СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА РАСШИРЕННОГО ТАБАКА
METHOD FOR PRODUCTION OF EXPANDED TOBACCO

Изобретение относится к табачной промышленности и может быть использовано при подготовке резаного табака к производству курительных изделий.
Известны способы получения расширенного табака путем применения пропитки или насыщения хладоном, газовым азотом, диоксидом углерода, изопентаном и рядом других веществ. К основным недостаткам этих способов относят токсичность пропиточных веществ, остаточное содержание которых в расширенном табаке при сгорании продуцирует токсические вещества типа фосген и др., сложность процессов (использование высоких температур и давления для пропитки и охлаждения и др.), дорогостоящее сложное оборудование (диссертация на соискание ученой степени к.т.н. Пуздрова Н.В. «Теоретическое обоснование и разработка системы оценки и регулирования качества курительных изделий», КГТУ, 2004 г., стр.31).
Известен способ увеличения объема табака (а.с. СССР №533322, А24В 3/18, опубл. 08.04.1977 г.), включающий предварительное пропитывание табака водой или водным раствором солей до количества 20-60% жидкой среды от его веса, последующее воздействие ЭМП СВЧ (электромагнитными полями сверхвысоких частот) в среде водяного пара с относительной влажностью 40-100% и температурой 75-150°C для испарения жидкости. Недостатком известного способа является незначительное увеличение объема табака и недостаточно высокое качество расширенного табака, так как при термообработке на его поверхности образуется твердая корка, которая растрескивается при производстве курительных изделий.
Наиболее близким к предполагаемому по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является «Способ увеличения объема резаного табака и устройство для его осуществления» (патент РФ №2032363, А24В 3/18, БИ №10, 1995 г.), включающий обработку ЭМП СВЧ табака с влажностью не менее 17% и его термообработку путем контактирования с восходящим потоком нагретого воздуха для расширения табака и его высушивания. Обработку табака ЭМП СВЧ и термообработку проводят одновременно, при этом температура подаваемого потока воздуха составляет 50-250°C, а его скорость равна 0,1-15 м/с для обеспечения обработки табака во взвешенном состоянии
Недостатком известного способа является то, что нагревать табачное сырье повышенной влажности свыше 90-100°C нельзя, так как при этом происходят подпарка, потемнение табака и значительное ухудшение его технологических и курительных свойств. Продувание резаного табака горячим воздухом при температуре 50-250°C одновременно с обработкой ЭМП СВЧ удлиняет время охлаждения, снижает эффективность расширения объемной массы резаного табака и увеличивает энергозатраты на этот процесс. Кроме того, табачные волокна становятся более хрупкими и ломкими, а это приводит к дополнительным потерям сырья при переработке в курительные изделия.
Задачей изобретения является интенсификация процесса производства расширенного табака, получение расширенного табака с низким содержанием вредных веществ и экономия табачного сырья при производстве курительных изделий.
Техническим результатом заявляемого способа является получение объемной равномерно смешанной массы табачных волокон с заданной влажностью, с высокой заполняющей способностью и низким содержанием вредных веществ (смолы, никотина, монооксида углерода) в дыме сигарет, что позволит улучшить вкус и аромат табачного дыма курительных изделий.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе производства расширенного табака, включающем увлажнение резаного табака, нагревание воздействием электромагнитных полей сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ) и обработку восходящим потоком воздуха, увлажняют резаный табак до влажности не менее 15,5%, обрабатывают пластификатором, растворенным в воде, в количестве не менее 2,0 мас.%, осуществляют выдержку в течение не менее 30 минут, затем резаный табак помещают на транспортерную ленту и нагревают воздействием электромагнитных полей сверхвысоких частот (ЭМП СВЧ) во время движения через СВЧ установку, производят сбор и удаление конденсата, образующегося во время обработки микроволновой энергией, после чего охлаждают и фиксируют объем расширенного табака восходящим потоком воздуха с температурой 23-30°C и скоростью не более 18 м/с в течение 5-60 с, дополнительно удаляют остатки конденсата, затем осуществляют отлежку расширенного табака.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод, что предлагаемый способ отличается от известного дополнительными операциями с указанием порядка их выполнения: обработка водным раствором пластификатора, выдержка для пропитывания и перераспределения жидкости в резаном табаке, сбор и удаление конденсата, образующегося во время обработки ЭМП СВЧ, охлаждение и фиксация объема расширенного табака восходящим потоком воздуха при более низких температурах, дополнительное удаление остатка конденсата и последующая отлежка расширенного табака. Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "новизна".
