken.
Das flüssige Kohlendioxid, das durch die Leitung L3 zugeführt wird, durchdringt die Poren der Sintermetallplatte 13, so dass es auf das Tabakmaterial TM aufgesprüht wird. Andererseits wird das flüssige Kohlendioxid, das durch die Leitung L4 zugeführt wird, durch die Sprühdüsen, die oben erwähnt sind, auf das Tabakmaterial TM gesprüht. Die Zuführungen des flüssigen Kohlendioxids durch die Leitungen L3 und L4 können gleichzeitig oder in geeigneter Weise gewechselt durchgeführt werden. Zu diesem Zweck sind Öffnungs-/Verschlußventile V4 und VS an den Leitungen L3 bzw. L4 angebracht. Es ist im übrigen möglich, das flüssige Kohlendioxid durch lediglich eine der Leitungen L3 und L4 zuzuführen, was es möglich macht, eine dieser Leitungen L3 und L4 zu vermeiden. In diesem Falle ist es natürlich nicht notwendig, das Ventil (V4 oder VS), das an der verbleibenden Leitung befestigt ist (Leitung L3 oder L4) beizubehalten. Es sollte weiterhin erwähnt werden, dass eine mit einer Vielzahl von Sprühdüsen ausgestattete Scheibe anstelle der Sintermetallplatte 13 verwendet werden kann. In diesem Fall kann das flüssige Kohlendioxid, das durch die Linie L3 zugeführt wird, durch diese Spraydüsen gesprüht werden.
Temperaturmesseinrichtungen, beispielsweise Thermoelemente TC1, TC2 und TC3 werden jeweils am oberen Anteil, am mittleren Anteil und am unteren Anteil des Tabakmaterials TM befestigt, das im Druckgefäß 11 enthalten ist. Die von diesen Thermoelementen gemessenen Temperaturen werden durch einen Temperaturdetektor TD nachgewiesen, der außerhalb des Druckgefäßes 11 angeordnet ist.
Ein flüssiger Kohlendioxid-Vorratstank 15 ist unterhalb des Druckgefäßes 11 angeordnet, wobei der Tank, wobei das flüssige Kohlendioxid, das in das Druckgefäß 11 eingespeist wird, leicht durch das Tabakmaterial TM strömt, das flüssige Kohlendioxid durch eine Leitung L5 mit einem Öffnungs-/Verschlußventil V6, das daran befestigt ist, aufnimmt. Das flüssige Kohlendioxid, das durch den Gewinnungstank 15 aufgenommen wird, strömt durch eine Leitung L6 mit einem Öffnungs-/Verschlußventil V7, das daran befestigt ist, so dass es zum Vorrat 20 durch Wiedergewinnungs- und Aufreinigungsschritte zurückgeführt wird, die in einer Wiedergewinnungseinrichtung (nicht dargestellt) durchgeführt werden. Ebenfalls ist eine Druckablassleitung L7 mit einem daran befestigten Öffnungs-/Verschlußventil V8, an der Leitung L5 stromaufwärts des Ventils V6 angeschlossen. Wenn das Ventil V8 geöffnet wird, wird der Druck innerhalb des Druckgefäßes 11 so freigesetzt, dass der Innendruck des Druckgefäßes 11 auf im wesentlichen atmosphärischen Druck abgesenkt wird. Das Kohlendioxidgas, das durch das Druckfreisetzungsventil V8 und die Leitung L7 freigesetzt wird, wird in eine Wiedergewinnungseinrichtung geliefert (nicht dargestellt).
Weiterhin ist eine Leitung L8, die mit dem Innenraum des Druckgefäßes 11 in Verbindung steht und die ein Druckrückhalteventil V9 daran befestigt aufweist, in einem oberen Anteil des Druckgefäßes 11 angeordnet. Das Druckrückhalteventil V9 dient zur Kontrolle bzw. Steuerung des Kohlendioxidgasdruckes innerhalb des Druckgefäßes 11, so dass es einen vorherbestimmten Imprägnierdruck nicht überschreitet und kann den Imprägnierdruck mit einer zufriedenstellenden Genauigkeit in Verbindung mit dem Druck reduzierenden Ventil 3 einstellen. Tatsächlich wird das Kohlendioxidgas, das durch das Druckrückhalteventil V9 und die Leitung L8 ausströmt, ebenfalls an die Wiedergewinnungseinrichtung (nicht dargestellt) geliefert.
Um das Tabakmaterial mit Kohlendioxid durch Verwendung der Imprägniervorrichtung 10 zu imprägnieren wird der Metallnetzbehälter MC, der das Tabakmaterial TM enthält, in das Druckgefäß 11 eingelegt. Danach wird der obere Deckel 12 verschlossen. Weiterhin werden die Ventile V1 und V8 geöffnet, so dass Kohlendioxidgas in das Druckventil 11 für eine kurze Zeit eingebracht werden kann, wodurch das Innere des Druckgefäßes 11 gespült wird.
Darauf wird das Ventil V8 so verschlossen, so dass das Kohlendioxidgas im Druckgefäß 11 auf einen erwünschten Imprägnierdruck unter Druck gesetzt wird. Nach Abschluß des Vorgangs des unter Druck Setzens werden die Ventile V1 und V2 geschlossen bzw. geöffnet.
