膨化煙草材料的制造方法

專利名稱：膨化煙草材料的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種膨化煙草材料的制造方法，尤其涉及一種以二氧化碳為膨化助劑的膨化煙草材料的制造方法。
為了節約卷煙等煙草制品中的煙草材料的使用量，同時，緩和該制品的口感等，要對煙草材料進行膨化。這種膨化是一種使干燥、收縮的煙草組織膨脹、恢復到近于生煙葉狀態的技術，在煙草制品制造方面屬于重要的技術。
煙草材料的膨化基本上如下進行，即將膨化助劑浸透于煙草組織內之后，通過加熱使膨化助劑體積膨脹，由此使收縮的煙草組織擴展開。
在這樣的煙草材料的膨化方法中，以二氧化碳作為膨化助劑使用的方法是眾所周知的。
例如，在特公昭56-50830號公報中公告了如下的膨化方法，如在約24.6～31.6kg/cm2的壓力下使煙草材料浸于液體二氧化碳中，使煙草材料中含浸二氧化碳，將含浸的液體二氧化碳轉變成固體二氧化碳后，在高溫下蒸發固體二氧化碳，從而使煙草材料膨脹。在該方法中，由于使煙草材料整體浸漬于液體二氧化碳中，所以，煙草材料中的香味成分被全部抽取到液體二氧化碳中，使膨脹煙草材料的香味降低。另外，煙草材料中大量附著的液體二氧化碳被轉化成固體二氧化碳，其結果使煙草材料膠結、起團。膠結的煙草材料在供給加熱膨脹工序前，需要用相當的力將其疏松，這時就產生不適宜制造卷煙煙草的細粉，使成品率降低。因此，在將煙草材料浸漬于液體二氧化碳后，盡管推薦要從煙草材料進行液體二氧化碳的斷流直至液體二氧化碳的連續液體流停止，但是，這樣不僅要附加斷液所需的時間，而且也不能得到滿意的結果。
在特公昭56-50952號中，公告了利用氣態將二氧化碳含浸于煙草材料后，通過使其急速加熱而膨脹(膨化)的方法。采用這種用二氧化碳氣體膨脹的方法能夠避開所述的使用液體二氧化碳的方法中的問題，但，由于煙草材料中保持的二氧化碳的量很少，所以在轉移到加熱膨脹工序前，二氧化碳容易揮發，不能實現煙草材料充分的膨脹。
在特開平4-228055號公報及特開平5-219928號公報中，公告了為了利用二氧化碳氣體的冷凝增大二氧化碳的含浸量，預先使煙草充分冷卻的膨脹方法。更具體的說，在特開平4-228055號公報公告的方法中，通過邊使供給水平混合罐內的煙草在混合罐內移送，邊與因將液體二氧化碳導入混合罐使其膨脹而生成的冷的氣體二氧化碳、二氧化碳煙霧等組成的霧狀冷混合體接觸、混合，而使煙草冷卻。將該冷卻的煙草導入和混合罐連接的垂直的壓力罐中，在該壓力罐內使冷卻的煙草和氣體二氧化碳接觸，進行所希望的含浸。利用該方法，不僅需要予冷用的特別的裝置，而且霧狀的冷混合物(主要為煙霧)和煙草的熱交換(熱傳遞)的狀態易形成局部狀態，煙草溫度易產生分布(不均勻)問題。另外，在特開平5-219928號公報公告的方法中，通過向煙草中通入二氧化碳氣體，而進行煙草的予先冷卻。在這種予先冷卻中，由于必須使二氧化碳氣體在壓力容器內循環，所以必須另設循環設備。另外，在該方法中，由于用于冷卻的二氧化碳氣體的顯熱(比熱)小，為了使煙草冷卻到足夠低的規定的溫度，需要使煙草和大量的二氧化碳氣體接觸。而且，在這些現有的方法中，因為煙草材料的冷卻效率低，不僅在冷卻時需要大量的二氧化碳，而且即使使煙草予冷，在隨后為了利用二氣化碳氣體進行的含浸，而在壓力容器內將二氧化碳氣體升壓到規定的含浸壓力時，也會因產生的壓縮熱，使煙草再被加熱。因此，必須過度預冷直到超過必要的低溫，所以很不經濟。
本發明的目的在于提供一種膨化煙草材料的制造方法，這種膨化煙草材料的制造方法能夠使用所需最少量的二氧化碳，在短時間內將二氧化碳充分含浸于煙草材料中，且能夠使用結構簡單的裝置制造品質優良的高膨化率的膨化煙草材料。
本發明是一種利用二氧化碳主要是氣體二氧化碳膨化煙草材料的方法，提供一種在二氧化碳含浸于煙草材料中時，利用由液體二氧化碳的蒸發潛熱進行煙草材料的冷卻的方法。
本發明人為了解決上述課題，對主要利用氣體二氧化碳的煙草的膨化方法進行了深入研究，結果發現，為了使二氧化碳充分含浸于煙草材料中，壓力容器中的二氧化碳的狀態最好是與所述煙草材料接觸的部分為薄膜狀液態或霧狀的飽和氣態，為此，將煙草材料冷卻到與含浸二氧化碳時的壓力(含浸壓力)相對應的飽和溫度是非常有效的，而且，在冷卻該煙草材料時，利用液體二氧化碳向氣體二氧化碳相變時的蒸發潛熱是極其有效的，并最終完成了本發明。
即，本發明為了冷卻為把二氧化碳充分含浸在煙草材料中而放置于壓力容器內的煙草材料，要利用液體二氧化碳的蒸發潛熱。在用氣體二氧化碳將放置煙草材料的煙草壓力容器加壓到所需含浸壓力后，一邊維持該含浸壓力，一邊向煙草材料中供給液體二氧化碳。供給的液體二氧化碳與煙草材料接觸，在壓力容器內蒸發，使壓力容器內氣體二氧化碳飽和。利用此時的液體二氧化碳的蒸發潛熱，使煙草材料冷卻到相當于與該含浸壓力對應的氣體二氧化碳的飽和溫度的溫度，用作為壓力容器氛圍氣的二氧化碳充分含浸。通過加熱膨化該含浸二氧化碳的煙草材料，可得到膨化煙草材料。
在本發明中，在壓力容器內的所有煙草材料達到上述飽和溫度后，停止液體二氧化碳的供給，迅速釋放容器內壓力(通常釋放到大致為大氣壓)，將煙草材料取出也可以，但最好在停止液體二氧化碳供給后到壓力釋放之間保持規定時間。又含浸壓力最好為液體二氧化碳變換為固體二氧化碳的開始點，即二氧化碳狀態圖的三相點的壓力(表壓約4.3kg/cm2)以上的壓力。另外，煙草材料的膨化最好通過將煙草材料在氣流干燥機中和高溫氣流接觸而進行，在該接觸后，使膨化煙草材料和高溫氣流分離。
