Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор патентно-информационной литературы 13
1.1 Изучение возможностей уменьшения токсичности сигарет 13
1.1.1 Характеристики сигарет и их влияние на содержание смолы и никотина в табачном дыме 13
1.1.2 Сигаретные фильтры и их влияние на потребительские свойства и токсичность сигарет 19
1.1.3 Применение восстановленного и расширенного табака в мешке сигарет 27
1.2 Изучение возможностей использования различных конфигураций фильтров 30
1.2.1 Применение органических мембранных фильтров 31
1.2.2 Критерии использования фильтрующих элементов 33
1.2.3 Фильтрующие элементы для специального применения и предварительной фильтрации 37
1.3 Выводы из литературного обзора 41
2 Объекты и методы исследований 43
2.1 Схема исследования, сырье и материалы 43
2.2 Характеристика образцов 45
2.3 Методы анализа сигарет
2.3.1 Определение физико-химических показателей качества вспомогательных материалов для курительных изделий 47
2.3.2 Определение физико-химических показателей качества готовых курительных изделий 50
2.3.3 Оценка качества табачных изделий по химическому составу табачного дыма 51
3 Результаты экспериментальных исследований и их интерпретация 55
3.1 Разработка ароматизированной табачной мешки при создании новых видов сигарет 56
3.1.1 Производство расширенного табака 56
3.1.2 Производство восстановленного табака 66
3.1.3 Изготовление ароматизированной табачной мешки 78
3.2 Моделирование характеристических показателей ацетатцеллюлозного фильтра 85
3.2.1 Определение веса, КПД и перепада давления ацетатного жгута 85
3.2.2 Построение линии полной характеристики различных типов ацетатного жгута 87
3.2.3 Расчет целевых спецификаций фильтропалочек 94
3.3 Определение качественных показателей ацетатных сигаретных фильтров 101
3.3.1 Параметры характеристической кривой ацетатного жгута 105
3.3.2 Характерные значения сигаретных фильтров 111
3.3.3 Измеряемые характеристики сигаретных фильтров 111
3.3.4 Параметры спецификаций фильтр-жгута 114
3.4 Лабораторный контроль физико-химических показателей качества фильтропалочек при производстве сигарет 119
3.4.1 Анализ параметров сушки ацетатного жгута при производстве фильтропалочек 119
3.4.2 Анализ параметров влажности табака на выходе из табакорезальных станков 126
3.5 Создание новых видов сигарет повышенной безопасности с регулируемыми показателями качества табачного сырья и фильтров 129
3.5.1 Принципы дизайна сигаретных фильтров 129
3.5.2 Влияние длины и диаметра фильтра на химический состав дыма 131
3.5.3 Влияние элементарного денье и перепада давления на химический состав дыма 133
3.5.4 Расчет эффективности удаления вредных веществ табачного дыма 140
4 Экономическая эффективность разработанной технологии 146
4.1 Производственные испытания новых видов курительных изделий повышенной безопасности 146
4.2 Экономический эффект от внедрения новых видов курительных изделий повышенной безопасности 147
Заключение 151
Литература
- Применение восстановленного и расширенного табака в мешке сигарет
- Определение физико-химических показателей качества вспомогательных материалов для курительных изделий
- Моделирование характеристических показателей ацетатцеллюлозного фильтра
- Экономический эффект от внедрения новых видов курительных изделий повышенной безопасности
Применение восстановленного и расширенного табака в мешке сигарет
При изготовлении фильтра используют клей, содержащий вещества, способствующие повышению клейкости (сополимеры этилена) и воск [100]. В производстве низкотоксичных сигарет используют платиновый фильтр, который содержит обертку и сердечник в виде жгута из волокон 1-4 денье. Сердечник импрегнирован мелкодисперсным порошком платины и пористым органическим полимером [33].
При изготовлении фильтров на этапе стандартного крепирования используют нуклеиновые кислоты (ДНК или РНК) вместо обычного пластификатора, такого как триацетин [129]. Сигаретный фильтр избирательно удаляет газообразные компоненты, такие как альдегиды, из табачного дыма [74].