Zum selben Zeitpunkt werden Ventil V4 und/oder Ventil VS geöffnet, so dass flüssiges Kohlendioxid von oben auf das Tabakmaterial TM aufgesprüht wird. Unmittelbar nachdem alle Thermoelemente TC1 bis TC3 die Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases bei Imprägnierdruck anzeigen, wird das Ventil V2 und weiter das Ventil V4 und/oder das Ventil VS verschlossen, um die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids zu stoppen. Danach wird, unmittelbar oder eine vorherbestimmte Haltezeit nach dem Anhalten der Beschickung mit flüssigem Kohlendioxid das Druckfreisetzungsventil V8 geöffnet, um den Druck innerhalb des Druckgefäßes 11 auf im wesentlichen atmosphärischen Druck abzubauen. Danach wird der obere Deckel 12 geöffnet und das Tabakmaterial, das mit Kohlendioxid imprägniert ist, wird aus dem Druckgefäß 11 entnommen. Weiterhin wird das imprägnierte Tabakmaterial in einen Gasstromtrockner (nicht dargestellt) eingebracht, um eine vorherbestimmte Expansionsbehandlung unter Hitze auf das Tabakmaterial anzuwenden.
Wie oben beschrieben, benötigt die Imprägniervorrichtung 10 keine getrennte Vorrichtung für das vorausgehende Abkühlen des Tabakmaterials und weist eine einfache Konstruktion auf, die durch Befestigen einer Sprayvorrichtung für flüssiges Kohlendioxid an einem Druckgefäß erreicht werden kann. In der vorliegenden Erfindung kann ein expandierter Tabak mit einem hohen Expansionsverhältnis (Volumenexpansionsverhältnis) nach der Expansionsbehandlung durch Verwendung der Imprägniervorrichtung mit einer einfachen Konstruktion zum Imprägnieren des Tabakmaterials mit Kohlendioxid erzielt werden.
Es werden nunmehr nachstehend Beispiele der vorliegenden Erfindung zusammen mit Vergleichsbeispielen beschrieben. Die zur Kohlendioxidimprägnierung in den folgenden Beispielen verwendete Vorrichtung ist in ihrer Konstruktion der Kohlendioxidimprägniervorrichtung gleich, die in 1 dargestellt ist. Die Sintermetallplatte 13 alleine wurde in den Beispielen der vorliegenden Erfindung zum Aufsprühen von flüssigem Kohlendioxid verwendet. Die Imprägniervorrichtung wurde wie bereits unter Bezugnahme auf 1 beschrieben betrieben. Der in den nachfolgenden Beispielen und in den Vergleichsbeispielen genannte Druck repräsentiert Überdruck.
Die in den hier nachfolgenden Beispielen und Vergleichsbeispielen verwendeten Begriffe sind wie folgt definiert:
Wassergehalt: Die Menge des Wassergehalts ist das Gewicht, das reduziert wird, nachdem eine Probe des Tabakmaterials für eine Stunde in einem Konvektions- bzw. Heißluftofen bei 100°C angeordnet war. Der Wassergehalt ist das Verhältnis der Wassermenge bzgl. des Trockengewichts des Tabakmaterials. Diese Definition des Wassergehaltes hat in der gesamten Beschreibung Gültigkeit.
Volumenexpansionsverhältnis: Das Volumenexpansionsverhältnis repräsentiert die Beladungskapazität eines Tabakmaterials im Falle der Herstellung von Zigaretten. Es wird wie folgt definiert, durch Verwendung eines DD60A-Typ-Densimeters, hergestellt von Borgwaldt GmbH, Deutschland.

(1) Eine Probe eines Tabakmaterials wird in einen zylindrischen Behälter (Zylinder) mit einem Durchmesser von 60 mm eingefüllt. Eine Probe in einer Menge von 15 g wird vor der Expandierbehandlung verwendet. Ebenfalls wird eine Probe nach der Expansionsbehandlung in einer Menge von 10 g verwendet, nachdem ihre Feuchtigkeit erneut eingestellt wurde.
(2) Das eingefüllte Tabakmaterial wird für 30 Sekunden mit einem Kolben mit einem Durchmesser von 56 mm und mit einer darauf ausgeübten Belastung von 3 kg komprimiert.
(3) Weil die Höhe der komprimierten Tabakmaterialschicht angezeigt ist, wird das apparente Volumen des Tabakmaterials aus dem angezeigten Wert erzielt. Der durch Aufteilen des apparenten Volumens durch das Gewicht des Tabakmaterials erzielte Wert repräsentiert das Volumenexpansionsverhältnis (in der Einheit ccm/g).

Je größer der Wert des Volumenexpansionsverhältnisses ist, desto höher die Belastungskapazität des Tabakmaterials und daher desto kleiner das Gewicht des Tabakmaterials, das pro Zigarette eingefüllt wird.
Verbesserung des Volumenexpansionsverhältnisses:
Die Verbesserung des Volumenexpansionsverhältnisses repräsentiert den Wert, der durch Teilen des Volumenexpansionsverhältnisses des Tabakmaterials nach der Expansionsbehandlung durch das Volumenexpansionsverhältnis des Tabakmaterials vor der Expansionsbehandlung erzielt wird. Je größer dieser Wert ist, desto mehr wird die Beladungskapazität erhöht.
CO₂ Rückhalterate: Das Gewicht der Probe wird sowohl vor als auch nach dem Imprägnieren mit Kohlendioxid gemessen und die Erhöhung des Gewichtes zeigt die Kohlendioxid (CO₂) Rückhaltemenge an. Die CO₂ Rückhalterate repräsentiert den Wert, der durch Teilen der CO₂ Rückhaltemenge durch das Gewicht der Probe vor der Imprägnierung gewonnen wird (Trockengewicht).
Feuchtigkeitswiedereinstellung: Der Wassergehalt des expandierten Tabakmaterials wird so eingestellt, dass er zur Herstellung von Zigaretten geeignet ist. Der spezielle Vorgang wird als Feuchtigkeitswiedereinstellung bezeichnet. Die Feuchtigkeitswiedereinstellung wird durch Aufbewahren des expandierten Tabakmaterials in einem Raum mit einer Temperatur von 22°C und einer relativen Feuchtigkeit von 60% für eine Woche durchgeführt.