即，根據本發明的一個側面，提供一種具有下述各工序的膨化煙草材料的制造方法。
(a)將煙草材料放入壓力容器，(b)用氣體二氧化碳將該壓力容器內部加壓到表壓至少約4.3kg/cm2的含浸壓力，(c)一邊維持該含浸壓力，一邊自該煙草材料的上方供給液體二氧化碳，利用該液體二氧化碳的蒸發使該壓力容器內的二氧化碳氣體飽和，(d)保持規定時間后，將該壓力容器內的壓力減壓到大致為大氣壓，(e)自該壓力容器取出煙草材料，(f)將取出的煙草材料供給到氣流干燥機，通過使其在該氣流干澡機中與高溫氣流接觸，使煙草材料膨化，(g)將膨化煙草材料與該高溫氣流分離。
另外，根據本發明的另一側面，提供一種具有下述工序的膨化煙草材料的制造方法，即(a)將處于第一溫度的煙草材料放入壓力容器的工序，(b)用二氧化碳氣給該壓力容器加壓，使其達到比該第一溫度下二氧化碳氣飽和壓力低的含浸壓力的工序，(c)為了使該壓力容器內的煙草材料達到相當于該含浸壓力下的二氧化碳氣的飽和溫度的第二溫度，自該壓力容器內的煙草材料的上方，將所需最少量的液體二氧化碳向該煙草材料供給，使其和煙草材料接觸，利用該液體二氧化碳的蒸發潛熱將該煙草材料冷卻到該第二溫度，從而將二氧化碳含浸在該煙草材料中的工序，(d)自該壓力容器將含浸二氧化碳的煙草材料取出的工序，(e)將該取出的含浸二氧化碳的煙草材料加熱膨化的工序，附圖的簡要說明如下

圖1為概略顯示本發明的方法中，用于由二氧化碳含浸煙草材料的含浸裝置的一個例子的圖。
下面參照附圖進一步詳細說明本發明。
根據本發明，首先將煙草材料放入壓力容器(含浸容器)。
煙草材料一般為通常的煙絲狀或細片(細小片)狀的材料，可以使用各種種類的煙草品種。
煙草材料的水分量以干燥重量基準最好為12～33％，以干燥重量基準12～25％更好。另外，導入壓力容器時的煙草材料的溫度(初期材料溫度)通常根據煙草加工廠的溫度管理取與廠內室溫相等的20～30℃，通常煙草材料以此溫度被放入壓力容器。當然，也可以使用具有比該溫度低或高的初期材料溫度的煙草材料。
然后，如通常進行的那樣，清除放置煙草材料的壓力容器內的空氣。該清除可通過向壓力容器內通二氣化碳氣或使用真空泵使壓力容器內部減壓而進行。
清除結束后，利用二氧化碳氣將放置煙草材料的壓力容器內部加壓到所需含浸壓力。該含浸壓力最好為液體二氧化碳轉化為固體二氧化碳的開始點，即二氧化碳狀態圖的三相共存點的壓力(表壓為約4.3kg/cm2)以上的壓力。由于這樣將含浸壓力設定為二氧化碳狀態圖的三相共存點的壓力以上的壓力，因而之后供給的液體二氧化碳就不會轉化為固體二氧化碳凝固在壓力容器壁上或閉塞壓力容器的配管系統。
在本發明中，由于利用液體二氧化碳的蒸發潛熱冷卻煙草材料，因而更嚴密地說，含浸壓力被規定為低于放置于壓力容器中的煙草材料的初期材料溫度(例如20～30℃)下二氧化碳氣的飽和壓力的壓力。
在本發明中，含浸壓力考慮煙草材料相對于低溫的脆性(脆性)，包括用于將含浸系統維持于低溫的設備的經濟性等，更優選二氧化碳氣飽和溫度為約-37℃時的10kg/cm2(表壓)以上。
而從能夠實現煙草材料的更高的膨化率考慮，含浸壓力最好盡可能高。但是，二氧化碳在較低壓力及溫度時存在臨界點[74.2kg/cm2(表壓)、31.1℃]，當超過該壓力及溫度時，二氧化碳不再保持液體狀態，不僅控制系統會變得復雜，也不能實現膨化率的進一步提高，所以，實用上含浸壓力不應超過該壓力，即通常表壓的約74kg/cm2(二氧化碳氣飽和溫度31℃)。
另一方面，含浸壓力越低，壓力容器所要求的強度越低，越節省壓力容器的成本。
從以上各點出發，實際的含浸壓力要考慮煙草材料所需的膨化率，使用的液體二氧化碳的量(后述)、壓力容器的強度、操作性等而設定。通常，由于煙草材料的溫度為20～30℃，所以，可酌情使用表壓為30～60kg/cm2的含浸壓力。
如上所述，在向壓力容器中導入二氧化碳氣，直至含浸壓力后，一邊維持含浸壓力，一邊從煙草材料的上方供給液體二氧化碳。
液體二氧化碳的供給可通過沒在壓力容器上蓋下部的1個或1個以上的噴嘴，通過在壓力容器上蓋下部橫斷壓力容器開口設置的孔徑2～200um的粉末冶金板，或通過設置在壓力容器開口端旁邊的周壁上的噴嘴，或利用其他合適的裝置而進行。
供給的液態二氧化碳的量可規定為為使壓力容器內的煙草材料達到相當于上述含浸壓力下飽和二氧化碳氣的溫度的溫度所需要的最少量。
舉例來說，則如上所述，煙草材料的初期材料溫度通常為20～30℃，該溫度下的二氧化碳氣的飽和壓力大致為表壓57～72kg/cm2。當將含浸壓力設定為煙草材料的初期材料溫度下的二氧化碳氣的飽和壓力以下的壓力時，向放置煙草材料的壓力容器內供給的液體二氧化碳在壓力容器內和煙草材料接觸而蒸發，利用此時的蒸發潛熱煙草材料被冷卻。因此，只要將被控制的量的液體二氧化碳供給到壓力容器內，該液體二氧化碳就會全部氣化，在壓力容器內形成飽和狀態，因此，煙草材料的材料溫度為含浸壓力下二氧化碳氣的飽和溫度。由于液體二氧化碳的蒸發，壓力容器內的壓力會上升，但通過采用如附設于壓力容器的保壓閥等業內人士十分熟悉的保壓裝置將其適當排放，就可以很容易地將壓力容器內的壓力維持在含浸壓力。
下面，以使用初期材料溫度為25℃，含25％(干燥重量基準)水分的煙草材料(煙絲)，含浸壓力表壓30kg/cm2的情況為例說明液體二氧化碳供給量的求法。
