专利名称：浸渍和膨化烟草的方法
技术领域：
本发明涉及使烟草体积膨胀的方法，更具体地说，本发明涉及用二氧化碳将烟草膨化的方法。
烟草工艺早就认识到将烟草膨化以增加其大小或体积的必要性。有各种理由需要将烟草膨化。早先膨化烟草的目的之一是弥补由于烟草晒制过程所造成的重量损失。另一目的是改善特定的烟草成分(例如烟梗)的冒烟特性。还希望能提高烟草的填充力，以便能用较少量的烟草制造出烟草产品，例如香烟，而该产品与用未膨化的烟草制成的具有较密实烟草填充物的类似烟草产品具有同样的坚实度，但是释放出的焦油和尼古丁较少。
曾经提出过各种方法来膨化烟草，包括在压力下用气体浸渍烟草随后减压，于是气体使烟草细胞膨胀，从而增大了所处理烟草的体积。曾经使用或建议的其它方法包括用各种液体，例如用水或较挥发的有机或无机液体浸渍烟草，然后使液体气化排出，以便使烟草膨胀。建议的其它方法包括用固体物质处理烟草，该固体物质在受热时分解产生气体，从而起膨胀烟草的作用。另外的方法包括用含气液体，例如含二氧化碳的水，在压力下处理烟草，以便使气体结合到烟草之中，而当浸渍过的烟草加热或环境压力减低时，烟草就膨胀。曾研制过的膨化烟草的其它技术包括用气体处理烟草，这些气体在烟草内反应，形成固体化学反应产物，然后可以利用加热使固体化学反应产物分解，在烟草内产生气体，当气体放出时便造成了烟草膨胀。更具体地是美国专利1，789，435叙述了一种方法和装置，用来使烟草体积膨胀以弥补在晒制烟叶时造成的体积损失。为达到这一目的，将晒制和调理过的烟草与气体在加压下接触，然后解除压力，烟草即会膨胀。所述气体可以用空气、二氧化碳或水蒸汽。该专利提到，利用这一方法，烟草体积可增加约5%至15%。
与本申请共同转让的美国专利3，771，533涉及用二氧化碳和氨气处理烟草，从而使烟草为这些气体饱和，就地形成了氨基甲酸铵。然后加热使氨基甲酸铵分解以便在烟草细胞内放出气体并使烟草膨胀。
共同转让的美国专利4，258，729叙述了一种使烟草体积膨胀的方法，在该方法中用气态二氧化碳浸渍烟草，浸渍的条件使二氧化碳基本上保持气态。对烟草在浸渍步骤前的预冷或在浸渍期间用外加装置对烟草床的冷却加以限制，以避免二氧化碳有任何明显的冷凝。
共同转让的美国专利4，235，250叙述了一种使烟草体积膨胀的方法，在该法中用气态二氧化碳在二氧化碳基本上保持气态的条件下浸渍烟草。在减压过程中一些二氧化碳在烟草内转化成部分凝聚的状态。该专利指出，以这样的方法控制二氧化碳的焓以减少二氧化碳凝聚。
共同转让的美国再颁专利32，013叙述了一种用来膨胀烟草体积的方法和装置，其中用液态二氧化碳浸渍烟草，就地将液态二氧化碳转化成固态二氧化碳，然后将固态二氧化碳汽化，使烟草膨胀。
本发明方法使用二氧化碳气与控制量的液态二氧化碳相结合，如下所述，业已发现本发明方法克服了先有技术的缺点并提供了一种改进的膨胀烟草的方法。小心地控制欲膨胀的烟草在与二氧化碳接触之前的水分含量。在整个浸渍过程中仔细控制烟草的温度。使饱和的二氧化碳气彻底地浸渍烟草，浸渍的条件最好是使烟草上凝聚控制数量的二氧化碳。在浸渍完成之后，减小增高的压力，借此将烟草冷却到所希望的出口温度。由于二氧化碳气膨胀和冷凝的二氧化碳自烟草中蒸发，烟草被冷却。然后将形成的含二氧化碳的烟草置于某种温度和压力条件下，最好是在大气压下快速加热，使二氧化碳浸渍剂膨胀并且引起烟草膨胀，从而得到密度降低和体积增大的烟草。
与用液体CO2浸渍的烟草相比，按照本发明浸渍的烟草用较少的能量即可膨胀，例如，在相近的停留时间下可以使用温度低得多的气流。
此外，本发明通过在比过去采用的更广的温度范围内进行膨化，使最终烟草产品中的化学组分和有味成分，例如还原性糖和生物碱，在更大的程度上得到控制。