Geschmacksqualität: Dies sind die Ergebnisse einer organoleptischen Auswertung des Rauchgeschmacks, die durch 10 Teilnehmer durchgeführt wurde, die speziell zur Beurteilung von Aroma, Geschmack etc. von Tabak trainiert wurden. Insbesondere evaluierte jeder Teilnehmer die Geschmacksqualität in 7 Stufen von –3, –2, –1, 0, +1, +2 und +3 und der Durchschnitt der Wertungen durch die 10 Teilnehmer wurde als die Geschmacksqualität hergenommen. Die Auswertung „0" repräsentiert die Standardgeschmacksqualität. Das Symbol „+", das vor dem Wert für die Auswertung steht, zeigt eine hohe Geschmacksqualität an, wobei das Symbol „–" vor dem Auswertungswert eine geringe Geschmacksqualität anzeigt. Somit zeigt die Bewertung „+3" die höchste Geschmacksqualität an. Desgleichen zeigt die Bewertung „–3" die geringste Geschmacksqualität an.
Beispiel 1
Wasser wurde auf typisches gemischtes geschnittenes Tabakmaterial aufgesprüht (Symbol: B-3), um das Tabakmaterial zu befeuchten, und um dadurch fünf Arten von Proben herzustellen, die sich voneinander im initialen Wassergehalt unterschieden, wie in Tabelle 5 dargestellt ist.
Zumindest 5 Stunden nach der Befeuchtung wurde jede der geschnittenen Tabakmaterialproben (ungefähr 100 g Trockengewicht) in einen Metallnetzbehälter eingebracht, der aus rostfreiem Stahl hergestellt war, gefolgt vom Einbringen des Metallnetzbehälters in ein Druckgefäß (ein Innenvolumen von 1 l (Liter), einem Durchmesser von 80 mm und einer Tiefe von 200 mm). Darauf wurde das Druckgefäß mit Kohlendioxidgas für 10 Sekunden gespült.
Danach wurde Kohlendioxidgas in das Druckgefäß eingebracht, um das Innere des Druckgefäßes auf einen Imprägnierdruck von 30, 40 oder 50 kg/cm² unter Druck zu setzen.
Nachdem die Zufuhr des Kohlendioxidgases gestoppt war, wurde die Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid aus einem oberen Anteil des Druckgefäßes begonnen. Das flüssige Kohlendioxid wurde schrittweise aufgesprüht, bis die Thermoelemente TC1, TC2 und TC3, die jeweils im oberen Anteil, dem mittleren Anteil und dem unteren Anteil der geschnittenen Tabakmaterialschicht angeordnet waren, die Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases bei Imprägnierdruck anzeigten.
Zu beinahe derselben Zeit, zu der das untere Thermoelement TC3 die Sättigungstemperatur anzeigte wurde herausgefunden, dass flüssiges Kohlendioxid nur leicht aus dem Bodenanteil des Druckgefäßes heraus tropfte.
Zu diesem Zeitpunkt wurde die Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid gestoppt.
Eine Minute, nachdem die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids gestoppt war, wurde der Druck innerhalb des Druckgefäßes über ungefähr 10 Sekunden auf atmosphärischen Druck abgebaut und darauf wurde das geschnittene Tabakmaterial, das mit Kohlendioxid imprägniert war, aus dem Druckgefäß entnommen.
Diese Probe wurde in einen Gasstromtrockner eingebracht, um eine Hitzeexpansionsbehandlung zu bewirken. Der Gasstromtrockner bestand aus einem Rohr aus rostfreiem Stahl (Expansionsrohr) mit einem Innendurchmesser von 84,9 mm und einer Länge von 12 m, wobei ein heißer Gasstrom, der 80 Vol.-% Dampf enthielt, bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 38 m/sek geströmt wurde. Die Einlaßtemperatur des Gasstromtrockners wurde bei 350°C kontrolliert. Das geschnittene Tabakmaterial passierte in ungefähr 1 sek durch das Expansionsrohr. Das geschnittene expandierte Tabakmaterial, das durch das Expansionsrohr passierte, wurde aus dem Gasstrom durch einen tangentialen Separator abgetrennt und wiedergewonnen. Das so gewonnene Tabakmaterial enthielt 3 bis 4% Wasser.
Nachdem die Feuchtigkeit jedes geschnittenen Tabakmaterials wieder eingestellt wurde, wurde das Volumenexpansionsverhältnis, die Verbesserung des Volumenexpansionsverhältnisses und die CO₂ Rückhalterate gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 dargestellt.
Tabelle 5
Wie in Tabelle 5 dargestellt ist, ermöglicht das Verfahren der vorliegenden Erfindung das Erreichen eines ausgezeichneten Volumenexpansionsverhältnisses. Es wurde ebenfalls aus diesen Ergebnissen bestätigt, dass, je höher der Imprägnierdruck, desto mehr das Volumenex pansionsverhältnis verbessert wird, wenn der initiale Wassergehalt des Tabakmaterials niedriger ist.
Weiterhin wurde eine Kohlendioxidimprägnierbehandlung wie oben unter den Bedingungen durchgeführt, die das höchste Volumenexpansionsverhältnis erlaubten (d. h. der Imprägnierdruck von 50 kg/cm² und der initiale Wassergehalt des geschnittenen Tabakmaterials von 18,4%).
Darauf wurde das geschnittene Tabakmaterial, das mit Kohlendioxid imprägniert war, in einem Vakuumhitzeisolier-Gefäß aufbewahrt, das aus rostfreiem Stahl bestand. Nach Lagerung für 30 Minuten wurde das geschnittene Tabakmaterial einer Hitzeexpansionsbehandlung durch Verwendung des Gasstromtrockners wie oben unterworfen. Sogar nach der Aufbewahrung im Hitzeisolier-Gefäß, wobei das geschnittene Tabakmaterial bei einer Temperatur von –40°C gehalten wurde, erwies sich das Volumenexpansionsverhältnis des expandierten geschnittenen Tabakmaterials als 9,68 ccm/g, was vollständig mit dem Volumenexpansionsverhältnis von 9,77 ccm/g im Falle der Anwendung der Expansionsbehandlung ohne Aufbewahrung vergleichbar war.