(1)首先，如下求出將25℃溫度下的煙絲冷卻到含浸壓力30kg/cm2(表壓)下二氧化碳氣的飽和溫度(-4.5℃)所需的熱量。
(a)煙絲的比熱雖然因原料種類有若干不同，且因煙草水分量也會變化，但一般地說，可看作干燥煙草的比熱(0.34kcal/kg℃)加上以干燥重基準表示的水分量值而成的值。因此，水分為25％(0.25kgH2O/kg干燥煙絲)的煙絲的比熱為約0.6kcal/kg℃。
(b)用該值乘以要冷卻的溫度[25℃-(-45℃)=29.5℃]，則可求出每冷卻1kg(干燥重量)煙絲所需要的熱量=約18kcal/kg。
(2)其次，液體二氧化碳的蒸發潛熱根據帕格門·普雷斯(パ-ガモン·プレス)社刊“純化學及應用化學的國際單位”或日本機械學會的熱物性值集等科學文獻的記載，表壓為30kg/cm2下液體二氧化碳的蒸發潛熱約為60kcal/kg。
(3)因此，冷卻煙絲所需液體二氧化碳的量即為冷卻煙絲所需的上述熱量約18kcal/kg除以液體二氧化碳的上述蒸發潛熱約60kcal/kg的值。即冷卻1kg(干燥重量)煙絲，只要供給0.29kg的液體二氧化碳就可以了。
但是，實際情況下，因為存在來自壓力容器系統外的熱量侵入及供給的液體二氧化碳的壓力或溫度狀態的影響，所以最好供給比上述算出的(理論)供給量稍多的液體二氧化碳。即供給液體二氧化碳的量最好為上述理論值的1～約7倍，優選1.5～4倍的量。
通常從相對于煙草材料重量的比例來說，液體二氧化碳以干燥重量基準下的煙草材料重量的0.04～約2.4倍，優選0.06～約1.4倍重的比例供給。該此例在下述情況下尤其適用，即煙草材料為以干燥重量基準算含有12～25％水分、具有20～30℃初期材料溫度的材料，含浸壓力為表壓30～60kg/cm2的情況。含浸壓力越高，所需二氧化碳的供給量越少。
這樣，煙草材料利用供給的液體二氧化碳的蒸發潛熱，被冷卻到含浸壓力下二氧化碳氣的飽和溫度，被用二氧化碳充分含浸。
在液體二氧化碳供給量少的情況下，供給的液體二氧化碳全部被氣化為干燥氣態，由于煙草材料的溫度達不到上述飽和溫度，所以要追加液體二氧化碳。這種狀態可由與煙草材料接觸而設的溫度傳感器檢測出來。另外當液體二氧化碳的供給量過多時，部分液體二氧化碳仍以液態殘留下來。該部分殘存的液體二氧化碳因重力而集中在壓力容器的底部，只要將其回收就可以了。這種狀態可通過設在壓力容器底部的觀察窗監視。
壓力容器內部達到二氧化碳的飽和狀態可通過設在煙草材料最下部或壓力容器底部出口(回收配管)的溫度傳感器顯示該飽和溫度而確認。或者，也可以以從上述觀察窗確認到在壓力容器底部稍微存在液體二氧化碳的時刻為達到上述飽和狀態的時刻。
然后，停止供給液體二氧化碳，打開壓力容器直至使其大致達到大氣壓后，將含浸了二氧化碳的煙草材料從壓力容器中取出，將其送至加熱膨化工序，進行加熱膨化。
剛自壓力容器取出的煙草材料，由于上述含浸作用的影響，有時會保持容器內時的形狀，但，即使是這種狀況，煙草材料也不是凍結，膠結，只要用手輕輕一握就會很容易地散開。這種情況下，最好使煙草材料通過分別立設有多個柱銷的一對輥，以使煙草材料散開。這種擠散不使煙草材料破碎(即不產生屑、碎片等)。因此，本發明處理的含浸過二氧化碳的煙草材料可在不使其破碎情況下向加熱膨化工序輸送。
在加熱膨化工序，通常是在氣流干燥機中使含浸了二氧化碳的煙草材料和高溫氣流接觸。
氣流干燥機本身正如公知，通常是在由不銹鋼管構成的膨化管中使高溫氣流高速流動的干燥機。高溫氣流通常包括大部分的水蒸氣。
一般情況下，在加熱膨化中，加熱溫度越高，煙草組織中的二氧化碳的膨脹速度越快，可以得到更高的膨化率。但是，在本發明中，由于在含浸后沒有或幾乎沒有附著在煙草材料上的固態二氧化碳，因此即使膨化溫度較低，也可以達到所需的膨比率。無論如何，煙草材料的膨化最好是快速加熱，并且，為了使膨化的煙草組織一度固定，最好干燥到例如8％(干燥重量基準)以下的水分。作為這樣的快速加熱裝置上述氣流干燥機是適宜的。而且加熱溫度和時間可以根據所需膨化率和煙香味(例如無焦臭味等)決定。在本發明中，可以通過使其與約260～350℃的高溫氣流接觸僅1～2秒鐘而達到高的膨化率。
膨化后，將膨化煙草材料與高溫氣分離。該分離如本領域所公知，可通過連接在氣流干燥機上的切向分離機進行。
另外，在導入液體二氧化碳，壓力容器達到飽和狀態后，為了更確實地使二氧化碳向煙草材料含浸可以不馬上釋放壓力，而是保持該狀態不變，然后再釋放壓力。該保持時間最好在10秒鐘以上，保持到20分鐘左右就足夠了。該保持時間可以是含浸壓力越低越長，含浸壓力越高越短。
在本發明中，發現含浸壓力和煙草材料中的初期含水量之間具有相關關系。如下述實施例所示，發現含浸壓力越高達到高最范圍的膨化率的煙草材料的初期含水量(以下稱作適當初期含水量)可以越少。例如，含浸壓力為表壓30kg/cm2時，煙草材料的初期水分為20～25％(干燥重量基準)，含浸壓力為表壓40kg/cm2時，煙草材料的初期水分為18～23％(干燥重量基準)，含浸壓力為表壓50kg/cm2時，煙草材料的初期水分為16～21％(干燥重量基準)就可在各含浸壓力下達到最高范圍的膨化率。
適當初期含水量會根據煙草材料的品種或煙葉分類等級等多少有所變動，但，尤其在使用各種煙草原料混合的混合煙絲時，包含在上述水分范圍內。
當使用含有適當初期水分量的煙草材料時，發現含浸壓力越高越能實現高的膨化率。