本发明在广义上涉及用容易得到的、比较廉价的、不燃和无毒的膨胀剂膨化烟草的方法。更具体地说，本发明涉及密度大大降低和填充力显著提高的膨化烟草产品的制造，其制造方法是，用饱和的气态二氧化碳和控制量的冷凝液体二氧化碳在压力下浸渍烟草，快速减压，于是造成烟草膨胀。可以通过使浸渍过的烟草经受热、辐射能或类似的会使二氧化碳浸渍剂迅速膨胀的产生能量的条件来完成膨化。
为进行本发明的方法，可以处理整个的晒制的烟叶，烟丝或碎烟叶，或者挑选出的烟草的某些部分，例如烟叶梗甚至再造烟草。在粉碎的形式下，所浸渍的烟草最好是粒度在约6目至约100目之间，烟草的粒度不小于约30目则更好。这里所用的“目”是指美国标准筛，这些数值反映了指定大小的粒子有95%以上能通过指定目值的筛。
这里所用的温度%可以认为与烘箱挥发物含量(OV)相当;因为水以外的挥发物不多于烟草重量的约0.9%。烘箱挥发物的测定是简单地测量烟草在控制在212°F(100℃)的循环空气烘箱内暴露3小时后的重量损失。重量损失占初始重量的百分数即是烘箱挥发物含量。
本发明的上述及其它的目的和优点由于对以下结合附图的详细说明和代表性实施例的讨论而变得显而易见，其中相同的试验编号在本文中均代表相同的试验，其中
图1是二氧化碳的标准温度一熵图;
图2是体现本发明一种形式的膨化烟草方法的简化方框图;
图3是由在250磅/平方英寸(绝对压强)(1723.5KPa)和-18℃下浸渍的烟草放出的二氧化碳对烟草浸渍后的时间作图，烟草的OV含量约为12%、14%、16.2%和20%;
图4是在烟草中保留的二氧化碳重量%对三种不同OV的烟草的放气后时间作图;
图5是膨胀烟草的平衡园柱体积(CV)对烟草膨胀前的保持时间作图，烟草的OV含量的为12%和21%;
图6是膨化烟草的比容对烟草膨胀前的保持时间作图，烟草的OV含量约为12%和21%;
图7是膨化烟草的平衡CV对膨胀塔出口OV含量作图;
图8是烟草中还原糖百分含量的减少对膨胀塔出口处OV含量作图;
图9是烟草中生物碱百分含量的减少对膨胀塔出口处OV含量作图;
图10是一个浸渍容器的示意图，标出了烟草床中各个部位在放气后的烟草温度。
图11是膨化烟草的比容对浸渍后膨胀前的保持时间作图;
图12是膨化烟草的平衡CV对浸渍后膨胀前的保持时间作图;
图13是烟草温度对烟草OV作图，标出了对于在800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)下浸渍的烟草为达到适当的稳定性(例如放气后在膨胀前保持约1小时)所需的预冷量。
一般说来，欲处理的烟草的OV含量应至少约12%，并且小于约21%，虽然OV含量较高或较低的烟草也可以根据本发明成功地浸渍。最好是，欲处理的烟草的OV含量约为13%至15%。低于约12%OV，烟草太容易破裂，造成大量的烟草末。高于约21%OV，需要大量的预冷量以达到含格的稳定性，并且要求放气后温度很低，结果产生容易破碎的发脆的烟草。
要膨化的烟草一般以能和二氧化碳适当接触的方式置于压力容器中。例如，可以用线网带或平台支承容器内的烟草。
对于间歇式浸渍法，最好用二氧化碳气吹洗含烟草的压力容器，吹洗操作一般耗时约1到4分钟。吹洗步骤可以免去，不损害最终产物。吹洗的好处是除掉可能干扰二氧化碳回收的气体和除掉可能干扰二氧化碳充分渗透的夹杂气体。