Для удаления нуклеофильных токсинов, содержащихся в табаке и табачном дыме, основной поток табачного дыма пропускают через фильтрующий элемент, который задерживает нуклеофильные токсины [114]. Фильтр содержит катализатор для обработки дыма, а основа носителя содержит окись церия и окись циркония [58].
Фильтр состоит из крахмала и смеси полимеров на основе крахмала, которые являются основой для активированного угля в виде порошка [86]. Материал основного адсорбента представляет активированный уголь, активный каменный уголь, активный кокосовый уголь, уголь из полуантрацита, силикагель, цеолит, сепиолит, окись алюминия [73].
Фильтр содержит диспергированные в нем микрокапсулы, содержащие увлажнитель (пироглютамат Na), метилцеллюлозу, хлорофиллин и растительное масло [80]. Фильтр содержит пористый субстрат (хлопок, бумага, ацетилцеллюлоза и ионообменный материал) с диспергированным в нем сухим увлажнителем для влажной фильтрации табачного дыма [76].
Сигаретный фильтр состоит из пористой основы, включающей влагопоглотитель (этиленгликоль, глицерин, сорбит, хлориды, фосфаты, лактаты, глюконаты, пирофосфаты) и микрокапсулы (хлорофиллин, метицеллюлоза, пироглутамат натрия, растительное масло) [41,77,78,79]. Такой фильтр удаляет в значительной степени токсичные и мутагенные соединения из табачного дыма и обеспечивает прохождение ароматических соединений. Фильтр содержит пористую основу с диспергированными в ней сухой водой и порфирином, содержащим медь.
Высокоэффективны сигаретные фильтры с формованными волокнами, имеющими микрополости, которые содержат адсорбент или абсорбент [99].
Для эффективного фильтрования главного потока дыма с улучшением вкуса табака сигаретный фильтр содержит две или более секций фильтра из нескольких секций [40]. Секция фильтра с добавлением жидкого сложного эфира жирной кислоты или жидкой жирной кислоты имеет вязкость от 1 до 300 сП. Секция фильтра с добавлением гликоля имеет вязкость от 1 до 300 сП. Секция фильтра с добавлением угля является третьей.
Для уменьшения влияния на вкус и аромат сигареты и обеспечения селективного удаления определенных компонентов, содержащихся в дыме основного потока, сигаретный фильтр содержит фильтрующие секции, включающие фильтрующие материалы, отдельно обернутые оберточной бумагой [38]. В качестве адсорбента – активированный уголь и диоксид кремния/оксид алюминия в одном из фильтрующих материалов или в промежутке между фильтрующими материалами.
Фильтр для сигареты обеспечивает уменьшение количества альдегидов, содержащихся в основном потоке дыма выкуриваемой сигареты [90]. Фильтр содержит фильтрующую среду, содержащую неорганическое основное вещество (карбонат или фосфат) и увлажнитель.
Фильтр для сигареты обеспечивает уменьшение количества альдегидов в основном потоке дыма сигареты в процессе ее выкуривания [89]. Фильтр содержит фильтрующую среду, включающую основную аминокислоту или ее соль и увлажняющее вещество. Основная аминокислота или ее соль включает аргинин, соль аргинина, лизин и его соль, гистидин и его соль, орнитин и его соль, цитруллин и его соль, гидроксизин и его соль.
Фильтр для сигарет состоит из первого и второго компонента фильтра, причем первый компонент фильтра представляет собой волокна полиэтилена, второй – гранулят в виде порошка и/или шариков активированного угля, ионообменной смолы и/или оксида алюминия [92]. Диаметр гранул и/или шариков равен 0,3-0,8 мм, а длина полиэтиленовых волокон меньше длины фильтра и составляет 0,5-30 (3-8) мм.
Фильтр для табачного дыма содержит волокна с регенерированной целлюлозой [145]. Волокна фильтра для табачного дыма помещают не только в адсорбер и/или фильтр табачного дыма, но и между волокнами адсорбера. В качестве адсорбера применяют активированный уголь, монооксид алюминия, гидрооксид алюминия, смесь из оксида алюминия и диоксида кремния, алюмосиликат в оксидной и/или гидроксидной формах, силикат магния, гидротальцит, ионообменник, ионообменную смолу, молекулярное сито, силикагель, натуральные и синтетические минералы, гликозем, цеолит, бентонит, кизельгур и другие вещества.