含浸壓力高的其他的優點是可以降低使用的液體二氧化碳的所需最少量，并可以進一步排除含浸后煙草材料膠結的可能性。即，例如二氧化碳氣的飽和溫度在表壓為30kg/cm2時為約-45℃，表壓為50kg/cm2時為約+14.5℃。因此，將初期材料溫度20～30℃的煙草材料冷卻到飽和溫度所需的熱量(因此，所需二氧化碳的量)含浸壓力越高可以越少。并且，如上所述，煙草材料的適當初期含水量由于存在含浸壓力越高越低的傾向，所以，對應于煙草材料的含水量的顯熱也越少，冷卻所需的熱量(因此，所需二氧化碳的量)更加減少。這樣，由于含浸壓力越高，使用的液體二氧化碳的量越少，含浸中煙草材料達到的溫度(二氧化碳氣的飽和溫度)越高，且煙草材料的適當水分越低，所以可以進一步排除煙草材料膠結的可能性。
下述表1～表4表示含浸壓力以表壓計分別為30kg/cm2(飽和溫度-4.5℃、液體二氧化碳的蒸發潛熱60kcal/kg)、40kg/cm2(飽和溫度+6.3℃、液體二氧化碳的蒸發潛熱50kcal/kg)、50kg/cm2(飽和溫度+14.5℃、液體二氧化碳的蒸發潛熱43kcal/kg)及60kg/cm2(飽和溫度22.0℃、液體二氧化碳的蒸發潛熱34kcal/kg)的情況下，煙草材料的初期水分(干燥重量基準)、煙草材料的初期材料溫度和所需最少量的液體二氧化碳量[相對于1kg煙草材料(干燥重量基準)的計算值]的關系。另外，在表1～表4中，將在各含浸壓力下達到最高膨化率的煙草材料的初期水分值表示為最佳水分。
圖1為概略顯示在本發明的方法中用二氧化碳含浸煙草材料所使用的含浸裝置之一例的圖。該含浸裝置10具有以容放于金屬網容器MC中的狀態，用于容放煙草材料TM的壓力容器(含浸容器)11。該壓力容器11用例如不銹鋼制作，具有圓筒狀殼體。上蓋12被開閉自如地安裝在該壓力容器11的上部開口端，可以氣密性地封閉壓力容器11。
由孔徑2～200um的多孔質粉末冶金板構成的液體二氧化碳散布部件13與上蓋12的下面離開設置在上蓋12的下側。該散布部件13具有與壓力容器11的內部斷面平面形狀相同的平面形狀，配置成在由上蓋12氣密性封閉壓力容器11時，橫斷壓力容器11的開口斷面。
壓力容器11的外周面由套管14包覆，用于防止外部熱向壓力容器內侵入，維持壓力容器11內的含浸壓力，從而維持壓力容器11內二氧化碳氣的飽和溫度。在該套管14內可以使用以維持上述飽和溫度所需的制冷劑或制熱劑循環。
壓力容器11的外部配置有用于貯藏液體二氧化碳的容器20。該容器20內液體二氧化碳21的上方充滿二氧化碳氣22。
為了向壓力容器11供給二氧化碳氣22設有管線L1，其一端經上蓋12與壓力容器11內連通，另一端與容器20的上部連通。管線L1上壓力容器11的頂部附近設有開閉閥V1。由閥V1的開閉控制二氧化碳氣22向壓力容器11內的供給及其停止。
還設有管線L2，管線L2與容器20的底部連通，用以向壓力容器11內供給液體二氧化碳21。在該液體二氧化碳供給管線L2上，從容器20側以次設有開閉閥V2，液體二氧化碳供給泵P，流量計FM，減壓閥V3。通過打開閥V2，驅動供給泵P，容器20內的液體二氧化碳21就向壓力容器11流動。流量計FM測定該液體二氧化碳的流量，當達到設定的累計值時發出使供給泵P停止的信號。可以根據該信號使供給泵P停止。減壓閥V3將通過管線L2向壓力容器11供給的液體二氧化碳21調節為規定壓力。
表1含浸壓力30kg/cm2(表壓)下每1kg煙草材料的液體二氧化碳的所需最少量(kg)
表2含浸壓力40kg/cm2(表壓)下每1kg煙草材料的液體二氧化碳的所需最少量(kg) <
<p>表3含浸壓力50kg/cm2(表壓)下每1kg煙草材料的液體二氧化碳的所需最少量(kg)<
<p>表4含浸壓力60kg/cm2(表壓)下每1kg煙草材料的液體二氧化碳的所需最少量(kg)
<p>管線L2在減壓閥V3的下流側分支成兩個管線L3及L4。分支管線L3在壓力容器11外合流入管線L1。另一分支管線L4與在壓力容器11的上部周圍朝向壓力容器11內部配設的噴嘴(無圖示)連接。
由管線L3供給的液體二氧化碳經粉末冶金板13的孔散布在煙草材料TM上。另外，由管線L4供給的液體二氧化碳經上述噴嘴散布在煙草材料TM上。通過分支管線L3及分支管線L4進行的液體二氧化碳的供給可以同時進行，也可以適當交替進行。因此，在管線L3及L4上分別設有開閉閥V4及V5。另外，由于通過管線L3進行的液體二氧化碳的供給和通過管線L4進行的液體二氧化碳的供給可以只進行其中一種供給，所以可以省去管線L3及管線L4之任一個，此時，留下的管線(L3或L4)中的閥(V4或V5)也不需要了。并且，也可以取代粉末冶金板13而設置帶有多個噴嘴的盤，將來自管線L3的液體二氧化碳經這些噴嘴進行散布。
位于容放在壓力容器11內的煙草材料TM的上部、底部及中間部，分別設有測溫裝置如熱電偶TC1、TC3及TC2，其指示溫度由壓力容器11外部的溫度檢測器TD檢測。
另外，在壓力容器11的下方配置有液體二氧化碳回收罐15，在供給壓力容器11的液體二氧化碳通過煙草材料TM有些許流出時，通過裝有開閉閥V6的管線L5，接受該部分液體二氧化碳。回收到該回收罐15的液體二氧化碳通過裝有開閉閥V7的管線L6經在圖中無顯示的回收設備中的回收、精制工序而返回容器20。另外，在管線L5上，壓力釋放管線L7連接在閥V6的上流側，通過打開裝在其上的開閉閥V8可以將壓力容器11內的壓力釋放到大致為大氣壓。從壓力釋放閥V8通過管線L7排出的二氧化碳氣也被送入圖中無顯示的回收設備。