在本发明方法中使用的气态二氧化碳一般由贮气罐得到，二氧化碳在贮气罐中在从约400(2758KPa)至约1050磅/平方英寸(表压)(7239KPa)的压力下保持饱和的液态形式。贮气罐可以由自压力容器中排放的气态二氧化碳再压缩供料。补充的二氧化碳可以从贮器中得到，通常二氧化碳在贮器中在从约215至约305磅/平方英寸(表压)(1482-2103KPa)的压力和从约-20°F(-28.9℃)至约0°F(-17.8℃)的温度下保持液态形式。来自贮器中的液态二氧化碳可以与再压缩的气态二氧化碳混合并贮存在贮气罐中。或者是，可以用例如围绕进料管的合适的加热旋管将来自贮器的液态二氧化碳在引入到压力容器之前预热到约0°F(-17.8℃)至约84°F(29℃)的温度和约300至约1000磅/平方英寸(表压)(2068-6894KPa)的压力。在将二氧化碳引入到压力容器中之后，容器的内部，包括要处理的烟草，一般处在从约20°F(-6.7℃)至约80°F(26.7℃)的温度下，其压力应足以保持二氧化碳气处在或基本上处在饱和状态。
烟草的稳定性，即，浸渍过的烟草在减压后和最后膨胀步骤之前可以贮存并且仍可令人满意地膨胀的时间长短，取决于初始烟草的OV含量(即，浸渍前的OV含量)和压力容器放气后的烟草温度。对于达到同样的稳定性而言，初始OV含量高的烟草所要求的放气后烟草温度比初始OV含量低的烟草所要求的低。
为测定OV含量对于在250磅/平方英寸(表压)(1723.5KPa)和-18℃下用二氧化碳气浸渍的烟草稳定性的影响，将称过重量的烤烟样品(通常约60克至70克)放在一个300毫升的压力容器中。然后将容器浸没在温度设定为-18℃的控温浴中。在容器和浴达到热平衡之后，用二氧化碳气吹洗该容器。随后将容器加压到约250磅/平方英寸(表压)。(1723.5KPa)。将二氧化碳的压力维持成比-18℃时二氧化碳的饱和压力至少低20至30磅/平方英寸(1379-2068KPa)，以保证气相浸透。在烟草于压力下浸渍了约15至60分钟后，通过向大气排放，在大约3至4秒内将容器压力迅速降至大气压力。立即关闭放气阀，将留在压力容器内的烟草在-18℃的控温浴内浸泡约1小时。在约1小时后，将容器温度在约2小时内升高到约25℃以便放出留在烟草中的二氧化碳。用一台带有LABTECH版本4数据采集软件(得自Laborator-ies Technologies公司)的IBM兼容计算机连续监测容器的压力和温度。在恒定温度下烟草在不同时间放出的二氧化碳数量可以根据容器在不同时间的压力计算。
图3比较了如上所述用二氧化碳气在-18℃和250磅/平方英寸(绝对压力)(1723.5KPa)下浸渍的，OV含量约为12%、14%、16.2%和20%的烤烟的稳定性。OV含量约为20%的烟草在-18℃15分钟后失去了所吸收二氧化碳的约71%，而OV含量约12%的烟草在60分钟后只失去了所吸收二氧化碳的约25%。将容器温度提高到25℃之后放出的二氧化碳总量是二氧化碳总吸收量的标志。这一数据表明，对于在相近的压力和温度下浸渍的情形，随着烟草中OV含量的增加，烟草的稳定性下降。
为了达到足够的烟草稳定性，当要膨化的烟草的起始OV含量约为15%时，在压力容器放气后的烟草温度最好是约为0°F(-17.8℃)至10°F(-12.2℃)。起始OV含量大于约15%的烟草，放气后的温度应低于约0°F(-17.8℃)至10°F(-12.2℃)，而起始OV含量少于15%的烟草可以保持温度高于约0°F(-17.8℃)至10°F(-12.2℃)，以便达到程度相近的稳定性。例如，图4说明了在各种OV含量下放气后烟草温度对烟草稳定性的影响。图4表明，OV含量较高(约21%)的烟草要求放气后温度较低(约-35°F)(-37.4℃)，以使其二氧化碳在各个时间的保留量与OV含量低低(约12%)、放气后温度约为0°F(-17.8℃)至10°F(-12.2℃)的烟草相近。图5和图6分别表示了烟草OV含量和放气后温度对烟草的平衡CV及比容的影响，该烟草是在所示的放气后温度下保持了所示时间后膨化的烟草。