Фильтр состоит из плоских материалов: бесконечные комплексные нити, бумага, холст, текстильная ткань, нетканый материал и аналогичные [94]. В состав фильтра входят сорбционное средство (активированный уголь, фенольная смола, гидроксиды или оксигидраты на основе алюминия, кремния, титана и/ или магния) и катализатор (платина, золото или смеси из золота и серебра).
Определение физико-химических показателей качества вспомогательных материалов для курительных изделий
Содержание общего азота по методу Кьельдаля Определение азота в растворах после мокрого озоления основано на образовании ионом аммония окрашенного индолфенольного соединения, интенсивность которого регистрируем фотоколориметром. В начале реакции ион аммония окисляется хлором до хлорамина, который образует с салицилатом натрия сине-зелёное индолфенольное соединение с максимумом светопоглощения около 655 нм. В качестве катализатора в этой реакции используем нитропруссид натрия. Лучшие результаты при озолении табачного сырья даёт применение в качестве катализатора хлорной кислоты и перекиси водорода. Фотометрирование проводим на фотоколометре КФК-2 при длине волны 670 нм в кювете с базой 10 мм.
Белковый азот по Барнштейну
Определяем по разнице между содержанием общего азота и содержанием небелковых соединений в вытяжке, получаемой после их осаждения уксуснокислым свинцом. Найденное количество азота умножаем на К = 6,25 и вычисляем общее количество белковых веществ в анализируемом табаке.
Содержание хлорид ионов
Определяем методом прямой ионометрии, используя для этих целей ионоселективные электроды. Измерительная система для определения хлорид иона состоит из мембранного электрода ЭМ-С1-01 и хлорсеребряного электрода сравнения ЭВЛ-1М3 с надетой на него промежуточной ячейкой, заполненной 0,1 М раствором KNO3. Измерения ведем на иономере МИН 100. Экстракцию хлоридов из растительного материала выполняем 1%-м раствором алюмокалиевых квасцов при соотношении массы пробы к объёму экстрагирующего раствора 1:100 для сухих образцов или 1:4 – для влажных. Содержание золы
Метод основан на сжигании органического вещества при высокой температуре в муфельной печи. Озоление ведем при 450 0С. Продолжительность сжигания колеблется от 3 до 6 ч. Определение рН дыма Дым, образующийся в результате сгорания навески табака, улавливается в склянки Дрекселя с дистиллированной водой. Определение рН проводим на ионометре И 500 со стеклянным электродом.
Определение щёлочности дыма
Дым улавливаем аналогично при определении рН, только в приёмник наливаем 0,1н раствор серной кислоты. После сгорания табака 10мл жидкости титруем 0,1 н раствором щёлочи до нейтральной реакции среды, используя для этих целей установку для потенциометрического титрования, которую представляет иономер ЭВ-74.
Анализ эфирных масел Проводим путём экстракции с водяным паром с последующим определением их количества путём сожжения хромовой смесью.
Содержание никотина в табачном дыме при курении. Специфическим и основным качественным признаком, присущим только табачной продукции, является крепость, обусловливаемая преимущественно содержанием в табаке алкалоида – никотина. Содержание никотина определяем в абсолютных единицах, выраженных в миллиграммах, и вычисляют в процентах.
Реакция дыма. Этот показатель является одним из признаков качества табачных изделий. Реакция дыма выражается количеством 0,1 н. раствора серной кислоты (в мл) для щелочной реакции дыма или количеством 0,1 н. раствора едкого натра для кислой реакции, пошедших на нейтрализацию щелочных или кислых соединений дыма, полученных от сгорания 1 г табака.
Реакция дыма характеризует вкусовые свойства изделий и оказывает влияние на их вкусовую крепость. С ухудшением качества изделий реакция дыма изменяется в щелочном направлении; реакция дыма у высших сортов табачных изделий кислая. У дыма изделий со средним вкусом реакция близка к нейтральной, у дыма с неприятными резкими ощущениями всегда явно щелочная, а с чистыми, нерезкими ощущениями – кислая.