Es kann im Allgemeinen gesagt werden, dass das Tabakmaterial wünschenswerterweise einer Expansionsbehandlung unter Hitze unterzogen werden sollte, sobald das Tabakmaterial mit Kohlendioxid imprägniert wird, um die Menge an Kohlendioxid, die von innerhalb des Tabakmaterials abdampft, zu minimieren. Es ist jedoch aus den obigen Ergebnissen ersichtlich, dass eine ausreichende Expansionswirkung erreicht werden kann, wenn das Tabakgewebe mit ungefähr 3% Kohlendioxid imprägniert wird (Trockengewichtsbasis), indem geeignete Kalthaltemittel verwendet werden.
Beispiel 2
Wasser wurde auf einen Schnitt rauchbehandelten Tabaks aufgesprüht, der in Japan hergestellt wurde (Symbol: ESE), um eine Befeuchtung bis zu einem Wassergehalt von 25% zu bewerkstelligen. Zumindest 5 Stunden nach der Befeuchtung wurden 100 g bezogen auf das Trockengewicht des befeuchteten Schnittabaks in einem Metallsiebbehälter eingebracht, der aus rostfreiem Stahl hergestellt war, gefolgt von der Anordnung des Metallnetzbehälters in einem Druckgefäß, eingeschlossen in einer Imprägniervorrichtung, die derjenigen, die in Beispiel 1 verwendet wurde, identisch war. Darauf wurde das Druckgefäß mit einem Kohlendioxidgas für 10 Sekunden gespült.
Danach wurde das Gefäß mit einem Kohlendioxidgas auf 30 kg/cm² gefolgt durch Sprühen von flüssigem Kohlendioxid unter Druck gesetzt.
Zwölf Sekunden nach dem Besprühen zeigten alle drei Thermoelemente TC1, TC2 und TC3, die innerhalb der Schnittabakmaterialschicht angeordnet waren, die Sättigungstemperatur an, die dem 30 kg/cm² Imprägnierdruck des Kohlendioxids entsprach, d. h. –4,5°C. In diesem Stadium wurde die Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid gestoppt. Die Menge des zugeführten flüssigen Kohlendioxids betrug 68 g.
8 Sekunden, nachdem die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids gestoppt war, wurde der Druck im Druckgefäß abgesenkt, um innerhalb von ungefähr 10 Sekunden atmosphärischen Druck zu erreichen.
Die für die Imprägnierbehandlung erforderliche Zeit (nach dem unter Druck setzen mit dem Kohlendioxid bis zum Abschluß des Absenkens auf atmosphärischen Druck) betrug ungefähr 30 Sekunden.
Sofort nach dem Absenken des Druckes wurde das Schnittabakmaterial aus dem Druckgefäß entnommen und gewogen. Das Gewicht betrugt 143,8 g. Weil das Schnittabakmaterial vor der Imprägnierbehandlung mit Kohlendioxid 112,1 g wog, hielt das Schnittabakmaterial nach der Kohlendioxidimprägnation 21,7 g Kohlendioxid zurück. Dies entspricht 22,1% des Trockengewichtes des Schnittabakmaterials.
Das mit Kohlendioxid imprägnierte Schnittabakmaterial hielt eine säulenförmige Form bei, die der Innenform des Druckgefäßes entsprach. Jedoch war das geformte Tabakmaterial leicht zu kollabieren, wenn es sanft mit der Hand berührt wurde, was darauf hinweist, dass das Tabakmaterial überhaupt nicht verfestigt/verdichtet war.
Dieses Schnittabakmaterial, das mit Kohlendioxid imprägniert war, wurde unter Hitze innerhalb eines Gasstromtrockners expandiert, der mit demjenigen, in Beispiel 1 verwendeten identisch war. Der Wassergehalt des expandierten Tabakmaterials erwies sich als 3,4%.
Nach der Wiedereinstellung der Feuchtigkeit wurde das Volumenexpansionsverhältnis des expandierten Tabakmaterials gemessen, um einen Wert von 9,42 ccm/g zu erhalten.
Das nicht behandelte Schnittabakmaterial zeigte ein Volumenexpansionsverhältnis von 4,09 ccm/g.
Darauf wurden dieselben Imprägnations- und Expansionsbehandlungen mit befeuchtetem Schnittabakmaterial mit derselben Charge mit veränderter Haltezeit durchgeführt.
Tabelle 6 zeigt die Ergebnisse. Die Imprägnierzeit ist ebenfalls in Tabelle 6 dargestellt.
Tabelle 6
Wie aus den Ergebnissen ersichtlich ist, die in Tabelle 6 angegeben sind, wird eine kleine Menge des überschüssigen flüssigen Kohlendioxids durch sein Eigengewicht am Bodenanteil des Druckgefäßes gesammelt mit dem Ergebnis, dass die CO₂-Zurückhaltungsrate zu einer Absenkung neigt. Jedoch wurde die Volumenexpansionsrate ohne Rücksicht auf die Imprägnierzeit oder die Haltezeit ausgezeichnet aufrecht erhalten. Es folgt dass, wenn das Tabakmaterial ohne Fehler abgekühlt wird, indem eine minimal erforderliche Menge an flüssigem Kohlendioxid aufgesprüht wird, ein zufriedenstellendes Volumenexpansionsverhältnis sogar bei einer so kurzen Imprägnierzeit wie 30 Sekunden erreicht werden kann.