图4、5和6是以第49、54和65次试验的数据为基础的。在每次试验中，都将烤烟放在总容积为3.4立方英尺(0.096m)的压力容器中，其中的2.4立方英尺(0.068m)为烟草占据。在第54和65次试验中，压力容器中放置了约22磅(9.97Kg)20%OV的烟草。该烟草在用二氧化碳气加压到约800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)之前，先用二氧化碳流过容器约4到5分钟预冷，，第54次和65次试验的二氧化碳压力分别为约421和约153磅/平方英寸(表压)(2909-1055KPa)。
可以控制浸渍压力、二氧化碳与烟草的质量比和烟草的热容，使得在特定的环境下，需要凝聚态二氧化碳气化所提供的致冷量与二氧化碳气在减压膨胀时提供的冷却相比达到极小。
在第49、54和65各次试验中，在浸渍压力达到约800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)之后，将系统的压力在约800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)下保持约5分钟，然后在约90秒内将容器快速减压至大气压。对于第54次和第65次试验，计算了在冷却后加压期间冷凝在每磅烟草上的二氧化碳质量并列表如下。浸渍过的烟草在干燥气氛中保持其放气后的温度，直到它在一个直径3英寸(76.2mm)的膨胀塔中通过与设定在所示温度和速度约135英尺/秒(44.1ms-1)的气流接触不到约5秒钟进行膨胀。
度，取决于很多因素，包括烟草减压后到膨胀前这段时间的长短。因此，理想的放气后温度应该根据所要求的烟草稳定性程度来选择。
所要求的放气后烟草温度可以通过任何合适的方法来达到，包括在引入压力容器之前将烟草预冷，利用冷二氧化碳吹洗或其它合适方法将烟草在压力容器中就地冷却，或是利用流动二氧化碳气扩张就地真空冷却。真空冷却的优点是降低烟草的OV含量而不使烟草受热变质。真空冷却还除去了容器中的不冷凝的气体，从而能免掉吹洗步骤。真空冷却可以有效地并且实际可行地用来将烟草温度降低到低至约30°F(-1℃)。最好是将烟草在压力容器中就地冷却。
为达到所要求的放气后烟草温度，所需要的预冷或就地冷却之量取决于二氧化碳气在减压期间膨胀产生的致冷量。由于二氧化碳气膨胀而冷却的烟草数量与二氧化碳气和烟草的质量比、烟草的热容、最终的浸渍压强和系统的温度等因素有关。因此，对于指定的浸渍过程，当烟草的进料和系统压力、温度及体积固定时，可以通过控制允许冷凝在烟草上的二氧化碳量来实现对烟草在放气后最终温度的控制。因烟草中冷凝的二氧化碳的汽化而冷却的烟草数量，是冷凝二氧化碳与烟草的质量比、烟草的热容、体系的温度或压力等的函数。
所要求的烟草稳定性由所用的浸渍及膨胀方法的具体方案决定。图13图示说明了对于某一具体方法的方案为达到所要求的烟草稳定性所需的放气后烟草温度与OV的关系。下部的阴影区200表示了由二氧化碳气膨胀而产生的致冷量，上部的250区表示为达到所要求的稳定性，需要由二氧化碳液体气化补充的致冷量与烟草OV含量的关系。对于这一实例，当烟草的温度处在或低于“稳定性”线所示的温度时，烟草具有足够的稳定性。决定烟草放气后温度的过程变量包括前面计论过的各变量和其它变量，包括(但不限于)容器温度、容器质量、容器体积、容器构型、流动的几何形状、设备的取向、向容器壁的传热速度，以及过程指定的在浸渍与膨胀之间的停留时间。
对于示于图13中的压力的800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)、放气后保持时间约为1小时的过程，12%OV的烟草不需要预冷来达到所要求的稳定性，而21%OV的烟草要求充分预冷来达到约-35°F(-37.4℃)的放气后温度。