Условия горения папирос и сигарет различны, поэтому и их состав дыма неодинаков. Реакция дыма сигарет резко отличается от реакции дыма папирос того же сорта.
Редуцирующие вещества. Содержание редуцирующих (восстанавливающих) веществ в дыме является показателем вкусовых свойств табачных изделий. Их содержание в дыме пересчитываем на углеводный комплекс. Содержание восстанавливающих веществ в дыме табачных изделий находится в прямой зависимости от качества их.
С повышением сорта в обоих видах продукции количество редуцирующих веществ в дыме возрастает. Содержание восстанавливающих веществ (в мг) в сигаретах выше, чем в папиросах, изготовленных из табака тех же мешек. Следовательно, вкусовые качества сигарет лучше.
Белковые вещества. При содержании белковых веществ в табаке и в дыме качество табачных изделий снижается. Содержание белковых веществ в табачных изделиях повышается с понижением их сорта. В дыме сигарет белковых веществ меньше, чем в дыме папирос того же сорта.
Смолы. Смолам приписывают специфичность аромата табачного дыма. Их количество в дыме табачных изделий остается почти неизменным по видам и сортам. Нельзя установить прямой и четкой зависимости между содержанием смол в дыме и ароматическими свойствами табачных изделий. Среднее содержание смол в дыме изделий в процентах к сгоревшему табаку находится в пределах 3,5–4,5%.
Моделирование характеристических показателей ацетатцеллюлозного фильтра
Для уменьшения токсичности табачного дыма, а также улучшения его курительных свойств разрабатывают методы изменения состава дыма в заданном направлении [16-17]. Регулирование показателей безопасности (содержания смолы и никотина в дыме сигарет) табачных изделий возможно путем изменения состава табачной мешки путем использования восстановленного табака [28-32].
Производство восстановленного табака – это процесс получения восстановленного табачного материала в форме тонкого сухого гомогенизированного полотна, которое режут на отдельные листья стандартного ромбовидного размера, и упаковывают в картонные короба. В дальнейшем этот материал используют в качестве компонента в табачном производстве. По внешнему виду этот вид сырья – грубая бумага, цветом и запахом напоминающая табачные листья.
Восстановленный табачный лист производят из табачного сырья, отделенного в процессе переработки табачного листа и производства сигарет, табачной жилки различной фракции, пищевых связующих и ароматизирующих ингредиентов, таких как гуаровая камедь, инвертный сахар, глицерин, пропиленгликоль, вода.
Основные преимущества использования восстановленного табака в табачном производстве: — экономические (снижение потерь, экономия табачного сырья); — повышение горючести сигареты; — регулирование содержания вредных веществ и никотина в сигарете. Производство восстановленного табака разделено на 4 зоны процесса: Зона 1А – подготовка и загрузка сухих табачных материалов на линии. Зона 1В – измельчение, сушка и смешивание табачных материалов, загрузка гуаровой камеди.
Зона 2 – подготовка жидкого раствора и его смешивание с сухими табачными материалами для получения пастообразной массы – пульпы (вязкой массы).
Зона 3 – формирование, сушка и резка полотна восстановленного табака. Зона 4 – загрузка и упаковка готовой продукции в короба. Функциональную поддержку производства восстановленного табака оказывает участок Кухни (загрузка инвертного сахара, глицерина, пропиленгликоля в мобильные танки).
Производительность линии восстановленного табака – 580 кг/час при влажности 14% (выход сушки). Размерность партий восстановленного табака – 5000 кг табачных материалов на участке загрузки (зона 1A).