Исследуя уровень техники в процессе проведения патентно-информационного поиска, мы не выявили обработку пластификатором, растворенным в воде, в количестве не менее 2,0 мас.% и выдержку перед обработкой ЭМП СВЧ при перемещении на транспортерной ленте, сбор и удаление конденсата, образующегося во время обработки микроволновой энергией, а также фиксацию объема расширенного табака восходящим потоком воздуха с температурой 23-30°C. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявляемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности "промышленная применимость", т.к. оно может быть использовано в табачной промышленности.
Наилучшие диэлектрические свойства при обработке ЭМП СВЧ проявляются при влажности резаного табака 20-35%. Однако для приобретения такой величины влажности требуется высокий расход воды, а при последующей обработке ЭМП СВЧ увеличивается потребление электроэнергии для высушивания резаного табака до технологической влажности, необходимой при последующей переработке в курительные изделия. Поэтому в предлагаемом способе резаный табак увлажняют до влажности не менее 15,5%.
Применение обработки резаного табака водным раствором пластификатора позволяет снизить технологически необходимую для обработки ЭМП СВЧ величины влажности до 15,5%, а следовательно, уменьшить затраты воды, электроэнергии и потери табачного сырья при последующей переработке его в курительные изделия.
Использование пластификатора, растворенного в воде, в количестве не менее 2,0 мас.% позволяет придать и сохранить сырью эластичность для минимизации потерь в виде табачной пыли при транспортировке и переработке в курительные изделия.
Процесс выдержки увлажненного резаного табака, обработанного водным раствором пластификатора, в течение не менее 30 минут позволяет в достаточной степени пропитаться влагой и пластификатором для возврата объема ткани табачных волокон к первоначальным размерам клеток зеленого листа, а при последующей обработке ЭМП СВЧ получить большую величину расширения объемной массы.
Согласно теории СВЧ сушки при воздействии пучностей микроволновой энергии на материалы растительного происхождения, находящиеся в состоянии статики, возникает пересушивание или даже возгорание нагреваемого материала. Поэтому перемещение слоя резаного табака на движущейся транспортерной ленте позволяет за короткий промежуток времени не только произвести значительный съем влаги, выделяемой за счет создания температурного градиента из клеточного и межклеточного пространства табачной ткани листа к ее поверхности, но и сохранить качество расширенного табака.
Сочетание процессов перемещения и обработки ЭМП СВЧ резаного табака приводит к равномерному нагреву и распределению влаги по массе табака, а также активному испарению влаги из клеточного и межклеточного пространства.
Сбор и удаление накопившегося конденсата позволяет исключить попадание испаряющейся влаги на расширенный табак, увеличивает эффект расширения и снижает продолжительность процесса высушивания и энергозатраты.
Применение охлаждения и одновременно фиксации объема расширенного табака восходящим потоком воздуха с температурой 23-30°C позволит ускорить процесс его высушивания, снизить энергозатраты и получить табак с высокой заполняющей способностью.
Охлаждение и фиксацию объема расширенного табака восходящим воздушным потоком осуществляют в установке, которая обеспечивает скорость не более 18 м/с.
Дополнительное удаление остатков конденсата позволит сохранить полученную величину расширения резаного табака.
Отлежка расширенного табака позволит стабилизировать его качественные показатели.
Способ осуществляют следующим образом.
Резаный табак от резального станка через шлюзовой дозатор равномерно подают в модуль предварительной подготовки табака, где его дополнительно увлажняют до влажности не менее 15,5%, технологически необходимой при СВЧ обработке, обрабатывают пластификатором (пропиленгликоль, глицерин и др.) и перемещают в бункер на выдержку в течение не менее 30 минут для равномерного пропитывания и перераспределения жидкости. После выдержки резаный табак подают через узел дозирования в модуль СВЧ-установки волноводного типа, в котором слой резаного табака перемещают транспортерной лентой, движущейся со скоростью 1,0-5,0 м/мин, а рупорные излучатели установки прогревают электромагнитными полями СВЧ. Образовавшийся при этом конденсат собирают и удаляют из СВЧ-установки. Для фиксации полученного эффекта расширения нагретый резаный табак охлаждают в пневморазрыхляющем устройстве восходящим воздушным потоком с температурой 23-30°C и скоростью не более 18 м/с в течение 5-60 с, дополнительно удаляют остатки конденсата с поверхности частиц табака. Для стабилизации качественных показателей охлажденный расширенный табак помещают на отлежку.
Пример.
Резаный табак каждой группы влажности (15,0; 17,7 и 19,0%) делили на две партии. Первые партии - контрольные, без обработки пластификатором и последующей выдержки. Вторые партии - опытные, предварительно обрабатывали пропиленгликолем (1,5; 2,0 и 2,5% к массе табака) и помещали в бункер на отлежку в течение 20,0; 30,0 и 50,0 минут для пропитывания и набухания жидкостью.