Vergleichsbeispiel 1
Ein befeuchtetes Tabakmaterial, wie es in Beispiel 2 verwendet wurde, wird mit Kohlendioxid auf Basis der in der japanischen Patent-Offenlegung (Kokoku) NR. 56-50830 verwendeten Technik imprägniert. Insbesondere wurde das befeuchtete Schnittabakmaterial im Druckgefäß, wie es im Beispiel 2 verwendet wurde, aufgenommen. Nach Durchspülen des Druckgefäßes mit Kohlendioxidgas wurde flüssiges Kohlendioxid in das Druckgefäß zugespeist, bis das flüssige Kohlendioxid durch das Druckrückhalteventil V9, das oben am Druckgefäß angeordnet war, herausspritzte. Die zum Befüllen des Druckgefäßes mit flüssigem Kohlendioxid erforderliche Zeit, die vom Volumen des Druckgefäßes, der Pumpkapazität und den Größen der Rohrleitungen und der Zufuhr-Ventile abhängt, stellte sich als eine Minute und 30 Sekunden in diesem Vergleichsbeispiel heraus.
Darauf wurde das flüssige Kohlendioxid aus dem Druckgefäß in den Wiedergewinnungstank abgezogen. Dieses Abziehen nahm eine Minute in Anspruch.
Nach Abschluß des kontinuierlichen Herausspritzens von flüssigem Kohlendioxid aus dem Druckgefäß wurde das Ventil V6 geschlossen. Danach wurde, nach Durchlaufen der Flüssigkeitsabtropfzeit, dargestellt in Tabelle 7, zum Abtropfen der Flüssigkeit der Druck auf atmosphärischen Druck entlüftet. Die für den Druckabfall erforderliche Zeit betrugt ungefähr 10 Sekunden wie in Beispiel 1.
Es folgt, dass die für die Imprägnierbehandlung erforderliche Zeit, außer der Durchspülzeit, 2 Minuten und 40 Sekunden zusätzlich zur Flüssigkeitsabtropfzeit nach der Entfernung der Flüssigkeit betrug.
Das imprägnierte geschnittene Tabakmaterial das herausgenommen wurde, erwies sich als verfestigt/verdichtet. Nachdem es mit den Händen stark aufgelockert wurde, wurde das Tabakmaterial in einem Gasstromtrockner unter den Bedingungen wie in Beispiel 1 Hitze expandiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 dargestellt.
Tabelle 7
Bei der Kohlendioxidimprägnierung mittels Eintauchen in flüssigem Kohlendioxid wird angenommen, dass es effektiv ist, eine vorherbestimmte Flüssigkeitsabtropfzeit für die Flüssigkeitsabtrennung nach der Entfernung des flüssigen Kohlendioxids bereitzustellen, um die Kohlendioxidrückhalterate zu senken und somit die Verfestigung/Verdichtung des Schnittabakmaterials zu verringern. Jedoch dann, wenn die Flüssigkeitsabtropfzeit für sogar 5 Minuten nach Entfernung des flüssigen Kohlendioxids zugewiesen wird, war die Kohlendioxidrückhalterate ungefähr dieselbe wie die Rückhalterate in dem Fall, in dem die Imprägnierzeit in Beispiel 2 bei 30 Sekunden eingestellt wurde. Ebenfalls war das Volumenexpansionsverhältnis leicht schlechter gegenüber demjenigen für Beispiel 2, bei dem die Imprägnierzeit auf 30 Sekunden eingestellt wurde. Es erscheint vernünftig, dass, wenn das gesamte Tabakmaterial in flüssiges Kohlendioxid eingetaucht wird, überschüssiges flüssiges Kohlendioxid bzgl. des Tabakmaterials vorliegt. Es folgt das, selbst wenn ein kontinuierlicher Strom an flüssigem Kohlendioxid gestoppt wird, das flüssige Kohlendioxid im Spielraum des Tabakmaterials bleibt, und bringt so die spezielle oben erwähnt Situation mit sich. Es sollte ebenfalls erwähnt werden, dass, weil eine große Menge an festem Kohlendioxid an der Oberfläche des Tabakmaterials angelagert ist, Wärme zur Sublimation des festen Kohlendioxids verbraucht wird mit der Folge, dass die Expansionswirkung als gesenkt anzunehmen sein wird, sogar wenn das Schnittabakmaterial augenblicklich im Gasstromtrockner erhitzt wird.
Beispiel 3
Das befeuchtete Schnittabakmaterial mit dem initialen Wassergehalt, mit dem das Tabakmaterial das höchste Volumenexpansionsverhältnis unter jeweils den drei Niveaus des Imprägnierdrucks in Beispiel 1 zeigte, wurde mit Kohlendioxid durch einen Vorgang imprägniert, der demjenigen in Beispiel 1 verwendeten Vorgang ähnlich war. Darauf wurde das aus dem Druckgefäß entnommene imprägnierte Tabakmaterial durch Verwendung eines Gasstromtrockners hitzeexpandiert, der von demjenigen in Beispiel 1 verwendeten verschieden war. Der Gasstromtrockner, der in diesem Beispiel verwendet wurde, wies ein Expandierrohr von 20 m Länge auf. Die Einlaßtemperatur des Expandierrohrs wurde bei 180°C oder 260°C kontrolliert. Andererseits wurde die Strömungsgeschwindigkeit bzw. Rate des Gasstromes innerhalb des Expandierrohres gleich wie in Beispiel 1 eingestellt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 8 dargestellt. Die unter den Hitzeexpandierungsbedingungen in Beispiel 1 gewonnenen Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 8 reproduziert.
Tabelle 8
Wie aus Tabelle 8 offensichtlich ist, kann ein Volumenexpansionsverhältnis, das demjenigen, das durch die Expansionsbehandlung bei 350°C für eine Sekunde erzielten im wesentlichen gleich ist, durch die Expansionsbehandlung bei 260°C für 2 Sekunden erzielt werden. Ebenfalls erwies sich das Volumenexpansionsverhältnis, das durch die Expansionsbehandlung bei 200°C für 2 Sekunden erzielt wurde, als ausreichend hoch, obwohl der Wert gegenüber solchen ein wenig schlechter war, die unter den anderen Expandierungsbedingungen gewonnen wurden.