本发明要求的从约-35°F(-37.4℃)至约20°F(-6.7℃)的放气后烟草温度比使用液态二氧化碳作为浸渍剂时的放气后温度(约-110°F)(-79℃)要低得多。放气后烟草温度较高和烟草的OV较低使得膨化步骤能在低得多的温度下进行，结果使膨化过的烟草烘烤量小，香味损失少。另外，使烟草膨化所需的能量较少。再者，因为形成的固体二氧化碳即使有也很少，所以浸渍过的烟草易于处理。与只用液态二氧化碳浸渍的烟草不同，根据本发明浸渍的烟草不会形成必须机械破碎的团块。因此，可用烟草的产率较高，因为它免去了团块破碎步骤，而这一步骤会产生小得不能作香烟的烟末。
另外，与任何OV含量的烟草在约-110°F(-79℃)下不同，从约21%OV的烟草在约-35°F(-37.4℃)到约12%OV的烟草在约20°F(-6.7℃)都不发脆，因此，处理时损坏极小。这一性质使得可用烟草的产率较大，因为在正常的处理过程中，例如在压力容器的泄料期间或从压力容器转移到膨胀区期间，烟草的机械破坏较小。
浸渍过的烟草膨胀期间的化学变化，例如加热时还原性糖和生物碱的损失，可以通过将出口处烟草的OV，即刚刚膨胀后烟草的OV含量，增加到约6%OV或更高来减小。这可以通过降低膨胀步骤的温度来实现。通常，烟草出口OV的增加与所达到的膨胀量的减小相联系。膨胀量的减小与烟草原始进料的OV含量很有关系。随着烟草进料OV含量减少到约13%，即使在排出膨胀装置时烟草水分含量约为6%或更高，所观察到的膨胀度降低也极小。因此，如果将进料的OV含量和膨胀温度降低，可以实现出乎意料的良好膨胀，而化学变化极小。这一点示于图7、8和9。
图7、8和9是基于从2241到2242次试验和2244至2254次试验的数据。这一数据列在表2。在各次试验中都将数量测定过的烤烟放在与实施例1所述的类似的压力容器中。
在试验2241和2242中用表压430磅/平方英寸(2964KPa)的液态二氧化碳浸渍烟草。将烟草在液态二氧化碳中浸泡约60秒，然后让多余的液体流走。迅速地将容器减压至大气压，就地形成了固态二氧化碳。随后从容器中取出浸渍过的烟草，可能形成过的任何团块都会破碎。然后使烟草在一个8英寸(203mm)的膨胀塔中与设定在所示温度和流速为85英尺/秒(25.9ms-1)的75%蒸汽/空气混合物接触不到约4秒钟以使烟草膨胀。
用一台Bran Luebbe(前称Technicon)连续流动分析系统测定膨胀前后烟草的尼古丁生物碱和还原性糖含量。用乙酸水溶液萃取烟草中的尼古丁生物碱和还原性糖。先将提取物渗析，除掉对两种测定的主要干扰物。还原性糖利用它们与对羟基苯甲酸酰肼在85℃于碱性介质中的生色反应测定。尼古丁生物碱利用它们与氯化氰在芳香胺存在下的反应测定。烟草中生物碱或还原性糖含量的减少是烟草的化学组分和有味成分发生损失或变化的标志。
试验2244至2254是根据实施例1中所述的方法用气态二氧化碳在800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)下浸渍。为了研究膨胀温度的影响，将一次浸渍中得到的烟草在不同温度下膨胀。例如，将325磅(147Kg)烟草浸渍，然后在约1小时的时间内取3份样品分别在500°F(260℃)、550°F(288℃)和600°F(315.5℃)试验和膨胀，代表试验2244、2245和2246。为了研究OV含量的影响，将OV含量约为13%、15%、17%和19%的各批烟草进行浸渍。在试验编号之后的第一次、第二次或第三次等标志表示从某个特定浸渍过程中得到的烟草的膨胀次序。浸渍过的烟草在8英寸(203mm)的膨胀塔中与设定在所示温度、速度约为85英尺/秒(25.9ms-1)的75%蒸汽/空气混合物接触不到约4秒钟进行膨胀胀。按上述的同样方式测定烟草的生物碱和还原性糖的含量。