Затем опытные и контрольные партии резаного табака (массой 1,0±0,1 кг) подвергали СВЧ воздействию в камере нагрева волноводного типа мощностью 1,8 кВт, помещая материал на движущуюся транспортерную ленту, скорость которой составляла 2,0 м/мин. Резаный табак нагревали в течение 15, 20 и 24 с до заданной температуры, но не свыше 100°C.
Известно, что при нагревании резаного табака повышенной влажности (более 17,0%) свыше 100°C имеет место подпарка и потемнение табака, что значительно ухудшает его технологические и курительные свойства. Нагревание табака при температуре ниже 60°C экономически нецелесообразно, так как значительно увеличивается продолжительность сушки, повышаются энергозатраты, а эффект расширения табака при этом снижается.
Образовавшийся при СВЧ нагреве конденсат в опытных партиях собирали и удаляли из установки. По окончании процесса СВЧ обработки массу расширенного табака охлаждали восходящим воздушным потоком, температура которого составляла 18,0-45,5°C в течение 5-63 с.
После охлаждения и фиксации величины расширения определяли съем и равномерность распределения влаги, заполняющую способность резаного табака, снижение условного расхода табачного сырья при изготовлении сигарет и курительные свойства изделий. Результаты опытов представлены в таблицах 1-5.
Данные табл. 1-3 показывают преимущества применения приемов обработки резаного табака пластификатором с последующей выдержкой. В период выдерживания обработанного табака (разных групп влажности) влага за счет диффузии равномерно перераспределяется по всей его массе.
Разница между мах и min величиной влажности в контрольном резаном табаке (без отлежки) составила 1,0-1,4%, в то время как в опытном - 0,1-0,3%. Используемые приемы обеспечивают при СВЧ нагреве отсутствие зон перегрева, равномерный съем влаги по всему объему резаной массы и получение расширенного табака с улучшенными технологическими показателями. Заполняющая способность опытного резаного табака выше контрольного на величину порядка 16,8-30,9% и тем выше, чем более продолжительное время его выдержки и пропитывания.
Таблица 1
Const
№№ пробы
Выдержка резаного табака, мин
Конечная влажность расширенного табака, %
Разница между мах и min величиной влажности, %
Увеличение заполняющей способности расширенного табака, %
1. Начальная влажность табака 15%.
Контроль 1
-
14,6
1,1
15,3
2. Количество наносимого пластификатора 2,5%.
13,5
19,2
Опыт 1
20,0
14,4
0,3
32,2
3. Мощность СВЧ источника 1,8 кВт.
14,1
33,4
Опыт 2
30,0
14,4
0,2
34,3
4. Продолжительность СВЧ обработки 15 с.
14,2
34,9
Опыт 3
50,0
14,3
0,1
35,4
14,2
35,6
Таблица 2
Const
№№ пробы
Выдержка резаного табака, мин
Конечная влажность расширенного табака, %
Разница между мах и min величиной влажности, %
Увеличение заполняющей способности расширенного табака, %
1. Начальная влажность табака 17,7%.
Контроль 2
-
16,0
1,2
19,1
14,8
22,0
2. Количество наносимого пластификатора 2,0%.
Опыт 4
20,0
15,6
0,3
41,2
15,3
43,5
3. Мощность СВЧ источника 1,8 кВт.
Опыт 5
30,0
15,6
0,2
45,8
15,4
46,6
4. Продолжительность СВЧ обработки 20 с
Опыт 6
50,0
15,6
0,1
53,4
15,5
54,0
Таблица 3
Const
№№ пробы
Выдержка резаного табака, мин
Конечная влажность расширенного табака, %
Разница между мах и min величиной влажности, %
Увеличение заполняющей способности расширенного табака, %
1. Начальная влажность табака 19,0%.
Контроль 3
-
16,8
1,4
19,0
15,4
23,1
2. Количество наносимого пластификатора 1,5%.
Опыт 7
20,0
16,2
0,2
46,5
16,0
47,0
3. Мощность СВЧ источника 1,8 кВт.