Характеристиками изготовляемой продукции и исходного сырья являются: FBP (Factory by-products) – табачное сырье, отделенное в процессе переработки табачного листа и производства сигарет (dust and scraps). Stem LBP (Stem length by-products) – короткие фракции жилочного сырья, отделенные в процессе производства (стрипсования) табачной жилки, а также мелкие фракции жилки, отделенные на сигаретных машинах. Табачное сырье: FBP: влажность 7-14%; упаковка – картонные короба весом 80-200 кг; CL Blend определяет последовательность загрузки, и соотношение типов FBP в смеси. LBP: влажность 11%; упаковка – картонные короба весом 200-210 кг; CL Blend определяет последовательность загрузки, и соотношение типов LBP в смеси. Нетабачные ингредиенты: Глицерин – бесцветная маслянистая сиропообразная, очень вязкая жидкость сладкого вкуса, без запаха, получаемая путем гидролиза жиров или синтетическим способом. В растворах применяется как влагоудерживающий агент. Инвертный сахар – смесь эквимолекулярных количеств глюкозы и фруктозы, получаемая искусственным путем. Применяют как ароматизатор и влагоудерживающий агент. Пропиленгликоль – бесцветная жидкость со сладким вкусом. Неограниченно смешивается с водой. В приготавливаемых растворах применяют как влагоудерживающий агент.
Гуаровая камедь – пищевая добавка, относится к группе стабилизаторов. Обладает свойствами: увеличение вязкости, желирующие свойства. Получают из семян зернобобовой культуры, известной как гуар, или гороховое дерево. Смесь восстановленного табачного материала ( C L B lends ): FBP – Stem LBP ratio: 78% - 22% — удельный вес – 135 г/м2 (±7 г/м2); — влажность – 14% (±1%); — прочность на растяжение – 25 кгс/м; — толщина – 0,2 мм (±0,02 мм); — форма листа – ромбическая; — типовой размер 100 х 100 мм; — заполоняющая способность (CV) – сравнима с табачным листом. Рассмотрим основные операции производства восстановленного табака.
Исходные табачные материалы (FBP и Stem LBP) с влажностью 7-14% доставляются в зону загрузки (Зона 1A) электропогрузчиками в картонных коробах на поддонах по 80-210 кг каждый. В соответствии с очередностью загрузки типов FBP и LBP производят подготовку партии коробов.
Вскрытые короба с табачными материалами перемещают с помощью ручных подъемных средств к опрокидывателям, где производят их сканирование и загрузку. Пустые короба складируют и утилизируют по мере накопления. В зоне 1А установлены 2 линии загрузки табачных материалов: Dust & Scraps Line – для загрузки FBP; Stem Line – для загрузки LBP. Максимальная скорость потока материала по каждой линии составляет 1000 кг/час.
Экономический эффект от внедрения новых видов курительных изделий повышенной безопасности
Для производства химических волокон используют целлюлозу в форме клетчатки. Её получают при удалении лигнина из дерева. Клетчатка -это полимер, т.е. молекулярная цепь из глюкозы, которую создают с помощью солнечного света в растениях из СО2 и воды. Молекулярная клетчатка состоит из 1200 структурных элементов глюкозы (мономеров).
Клетчатка почти не растворяется ни в каком растворителе. Чтобы её привести в растворимую форму, её нужно химически преобразовать. Это происходит при помощи уксусной кислоты с использованием катализатора при ацетилировании. При реагировании друг с другом трёх главных компонентов - клетчатки, уксусной кислоты и катализатора в ацетилирующем барабане при экзотермическом процессе получают триацетат целлюлозы. Триацетат целлюлозы содержит приставку "три" потому, что все три ОН-группы структурных элементов глюкозы замещены остатками уксусной кислоты. Доля химически соединённой уксусной кислоты в триацетате целлюлозы составляет 62,5% по весу.
Триацетат целлюлозы имеет свойство: он растворяется только в определённых растворителях, таких как уксусная кислота и хлороформ. При следующем процессе часть соединённой уксусной кислоты снова отщепляется. Это происходит при так называемом "омылении" при сдвиге равновесия в реакции образования ацетата целлюлозы в обратную сторону. Процесс омыления происходит так, чтобы в каждом втором мономере замещался бы один остаток уксусной кислоты на ОН-группу, т.е. статистически 2 и 1/2 из 3 возможных ОН-групп замещаются остатками уксусной кислоты. Итак, доля соединённой уксусной кислоты в ацетате 2 и 1/2 составляет 55% по весу.