并且，在壓力容器11的上部設有和壓力容器11內連通、裝有保壓閥V9的管線L8。保壓閥V9調節壓力容器11內的二氧化碳氣壓使之不超過設定的含浸壓力，通過和減壓閥V3的協動可以良好的精度調節含浸壓力。另外，從保壓閥V9經管線L8排出的二氧化碳氣也被送到圖中無顯示的回收設備。
為了用該含侵裝置10由二氧化碳含浸煙草材料，首先要把容放在金屬網容器MC中的煙草材料TM放入壓力容器11。然后，關閉上蓋12，打開閥V1，同時打開閥V8將二氧化碳氣短時間通過壓力容器11內，以吹掃壓力容器11內部。
接著關閉閥V8，用二氧化碳氣將壓力容器11內加壓到所需含浸壓力。加壓結束后，關閉閥V1，打開閥V2，同時打開閥V4及/或閥V5，從煙草材料TM上方散布液體二氧化碳。當熱電偶TC1～TC3全部顯示含浸壓力下二氧化碳氣的飽和溫度后，馬上關閉閥V2，并關閉閥V4及/或V5，停止液體二氧化碳的供給。在此之后直接，或在此之后經過規定的保持時間后，打開壓力釋放閥V8將壓力容器11內的壓力釋放到大致為大氣壓。然后，打開上蓋12，取出含浸了二氧化碳的煙草材料，將其放入氣流干燥機(無圖示)進行規定的加熱膨化處理。
由以上說明可知，該含浸裝置10不需要用以煙草材料予冷的其他設備，是僅在壓力容器上附設液體二氧化碳散布裝置的簡單結構。根據本發明，通過采用這種簡單結構的裝置使二氧化碳含浸于煙草材料中，在膨化處理后，就可以得到具有優良膨化率(膨松性)的膨化煙草。
下面，和比較例一起敘述本發明的實施例。在以下的實施例中，用以二氧化碳含侵的裝置為具有和圖1所示的二氧化碳含侵裝置同樣結構的裝置，本發明的液體二氧化碳的散布只用粉末冶金板13進行。含侵裝置的操作如有關圖1的敘述而進行。另外，在以下的實施例等中，壓力均為表壓。
在以下的實施例等中，各用語如下定義。
水分將煙草材料試樣放入100℃的自然對流烘箱1小時后減少的重量稱作水分量。以相對于煙草材料的干燥重量的水的比例表示。另外，該水分的定義在本說明書中通用。
膨松性為表示制造卷煙時煙草材料的充填能力的值。用德國BorgwalatGmbH公司制DD60A型膨松密度測定器(densimeter)如下測定。
(1)將煙草材料試樣充填到直徑60mm的圓筒容器(圓筒缸)中。試樣膨化處理前的試樣用15g，膨化處理后的試樣再調濕后用10g。
(2)用加有3kg負荷的直徑56mm的活塞壓縮充填的煙草材料試樣30秒。
(3)由于被壓縮的煙草材料的層高被顯示，所以由該值求出煙草材料的視在體積。該視在體積除以煙草材料重量得到的值稱作膨松性(表示單位cc/g)。
另外，膨松性數值越高，煙草材料的充填能力越高，每根低煙充填的煙草重量則越少。
膨松性提高率為膨松處理后煙草材料的膨松性除以膨化處理前煙草材料的膨松性的值。該數值越大，就越使充填能力提高。
CO2保持率在含浸前后，測定試樣的重量，將增加的重量部分定為二氧化碳(CO2)保持量，用該CO2保持量除以含浸前的試樣重量(干燥重量)所得的值定為CO2保持率。
再調濕將膨化后的煙草材料調節為卷煙用適當水分。通過在溫度20℃、相對溫度60％的室內，放置一周而進行。
煙味品質是由接受過判定煙草香氣、味道專門訓練的10名評判員，感官評價煙味的結果。各評判員用-3、-2、-1、0、+1、+2、+3等7級表示煙味品質，取其平均值。以比較對象(基準)設為0，有差異表示為1，有一定差異表示為2，有極大差異表示為3。符號+表示煙味品質好，符號-表示煙味品質差。也就是說。-3意味著煙味品質極差，+3意味著煙味品質極好。
實施例1向代表性的煙草的混合煙絲(注號B-3)噴水霧加濕，配成如下述表5所示的初期水分量不同的5種試樣。
將加濕后5小時以上的各種煙絲(干燥重量約100g)放入不銹鋼金屬網容器內，將其容放在壓力容器[內容積1L(升)、直徑80mm深200mml內。接著，用二氧化碳氣體吹掃壓力容器內部10秒。
然后，將二氧化碳氣體導入壓力容器內，使壓力容器內加壓到30、40或50kg/cm2的含浸壓力。
停止供給二氧化碳氣體后，開始從壓力容器上方供給液體二氧化碳。液體二氧化碳慢慢地散布，直到位于煙絲層中上部、中部及最下部的分別設置的熱電偶TC1～TC3全部顯示含浸壓力下的二氧化碳氣體的飽和溫度。
與最下部的熱電偶表示所述飽和溫度的幾乎同時，從壓力容器的底部冒出很少量的液體二氧化碳。在該時刻，停止液體二氧化碳的供給。
停止供給1分鐘之后，利用約10秒鐘將壓力容器內壓力釋放到大氣壓，取出二氧化碳含浸了的煙絲。
將該煙絲放入氣流干燥機內進行加熱膨化。氣流干燥機由內徑84.9mm，長12m的不銹鋼管(膨化管)組成，含有80體積％的水蒸氣的高溫氣流以38m/秒的速度流動。氣流干燥機的入口溫度控制在350℃。煙絲在膨化管內的通過時間約為1秒。通過膨化管的膨化煙絲被利用切向分離器與氣流分離，取出。得到的膨化煙絲的水分為3～4％。
再調溫各膨化煙絲后，測定膨松性，膨松性提高率及CO2保持率。將結果示于表5。
表5
由表5結果可知，利用本發明的方法，能夠實現優異的膨松性。另外，由這些結果證明，含浸壓力越高，當煙草材料的初期水分降低時，膨松性就越提高。
在本實施例中，在可得到膨松性最高的膨化煙絲的條件(即含浸壓力50kg/cm2、煙絲初期水分18.4％)下，進行同樣的二氧化碳含浸處理之后，將含浸了二氧化碳的煙絲保存、藏置在不銹鋼制的真空隔熱容器內。藏置30分鐘之后，同樣地利用氣流干燥機進行加熱膨化。既使經過該種藏置后，隔熱容器內的煙絲的溫度保持在-40℃，膨化煙絲的膨松性為9.68cc/g，也比不經藏置加熱膨化時的膨松性9.77cc/g不怎么遜色。