Beispiel 4
In diesem Beispiel wurde ein gemischtes Schnittabakmaterial (B-3: initialer Wassergehalt 25%) in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 2 expandiert, unter Verwendung eines Druckgefäßes mit einem Innenvolumen von 10 l (Durchmesser 200 mm und Tiefe 320 mm).
Insbesondere wurden ungefähr 1.250 g (1.000 g bezogen auf das Trockengewicht) des gemischten Schnittabakmaterials in das Druckgefäß eingefüllt, gefolgt von einem unter Druck Setzen des Gefäßes mit Kohlendioxidgas auf 30 kg/cm² und anschließendes Sprühen von 790 g flüssigen Kohlendioxids auf das Tabakmaterial. Die Menge des flüssigen Kohlendioxids die zugeführt wurde entspricht 79% des gemischten Schnittabakmaterials auf Trockengewichtsbasis.
Das unter Druck Setzen mit dem Kohlendioxidgas auf den oben erwähnten Imprägnierdruck und das Sprühen des flüssigen Kohlendioxids wurden in einer Minute durchgeführt. Eine Minute nach Abschluß der Zufuhr von flüssigem Kohlendioxid zeigten die in der gemischten Schnittabakmaterialschicht angeordneten Thermoelemente TC1 bis TC3 alle die Sättigungstemperatur an (–4,5°C).
Nach Durchlaufen der Haltezeit von 0 Minuten (kein), 3 Minuten oder 8 Minuten wurde der Druck innerhalb des Druckgefäßes in ungefähr 30 Minuten auf atmosphärischen Druck entlüftet.
Darauf wurde das gemischte Schnittabakmaterial, das herausgenommen wurde, durch eine Tabakauflockerungsvorrichtung passiert, die zwei Walzen enthielt, die jeweils eine Vielzahl von Stiften aufwiesen, die sich jeweils 30 mm hieraus erstreckten, gefolgt von der Hitzeexpandierung des Materials in einem Gasstromtrockner unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 1. Tabelle 9 zeigt die Ergebnisse.
Vergleichsbeispiel 2
Ein gemischtes Schnittabakmaterial wurde in flüssiges Kohlendioxid eingetaucht und die anschließenden Behandlungen wurden wie im Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt, unter Verwendung des Druckgefäßes, das in Beispiel 4 verwendet wurde.
In diesem Vergleichsbeispiel 2 waren 8 Minuten zum Eintauchen des gemischten Tabakmaterials in das flüssige Kohlendioxid erforderlich und 2 Minuten waren zum Entfernen des flüssigen Kohlendioxids erforderlich.
Darauf wurde sofort 3 Minuten oder 8 Minuten nach der Abtrennung des flüssigen Kohlendioxids der Druck innerhalb des Druckgefäßes abgebaut, um atmosphärischen Druck in ungefähr 30 Minuten zu erreichen.
Das gemischte Tabakmaterial, das herausgenommen wurde, wurde durch die Auflockerungsvorrichtung hindurchgeleitet, die in Beispiel 4 verwendet wurde, gefolgt von einer Hitzeexpandierung des Materials unter denselben Bedingungen wie in Beispiel 4 unter Verwendung eines ähnlichen Gasstromtrockners.
Tabelle 9 zeigt ebenfalls die Ergebnisse. Der Begriff „Verstreichen von Zeit", der in Tabelle 9 angegeben ist, bezeichnet die Haltezeit für Beispiel 4 und die Flüssigkeitsabtropfzeit für Vergleichsbeispiel 2.
Tabelle 9
Zusätzliches Kohlendioxid wird im Verfahren der vorliegenden Erfindung kaum verwendet, bei dem flüssiges Kohlendioxid auf Tabakmaterial aufgesprüht wird. Deswegen ermöglicht das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Abkürzung der Imprägnierzeit im Vergleich mit dem konventionellen Verfahren, bei dem das Tabakmaterial in flüssigem Kohlendioxid eingetaucht wird, unabhängig von der Größenordnung der Vorrichtung, wie aus Tabelle 9 ersichtlich ist. Wenn die Imprägnierzeit abgekürzt wird, kann die Menge des Tabakmaterials, das pro Zeiteinheit verarbeitet wird erhöht werden, oder die Verarbeitungsvorrichtung kann miniaturisiert werden.
Weiterhin wird im Fall der Verwendung eines Druckgefäßes mit einem großen Innenvolumen der Unterschied der Kohlendioxidrückhalterate zwischen dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei welchem flüssiges Kohlendioxid auf Tabakmaterial aufgesprüht wird und dem herkömmlichen Verfahren, bei dem Tabakmaterial in flüssiges Kohlendioxid eingetaucht wird (siehe Tabelle 9) vergrößert. Beim herkömmlichen Eintauchverfahren bleibt eine große Menge an zusätzlichem Kohlendioxid im Tabakmaterial. Speziell betrugt die Kohlendioxidrückhalterate sogar ungefähr 28%, selbst wenn eine 8-minütige Abtropfzeit hergenommen wurde. Der untere halbe Anteil des Schnittabakmaterials, das aus dem Druckgefäß entnommen wurde, war fest verfestigt/verdichtet. Weil der verdichtete Anteil sogar dann nicht kollabiert war, wenn er mit der Hand angefaßt wurde, war es notwendig, das verfestigte Tabakmaterial durch Verwendung einer Auflockerungsvorrichtung aufzulockern. Das Vorhandensein von zusätzlichem Kohlendioxid, das verursacht, dass das Schnittabakmaterial fester verfestigt/verdichtet ist, ist nicht erwünscht, weil es schwer ist, zusätzliches Kohlendioxid wiederzugewinnen, und weil das zusätzliche Kohlendioxid möglicherweise nachteilige Wirkungen auf die Umwelt und die Produktionskosten des Tabakartikels aufweist.