Ацетат целлюлозы 2 и 1/2 представляет собой химически преобразованную целлюлозу, которая растворяется в ацетоне. Ацетон как растворитель имеет свойства, которые необходимы для производства прядильного раствора. Ацетон не токсичен, что важно для его применения в пищевой промышленности. Ацетон кипит при сравнительно низкой температуре - 56С, что важно для лёгкого вывода растворителя в процессе прядения. При любом соотношении смеси ацетон легко растворяется в воде, что важно для регенерации растворителя в процессе прядения.
Когда процесс растворения ацетата целлюлозы 2 и 1/2 в уксусной кислоте закончен, из этого раствора при интенсивном смешивании с водой (вернее с разбавленной уксусной кислотой) получают ацетат 2 и 1/2 в форме хлопьев. Это пористые хлопья, впитавшие в себя уксусную кислоту. В процессе промывания капиллярно - соединённую кислоту интенсивно промывают с помощью свежей воды, а содержащуюся воду выводят позже с помощью прокатных валиков. В окончательном процессе сушки достигают желательную конечную влажность хлопьев ацетата. Химический процесс производства ацетата целлюлозы 2 и 1/2 на этом закончен, хлопья силосуют. Весь в дальнейшем описываемый процесс служит преобразованием формы хлопьев в форму нити, т.е. в филаменты. Промежуточным этапом является получение прядильного раствора.
Производство прядильного раствора происходит при перемешивании в цистерне с мешалкой - ацетата, растворителя (ацетон) и матирующего средства ТIO2. В процессе прядения раствор проходит под давлением через многие отверстия в фильере. Отверстия могут иметь форму поперечного сечения в виде треугольника, ромба, квадрата или круга. Длина ребра или диаметр отверстий лежит между 40-100 рм. Для обеспечения надёжного течения прядильного раствора через поперечные сечения, максимальный размер которых равен нескольким микронам (при производстве жгута существует до 2000 таких отверстий), прядильный раствор должен быть абсолютно однородным и не загрязнённым.
Для достижения этих требований прядильный раствор после перемешивания декантируют в большие цистерны, где осаждают "крупные" загрязнения при поднятии соответствующей раковины. После этого производят многоступенчатую тонкую очистку в пластинчатых фильтр -прессах и возобновляют новое декантирование перед тем, как прядильный раствор начнёт поступать от буферной цистерны к отдельным прядильным машинам в систему подачи.
В прядильной машине происходит преобразование прядильного раствора в нити. Прядильная машина состоит из большого количества прядильных камер, расположенных друг возле друга. Каждая прядильная камера состоит из одной трубы и прядильной шахты, в которую с фильеры (форма душа) впрыскиваются филаменты. Прядильный раствор при точном регулировании температуры предварительного подогрева подают к фильере с помощью дозирующего насоса. Все отверстия закрыты, кроме нижнего, где выходят нити из прядильной шахты. Недалеко от конца шахты с помощью одностороннего выхода отсасывают воздух, входящий в начале шахты, немного ниже фильеры.
Прядильную шахту подогревают. Воздух, входящий в камеру, разогревается и впитывает из прядильного раствора растворитель - ацетон. Весь ацетон практически полностью возвращается. Таким образом, прядильный раствор преобразуется при значительном объёмном падении в филаменты. Вследствие этого, из треугольного отверстия возникают филаменты с поперечным сечением - Y, из прямоугольного отверстия с поперечным сечением - I, из квадратичного отверстия с поперечным сечением - X и из круглого отверстия с поперечным сечением цветка -маргаритка.
Когда нить (это сумма всех филаментов или элементарных нитей в отдельности выходящих из фильеры, которая имеет форму душа) покидает камеру, то филаменты без соприкосновения расположены плотно друг возле друга. Нить проходит через вращающийся вал, опущенный в осадительную ванну, который служит для замасливания нити прядильным маслом. Прядильное масло защищает нить от повреждения в дальнейшей обработке и предотвращает её от слишком высокой статической электризации.
Нити со всех прядильных камер сводят в одну ленту перед прядильной машиной и снимают перед гофрировочной машиной. Гофрировочная машина работает по принципу камеры сжатия. Конструкция и точность её производства, относительная равномерность характеристических значений и целостность филаментов определяют в совокупности решающее качество жгута. Сушка уменьшает конечную влажность гофрированного и ещё влажного жгута, в зависимости от спецификации до 5 - 6%.