通常認為為了將從煙草組織內揮發的二氧化碳的量控制在最小限度，二氧化碳含浸煙草材料最好在含浸后即刻加熱膨脹。但是，由所述結果可知，利用本發明只要采用適當地保冷裝置，使煙草組織內含浸3％(以干燥重量為基準)左右的二氧化碳時，就能得到充分的膨化效果。
實施例2對國產黃色品種煙絲(記號ESE)噴水霧加濕使其水分為25％。經過5小時以上后，將該加濕的煙絲約100g(以干燥重量為基準)放入不銹鋼制的金屬網容器內，收容在和實施例1同樣的含浸裝置內，之后，用二氧化碳氣吹掃10秒鐘。
接著用二氧化碳氣體加壓到30kg/cm2之后，散布液體二氧化碳。經12秒后，置于煙絲中的3個熱電偶TC1～TC3全部顯示二氧化碳的與30kg/cm2所對應的飽和溫度即-45℃。這時，停止液體二氧化碳的供給。供給的液體二氧化碳的量為68g。
停止液體二氧化碳供給8秒鐘之后，用約10秒鐘使壓力容器內的壓力釋放到大氣壓。
含浸處理所需時間(從由二氧化碳氣加壓后至向大氣壓的釋放結束)，即含浸時間約為30秒。
壓力釋放后，迅速將煙絲取出，測定重量，結果為143.8g。由于二氧化碳含浸處理前煙絲的重量為122.1g，所以含浸后的煙絲保持了21.7g的二氧化碳。這相對于煙絲的干燥重量相當于22.1％。
含浸了二氧化碳的煙絲，維持與壓力容器內部對應的園柱形狀，但用手一握很容易散開，完全沒有膠結。
在與實施例1同樣的氣流干燥機中加熱膨化該含浸了二氧化碳的煙絲。得到的膨化煙絲的水分為3.4％。
再調濕后，測定膨松性，結果為9.42cc/g。另外，未處理煙絲的膨松性為4.09cc/g。
然后，改變保持時間，使用同批量的加溫煙絲，進行同樣的含浸、膨化處理。
將以上結果匯總于下表6。另外，表6還計入了含浸時間。
由表6所示的結果可知，保持時間越長，剩余的少量液體二氧化碳越表6
因重量而匯集于壓力容器的底部，越有使二氧化碳保持率降低的傾向，但膨松性卻無論含浸時間或保持時間如何都很好。因此，只要確實使所需最少量的液體二氧化碳散布，并冷卻煙草原料，則即使用30秒這樣短的含浸時間，也可以實現良好的膨松性，這一點很清楚。
比較例1使用實施例2使用的加濕煙絲，采用特公昭56-50830號公報記載的實施例的方法含浸二氧化碳。即在同樣將加濕煙絲放于實施例2使用的壓力容器內，由二氧化碳氣吹掃后，將液體二氧化碳向壓力容器內供給，直至液體二氧化碳自壓力容器上部的保壓閥9冒出。液體二氧化碳充滿壓力容器的時間，因壓力容器的容積、泵的能力、配管及供給閥的大小而不同，但，在本比較例中用了1分30秒。
然后，將液體二氧化碳自壓力容器向回收罐回收，該回收用了1分鐘。
連續的液體二氧化碳的吹出結束后，關閉閥V6，在為了斷液而經過下表7所示的斷液時間后，將壓力釋放至大氣壓。壓力釋放所需時間與實施例1同樣為約10秒鐘。
因此，吹掃時間以外的含浸處理所需時間加上自液體取出后的斷液時間需要2分40秒。
取出的含浸煙絲處于膠結狀，用手使勁拆開后，在與實施例1同樣的條件下，由氣流干燥機進行加熱膨化。結果示于表7。
表7
在由液體二氧化碳的浸漬進行的含浸中，通常認為在自液體中取出后，為了與液體斷開，設置規定的斷液時間，因而使二氧化碳保持率降低，對減少含浸煙絲的膠結是有效的。但是，即使在自液體中取出后設置5分鐘斷液時間，也不過和實施例2中含浸時間30秒時的保持率程度相同，膨松性也稍稍劣化。可以認為這是由于當將煙草材料整體浸漬于液體二氧化碳中時，相對于煙草材料存在過剩的液體二氧化碳，即使連續的液體二氧化碳的流動停止，仍然會有液體二氧化碳殘留在煙草材料的間隙的緣故。另外，由于煙草材料表面上附著的固體二氧化碳的量較多，為了使其升華要奪取熱量，即使由氣流干燥機曖間加熱含浸煙絲，相當于該部分的膨化效果也會降低。
實施例3在實施例1的3種含浸壓力下，分別通過和實施例1同樣的操作用二氧化碳含浸含有顯示最高膨松性的初期水分的煙草材料(加濕煙絲)。用和實施例1使用的氣流干燥機不同的氣流干燥機加熱膨化取出的煙草材料。本實施例實用的氣流干燥機膨化管的長度為20m，入口溫度控制為180℃或260℃。氣流的流速和實施例1相同。得到的結果顯示于下述表8。表8中同時記錄了在實施例1的加熱膨化條件下得到的結果。
由表8的結果可知，在260℃通過2秒鐘加熱膨化處理得到了和350℃下1秒鐘加熱膨化處理時相同的膨松性。200℃下經2秒鐘加熱膨化處理得到的膨松性比此稍差，但也較高。
表8
實施例4在該實施例中用容量10L(直徑200mm、深32mm)的壓力容器，采用和實施例2同樣的操作膨化混合煙絲(B-3；初期水分25％)。
即，在將約1250g(干燥重量為1000g)的混合煙絲充填到壓力容器后，用二氧化碳氣加壓到30kg/cm2，散布790g的液體二氧化碳。該液體二氧化碳的供給量以干燥重量基準相當于混合煙絲的79％。
用二氧化碳氣進行的直至上述含浸壓力的加壓和液體二氧化碳的散布用1分鐘進行。液體二氧化碳的供給結束1分鐘后，混合煙絲層中3處的熱對偶TC1～TC3均顯示飽和溫度(-4.5℃)。
將保持時間定為0分(無)、3分或8分，然后取出，接著，將壓力容器內的壓力用約30秒鐘釋放至大氣壓。