Опыт 8
30,0
16,2
0,1
47,6
16,1
48,0
4. Продолжительность СВЧ обработки 24 с
Опыт 9
50,0
16,1
0,1
47,8
16,0
48,0
Таблица 4
Исходная влажность резаного табака, %
Продолжительность СВЧ нагрева, с
Наличие приема сбора и удаления конденсата в СВЧ камере
Влажность резаного табака после СВЧ нагрева, %
Цвет расширенного табака
Увеличение заполняющей способности расширенного табака, % (±)
Дегустационная оценка, балл
Аромат
Вкус
15,0
15
Отсутствует
17,0
Коричневый (подпарка)
-5,9
10
20
14,3
Желто-коричневый
+15,8
16
30
Присутствует
14,2
Желто-коричневый
+28,3
18
36
14,5
Желто-коричневый
+30,5
18
37
17,7
20
Отсутствует
19,0
Темно-коричневый (подпарка)
-8,2
9
20
14,8
Светло-коричневый
+16,8
17
34
Присутствует
15,6
Желто-коричневый
+41,2
20
35
15,5
Желто-коричневый
+41,4
21
36
Таблица 5
Const
Температура воздуха, подаваемого для охлаждения расширенного табака, °C
Продолжительность охлаждения расширенного табака, с
Температура расширенного табака после охлаждения, °C
Влажность расширенного табака после охлаждения, %
Увеличение заполняющей способности расширенного табака, %
Снижение условного расхода табачного сырья, %
1. Влажность расширенного табака 16,1%
18,0
5
23,1
15,3
21,7
1,8
12
26,2
14,9
30,8
2,9
23,0
20
30,3
13,8
47,1
5,7
2. Температура расширенного табака 63,2 °C
28
33,1
13,3
48,2
5,8
30,3
35
38,4
13,1
48,0
5,8
41
40,2
12,9
49,1
5,9
35,2
44
43,0
12,7
34,7
4,0
48
46,8
12,4
30,1
3,4
45,5
56
48,7
12,1
13,0
0,8
63
50,3
11,8
8,2
0,6
В табл.4 представлена эффективность применения приемов сбора и удаления конденсата из камеры нагрева при СВЧ обработке резаного табака. Сравнительный анализ данных табл.4 позволяет сделать вывод, что наличие вышеуказанных приемов обеспечивает сохранение технологических свойств резаного табака, увеличение расширения на 28,2-41,4% и улучшение курительных достоинств (аромата, вкуса) на 6-9 баллов.
А отсутствие приемов сбора и удаления конденсата приводит к скапливанию его в виде влаги в больших количествах и возврату на наружную поверхность табачных волокон. В результате неравномерного распределения влаги при нагреве происходят подпарка и потемнение табачного материала. Отдельные зоны обрабатываемой табачной массы приобретают влажность выше исходной (до сушки) на 1,3-2,0%. Отсюда снижение заполняющей способности резаного табака, значительное ухудшение его курительных свойств, что делает сигареты непригодными для потребления и образование дополнительных потерь сырья при дальнейшей переработке в курительные изделия.
В табл.5 представлена зависимость заполняющей способности расширенного табака от температуры и продолжительности охлаждения восходящим потоком воздуха. Данные, приведенные в табл.5, показывают, что продувание восходящим потоком воздуха при температуре 23-30°C (в течение 20-41 с) обеспечивает фиксирование максимального объема расширенных табачных волокон. Охлаждение при таких параметрах позволяет увеличить заполняющую способность на 47,0-49,1% и снизить расход сырья при изготовлении сигарет на величину порядка 5,7-5,9%. Кроме того, при охлаждении воздушным потоком имеет место дополнительный эффект - удаление остатков влаги с поверхности расширенных волокон, а это позволяет сохранить максимальную величину их расширения.
При этом обработка нагретого расширенного табака воздушным потоком при более высокой температуре (35,2-45,5°C) экономически нецелесообразно, т.к. эластичные свойства табака ухудшаются, табачные волокна коробятся, становятся хрупкими и при последующей переработке измельчаются. Это приводит к дополнительным потерям сырья, повышенным энергозатратам и неэффективности применения процесса расширения резаного табака.
Предлагаемый способ производства расширенного табака с применением ЭМП СВЧ является эффективным, так как сокращает длительность его до десятков секунд, значительно снижает энергозатраты на процесс, улучшает качественные характеристики табака, увеличивает заполняющую способность до 25-48%, снимает значительное количество влаги до 8-10%, улучшает курительные свойства (аромат, вкус сигарет), снижает расход сырья на 3-4%, позволяет производить дополнительный выпуск сигарет, создавать новые марки сигарет пониженной токсичности и получить социальный эффект от снижения вредного воздействия табачного дыма на организм человека.
Апробация предлагаемого способа расширения табака в поле СВЧ проведена в лабораторных условиях ГНУ ВНИИТТИ в 2007 г. Разработаны исходные требования на проектно-конструкторскую документацию опытной установки производства расширенного табака с применением ЭМП СВЧ.