Andererseits wird im Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem flüssiges Kohlendioxid auf Tabakmaterial aufgesprüht wird, eine vorherbestimmte minimal erforderliche Menge Kohlendioxid effektiv verwendet, mit dem Ergebnis, dass das verarbeitete Tabakmaterial kaum zusätzlichen Kohlendioxid enthält. Natürlich ist das Schnittabakmaterial, das aus dem Druckgefäß entnommen wurde, nicht stark verfestigt/verdichtet, es befindet sich jedoch in einem aufgelockerten Zustand. Es ist eine Tatsache, dass das dem Druckgefäß entnommene Schnittabakmaterial im wesentlichen problemlos durch die Auflockerungsvorrichtung hindurch geführt wurde.
Das expandierte Tabakmaterial, für jeweils Beispiel 4 und Vergleichsbeispiel 2, wurde nach 8 Minuten Haltezeit gesiebt. Die Siebmaschine die verwendet wurde, war ein Prüfsieb JEL 200 Typ, hergestellt von JEL (J. Engelsmann AG) in Deutschland. Siebe mit offenen Maschen bzw. lichte Weite-Größen von 4,0 mm, 3,15 mm, 2,00 mm, 1,00 mm und 0,50 mm, definiert durch die International Standardization Organization (ISO) und die Japanese Industrial Standards (JIS) wurden jeweils in der Siebmaschine aufeinandergestapelt.
Beim Sieben des Tabakmaterials war das expandierte Schnittabakmaterial ausreichend vermischt und wurde darauf einer Reduktion unterworfen, um 25 g einer Probe zu entnehmen. Die Probe wurde auf den gestapelten Sieben für 2 Minuten abgelagert, gefolgt von einem präzisen Wiegen des Tabakmaterials, das auf jedem der Siebe zurückblieb und des Tabakmaterials, das durch das unterste Sieb mit einer lichten Weite von 0,50 mm hindurchging. Der Prozentsatz des gewogenen Tabakmaterials bzgl. des initialen Gewichts des Schnittabakmaterials (25 g). Das Wiegen wurde 8 mal für jede Probe durchgeführt und der durchschnittliche Wert wurde erzielt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 10 dargestellt.
Wenn das Schnittabakmaterial stark verfestigt/verdichtet ist, wird das Tabakmaterial zerbrochen bzw. zerrissen, wenn das verfestigte Tabakmaterial aufgelockert wird. Feintabakmaterial (feines Pulver), das durch ein Sieb mit einer lichten Weite von 1 mm hindurch paßt, ist für die Herstellung von Zigaretten ungeeignet, wodurch die Ausbeute der Zigaretten gesenkt wird.
Wie aus Tabelle 10 ersichtlich ist, wird beim herkömmlichen Verfahren, bei dem das Tabakmaterial in flüssiges Kohlendioxid eingetaucht wird, das imprägnierte Tabakmaterial in ernsthafter Weise verfestigt und, als Folge hiervon, wird Tabakmaterial beim Auflockern des verfestigten Tabakmaterials deutlich zerrissen. Es folgt, dass die Länge der Schnittstücke des Tabakmaterials insgesamt kleiner gemacht wird, verglichen mit denjenigen, die durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung erzielt wird, bei dem flüssiges Kohlendioxid auf das Tabakmaterial aufgesprüht wird. Insbesondere überschritt derjenige Anteil der Schnittstücke des Tabakmaterials, der durch ein Sieb mit einer lichten Weite von 1 mm paßte, 20%.
Andererseits wird beim Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei dem flüssiges Kohlendioxid auf das Tabakmaterial aufgesprüht wird, beinahe das gesamte Tabakmaterial nach der Imprägnierbehandlung durch eine Auflockerungsvorrichtung problemlos hindurchgeleitet. Natürlich wurde das Zerbrechen bzw. Zerkleinern des imprägnierten Tabakmaterials unterdrückt, mit dem Ergebnis, dass die Menge an feinen Stücken des Schnittabakmaterials, die durch das Sieb mit einer lichten Weite von 1 mm paßten, lediglich 11% betrug, was die Hälfte des Wertes für das konventionelle Eintauchverfahren darstellte.
Nach dem Sieben wurde der Rest jedes expandierten Tabakmaterials zu Zigaretten gemacht. Die sich ergebenden Zigaretten wurden für Vergleichstests für die Geschmacksqualität ohne Klarstellung des Herstellungsverfahrens verwendet. Die Geschmacksqualität für das Sprühverfahren der vorliegenden Erfindung erwies sich als +2 auf Grundlage einer Geschmacksqualität von 0 für das herkömmliche Eintauchverfahren, was darauf hinweist, dass die durch Verwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung hergestellte Zigarette bzgl. der Geschmacksqualität der unter Verwendung des herkömmlichen Verfahrens hergestellten Zigarette überlegen war. Es sollte insbesondere erwähnt werden, dass beim herkömmlichen Eintauchverfahren die flüchtigen Bestandteile des Tabakmaterials im flüssigen Kohlendioxid gelöst werden. Als Folge wird das Aroma aus dem Tabakmaterial freigesetzt, was zu einer schlechten Geschmacksqualität führt.