在使取出的混合煙絲通過由分別立設有多根長度30mm的柱銷的一對輥組成的煙絲解除機后，在和實施例1相同的條件下，用氣流干燥機加熱膨化。結果如下表9所示。
比較例2用實施例4使用的壓力容器，按比較例1的方法，將同樣的煙絲浸漬于液體二氧化碳中，進行其后的處理。
在該比較例2中，使混合煙絲浸漬于液體二氧化碳中，用了8分鐘時間，從液體二氧化碳中取出用了2分鐘時間。
經過斷液時間0分(無)、3分或8分后，用大約30秒鐘時間將壓力容器內的壓力釋放至大氣壓。
將取出的混合煙絲通過實施例4所用的煙絲解除機后，用同樣的氣流干燥機在同樣條件下進行加熱膨化。
將結果一并記入下表9。表9中，“經過時間”在實施例4中表示上述保持時間，在比較例2中，表示上述斷液時間。
表9
表9表明，采用散布液體二氧化碳之本發明的方法，由于幾乎不使用多余的二氧化碳，因此，無論什么樣的裝置規模都可以使含浸時間比浸漬于液體二氧化碳中的方法縮短。只要縮短了含浸時間，就可以增加單位時間的處理量或使裝置小型化。
另外，當使用容積大的壓力容器時，本發明的液體二氧化碳散布法和現有的二氧化碳浸漬法的二氧化碳保持率差異很大(參照表9)。在現有的浸漬方法中，留有相當多的多余二氧化碳，即使采用8分鐘斷液保持時間，二氧化碳保持率也有約28％。取出的煙絲的下半部，明顯膠結，即使用手握也不會散，需要用煙絲解除機將其塊拆開。使煙絲膠結的多余的二氧化碳難以回收，有可能對環境或制造成本帶來不好的影響，因此不理想。
另外，在基于液體二氧化碳散布之本發明的方法中，由于有效地使用予定的所需最少限量的二氧化碳，所以幾乎沒有多余的二氧化碳。因此，取出的煙絲無膠結，從開始就是散開的，幾乎都原樣穿過煙絲解除機的輥間。
接著，篩分了分別采用實施例4及比較例2的方法，保持時間均取8分鐘而得到的膨化的煙絲。篩分機使用了德國JEL公司(J.EngelsmannAG)的PRUEFSIB JEL200型，作為篩，將按照國際標準化機構(ISO)、日本工業規格(JIS)開目4.00、3.15、2.00、1.00及0.50mm的篩重疊設置在上述篩分機上。
首先，將膨化煙絲充分混合試樣縮分取25g。過篩2分鐘，正確測量各篩上殘留的煙絲及通過0.50mm的篩的煙絲的重量，求出各自相對于初始煙絲重量(25g)的比例。每種試樣重復8次該測定操作，求平均值。結果如表10所示。
表10
一旦煙絲膠結，解除它時就會產生煙絲的破碎。通過開目1mm的篩的微細煙絲(細粉)，不適宜制造卷煙，成品率降低。
由表10可知，現有的二氧化碳浸漬法，含浸煙絲的膠結明顯，解除煙絲產生的破碎嚴重，和本發明的液體二氧化碳散布法的煙絲相比，整體上煙絲的長度短。尤其是通過1mm篩的細粉的比例超過了20％。
與此相對，本發明的液體二氧化碳散布法得到的煙絲由于幾乎是原樣通過煙絲解除機，因此含浸煙絲的破碎少，細粉的比例為11％，是現有浸漬法的一半。
然后，用該篩分留下的煙絲卷煙，在不清楚其處理方法的情況下，進行煙味品質的比較。判定結果，在現有浸漬法煙絲所卷的煙為0時，本發明的散布法所得煙絲卷的煙為+2，煙味品質明顯地好。可以考慮這起因于現有浸漬法煙絲所卷的煙，煙的香氣溶解于揮發性成分，尤其是液體二氧化碳而跑掉的緣故。
如上所述，根據本發明，可以用所需最少限度的二氧化碳，用短時間將二氧化碳含浸于煙草材料中，且可以用結構簡單的裝置制造品質優良的膨化煙草材料。
權利要求
1.一種膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，這種膨化煙草材料的制造方法具有下述各工序(a)將煙草材料放入壓力容器，(b)用氣體二氧化碳將該壓力容器內部加壓到表壓至少約4.3kg/cm2的含浸壓力，(c)一邊維持該含浸壓力，一邊自該煙草材料的上方供給液體二氧化碳，利用該液體二氧化碳的蒸發使該壓力容器內的二氧化碳氣體飽和，(d)保持規定時間后，將該壓力容器內的壓力減壓到大致為大氣壓，(e)自該壓力容器取出煙草材料，(f)將取出的煙草材料供給到氣流干燥機，通過使其在該氣流干澡機中與高溫氣流接觸，使煙草材料膨化，(g)將膨化煙草材料與該高溫氣流分離。
2.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(a)中的煙草材料按干燥重量基準，具有12～33％的水分。
3.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(a)中的煙草材料溫度為20～30℃。
4.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(b)中的含浸壓力為表壓10～74kg/cm2。
5.如權利要求4所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(b)中的含浸壓力為表壓30～60kg/cm2
6.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(a)中使用工序(b)中的含浸壓力越高具有越少水分的煙草材料。
7.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(c)中的液體二氧化碳的供給量為干燥重量基準下煙草材料重量的0.04～約2.4倍。
8.如權利要求7所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(c)中的液體二氧化碳的供給量為干燥重量基準下煙草材料重量的0.06～約1.4倍。
9.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(c)中，當煙草材料溫度達到含浸壓力下二氧化碳氣的飽和溫度后，當即停止液體二氧化碳的供給。
10.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(c)中，在液體二氧化碳自壓力容器底部稍微流出的時刻停止液體二氧化碳的供給。
11.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(d)中的保持時間為10秒以上。
12.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(f)中的高溫氣流包含水蒸氣，溫度為260℃～350℃。
13.如權利要求12所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(f)中，使煙草材料與高溫氣流接觸1～2秒鐘。
14.如權利要求1所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(f)中，使煙草材料膨化，直至水分為干燥重量基準下的8％以下。
15.一種膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，這種膨化煙草材料的制造方法具有(a)將處于第一溫度的煙草材料放入壓力容器的工序，(b)用二氧化碳氣給該壓力容器加壓，使其達到比該第一溫度下二氧化碳氣飽和壓力低的含浸壓力的工序，(c)為了使該壓力容器內的煙草材料達到相當于該含浸壓力下的二氧化碳氣的飽和溫度的第二溫度，自該壓力容器內的煙草材料的上方，將所需最少量的液體二氧化碳向該煙草材料供給，并使其和煙草材料接觸，利用該液體二氧化碳的蒸發潛熱將該煙草材料冷卻到該第二溫度，從而將二氧化碳含浸在該煙草材料中的工序，(d)自該壓力容器將含浸二氧化碳的煙草材料取出的工序，(e)將該取出的二氧化碳含浸的煙草材料加熱膨化的工序，
16.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(a)中的第一溫度為20～30℃。
17.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(a)中的煙草材料按干燥重量基準，具有12～25％的水分。
18.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(b)中的含浸壓力為二氧化碳三相點的壓力以上、臨界點的壓力以下。
19.如權利要求18所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(b)中的含浸壓力為表壓10～74kg/cm2
20.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(a)中使用工序(b)中的含浸壓力越高具有越少水分的煙草材料。
21.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(c)中的液體二氧化碳的供給量為理論量的1～約7倍。
22.如權利要求21所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，工序(c)中的液體二氧化碳的供給量為理論量的1.5～約4倍。
23.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(c)中，當煙草材料溫度達到第二溫度后，當即停止液體二氧化碳的供給。
24.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(c)中，在液體二氧化碳自壓力容器底部稍微流出的時刻停止液體二氧化碳的供給。
25.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(e)中，使二氧化碳含浸的煙草材料與包含水蒸氣、溫度為260℃～350℃的氣流接觸。
26.如權利要求25所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(e)中，使二氧化碳含浸的煙草材料與氣流接觸1～2秒鐘。
27.如權利要求15所述的膨化煙草材料的制造方法，其特征在于，在工序(e)中，使煙草材料膨化，直至水分為干燥重量基準下的8％以下。
全文摘要
一種膨化煙草材料的制造方法。根據該方法,將煙草材料(TM)放入壓力容器(11)后,導入二氧化碳氣(22),用它將壓力容器(11)內部加壓到規定的含浸壓力。然后維持含浸壓力,同時,從煙草材料(TM)上方通過粉末冶金板(13)等供給液體二氧化碳(21),在壓力容器(11)內部利用供給的液體二氧化碳的蒸發,使二氧化碳氣飽和,同時,利用蒸發潛熱使煙草材料冷卻,從而含浸二氧化碳。使該含浸二氧化碳的煙草材料在氣流干燥機中與高溫氣流接觸、膨化。
文檔編號A24B3/18GK1220584SQ9880037
公開日1999年6月23日 申請日期1998年3月24日 優先權日1997年3月27日
發明者植松宏海, 菅克彥, 中西幸雄, 內山研輔 申請人:日本煙草產業株式會社