Wie oben beschrieben macht es das Verfahren der vorliegenden Erfindung möglich, ein Tabakmaterial mit Kohlendioxid in einer kürzeren Zeit durch Verwendung einer minimal erforderlichen Menge an Kohlendioxid zu imprägnieren. Zusätzlich kann expandiertes Tabakmaterial mit einer hohen Qualität in der vorliegenden Erfindung durch Verwendung einer Vorrichtung mit einer einfachen Konstruktion hergestellt werden.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines expandierten Tabakmaterials, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Einbringen eines Tabakmaterials in ein Druckgefäß; (b) Unter Druck setzen des Innenraums des Druckgefäßes mit einem Kohlendioxidgas auf einen Imprägnierdruck von zumindest ungefähr 4,3 kg/cm² Überdruck; (c) Zuführen von flüssigem Kohlendioxid von oberhalb des Tabakmaterials, während der Imprägnierdruck aufrechterhalten bleibt, um das innere des Druckgefäßes mit einem Kohlendioxidgas durch Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids zu sättigen; (d) Senken des Druckes innerhalb des Druckgefäßes auf im wesentlichen atmosphärischen Druck, nachdem der Zustand innerhalb des Gefäßes für eine vorherbestimmte Zeitspanne aufrechterhalten wurde. (e) Entnehmen des Tabakmaterials aus dem Druckgefäß; (f) Zuführen des aus dem Druckgefäß entnommenen Tabakmaterials in einen Gasstromtrockner, um das Tabakmaterial zu expandieren, indem das Tabakmaterial mit einem Hochtemperaturgasstrom im Gasstromtrockner in Berührung gebracht wird; und (g) Abtrennen des expandierten Tabakmaterials aus dem Hochtemperaturgasstrom.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tabakmaterial in Schritt (a) einen Wassergehalt von 12–33% auf Trockengewichtsbasis aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tabakmaterial in Schritt (a) bei einer Temperatur von 20°C–30°C vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Imprägnierdruck in Schritt (b) 10–74 kg/cm² Überdruck beträgt.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Imprägnierdruck in Schritt (b) 30–60 kg/cm² Überdruck beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tabakmaterial, dessen Wassergehalt unter Zunahme des Imprägnierdruckes in Schritt (b) gesenkt wird, in Schritt (a) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zufuhrmenge des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) 0,04 bis ungefähr 2,4 mal mehr als das Gewicht des Tabakmaterials auf Trockengewichtsbasis beträgt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Zufuhrmenge des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) 0,06 bis ungefähr 1,4 mal soviel wie das Gewicht des Tabakmaterials auf Trockengewichtsbasis beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) unmittelbar gestoppt wird, nachdem die Temperatur des Tabakmaterials die Sättigungstemperatur des Kohlendioxidgases bei dem Imprägnierdruck erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) zu dem Zeitpunkt gestoppt wird, wenn das flüssige Kohlendioxid langsam aus dem Bodenanteil des Druckgefäßes herausfließt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die vorherbestimmte Zeitspanne in Schritt (d) zumindest 10 Sekunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Hochtemperaturgasstrom in Schritt (f) Dampf enthält und eine Temperatur von 260°C bis 350°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Tabakmaterial in Schritt (f) für 1–2 Sekunden in Berührung mit dem Hochtemperaturgasstrom gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Tabakmaterial in Schritt (f) expandiert wird, bis der Wassergehalt des Tabakmaterials auf 8% oder weniger des Tabakmaterials auf Trockengewichtsbasis gesenkt wird.
Verfahren zur Herstellung eines expandierten Tabakmaterials, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Zuführen eines Tabakmaterials bei einer ersten Temperatur in ein Druckgefäß; (b) Unter Druck setzen des Inneren des Druckgefäßes auf einen Imprägnierdruck, der niedriger als der Sättigungsdruck des Kohlendioxidgases bei dieser ersten Temperatur ist; (c) Zuführen von flüssigem Kohlendioxid von oberhalb des Tabakmaterials, das sich im Druckgefäß befindet, in einer minimalen Menge, die zum Abkühlen des Tabakmaterials auf eine zweite Temperatur erforderlich ist, die der Sättigungstemperatur der Kohlendioxidgases bei dem Imprägnierdruck entspricht, so dass das flüssige Kohlendioxid mit dem Tabakmaterial in Berührung gebracht wird, wodurch das Tabakmaterial auf die zweite Temperatur durch die latente Verdampfungswärme des flüssigen Kohlendioxids abgekühlt wird und Imprägnieren des Tabakmaterials mit Kohlendioxid; (d) Entnehmen des mit Kohlendioxid imprägnierten Tabakmaterials aus dem Druckgefäß; und (e) Expandieren des aus dem Druckgefäß entnommenen Tabakmaterials unter Hitze.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Temperatur in Schritt (a) 20°C–30°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Tabakmaterial in Schritt (a) einen Wassergehalt von 12–25% auf Trockengewichtsbasis aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Imprägnierdruck in Schritt (b) nicht weniger als der Druck des Tripelpunktes beträgt, jedoch niedriger als der Druck am kritischen Punkt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der Imprägnierdruck in Schritt (b) in einen Bereich von zwischen 10 und 74 kg/cm² Überdruck fällt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Tabakmaterial, dessen Wassergehalt unter Zunahme des Imprägnierdruckes in Schritt (b) gesenkt wurde, in Schritt (a) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Zufuhrmenge des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) 1 bis ungefähr 7 mal mehr als die theoretische Menge beträgt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Zufuhrmenge des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) 1,5 bis ungefähr 4 mal mehr als die theoretische Menge beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) unmittelbar gestoppt wird, nachdem die Temperatur des Tabakmaterials die zweite Temperatur erreicht hat.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Zufuhr des flüssigen Kohlendioxids in Schritt (c) zu dem Zeitpunkt gestoppt wird, wenn das flüssige Kohlendioxid nur langsam aus dem Bodenanteil des Druckgefäßes herausströmt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Tabakmaterial, das mit Kohlendioxid imprägniert ist, Dampf enthält und in Schritt (e) mit einem Gasstrom in Berührung gebracht wird, der eine Temperatur von 260°C bis 350°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Tabakmaterial, das mit Kohlendioxid imprägniert ist, in Schritt (e) für 1–2 Sekunden mit einem Gasstrom in Berührung gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Tabakmaterial in Schritt (e) expandiert wird, bis der Wassergehalt des Tabakmaterials auf zumindest 8% auf Trockengewichtsbasis gesenkt ist.