参看图2，将欲处理的烟草引入干燥机10，烟草于其中从含水约19%至28%(重量)干燥成含水约12%至21%(重量)，最好是含水约13%至15%(重量)。可以用任何合适的方法进行干燥。干燥过的烟草可以大批地贮存在筒仓中以供后面的浸渍和膨胀之用，也可以在适当的温度调节之后直接送入压力容器30中。
任选地，可以用称量带式运输器量出一定数量的干燥烟草并装在烟草冷却装置20内的传送带上以便在浸渍前进行处理。烟草在烟草冷却装置20内用任何常规的方法，包括冷冻方法，冷却到低于约20°F(-6.7℃)，最好是低于约0°F(-17.8℃)，然后再送入压力容器30中。
将冷却过的烟草经过烟草进料管31送入压力容器30中，烟草于其中沉积。然后用气态二氧化碳吹洗压力容器30以除去容器30中的任何空气或其它不冷凝的气体。进行吹洗的方式以容器30中的烟草温度无明显升高为佳。最好是，用任何合适的方式处理这一吹洗步骤的流出气以便回收二氧化碳再加利用，或是经过管道34排放到大气中。
在吹洗步骤之后，将二氧化碳气从压力保持在约400至约1050磅/平方英寸(表压)(2758-7239KPa)的贮罐50引入到压力容器30中。当容器30内的压力达到约300至500磅/平方英寸(表压)(2068-3447KPa)时，开启二氧化碳出口管32使二氧化碳流过烟草床体，烟草被冷却到某个基本上均匀的温度，同时保持容器30的压力在约300至约500磅/平方英寸(表压)(2068-3447KPa)之间。在达到基本上均一的温度之后，关上二氧化碳出口管32，容器30的压力由于二氧化碳气的进入而增加到约700至1000磅/平方英寸(表压)(4826-6894KPa)，最好是约800磅/平方英寸(5515KPa)。然后关闭二氧化碳入口管33。这时，烟草床的温度近似等于二氧化碳的饱和温度。虽然可以经济合算地使用高至1050磅/平方英寸(表压)的高压，而且可以采用等于二氧化碳临界压力(1057磅/平方英寸，表压)(7287KPa)的压力，但是除了可利用的设备的能力和超临界二氧化碳对烟草的影响所施加的限制之外，可使用的浸渍压力范围没有已知的上限。
在压力容器加压期间，最好是沿着某一热力学途径，使可控数量的二氧化碳气冷凝在烟草上。图1是二氧化碳的标准温度(°F)-熵(Btu/磅°F)图，线Ⅰ-Ⅴ图示说明了根据本发明的一条热力学途径。例如，将约65°F(18.3℃)的烟草放在压力容器中(在Ⅰ处)，容器的压力增加到约300磅/平方英寸(表压)(2068KPa)(如图中Ⅰ-Ⅱ的直线所示)。然后在约300磅/平方英寸(表压)(2068KPa)下用流动冷却的二氧化碳将容器冷却到约0°F(-17.8℃)(如图中Ⅱ-Ⅲ的直线所示)。向容器中引入补充的二氧化碳，压力升高到约800磅/平方英寸(表压)(5551KPa)，温度升至约67°F(19.4℃)。但是，因为烟草的温度低于二氧化碳的饱和温度，在烟草上将均匀地冷凝控制数量的二氧化碳气(图中线Ⅲ-Ⅳ所示)。在体系于约800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)下保持所要求的一段时间之后，将容器快速减压至大气压，结果使放气后的温度约为-5°F至-10°F(-20.6至-23.3℃)(如图中线Ⅳ-Ⅴ所示)。
烟草在加压前先就地冷却到约10°F(-12.2℃)会使一定数量的饱和二氧化碳气冷凝。冷凝一般会造成液态二氧化碳在整个烟草床中基本上均匀分布。这一液态二氧化碳在放气阶段的气化有助于烟草以均匀的方式冷却。浸渍后烟草的温度均匀会产生膨化更为均匀的烟草。
这种均匀的烟草温度示于图10，该图是实验28中所用的浸渍容器100的示意图，示出了整个烟草床的不同部位在放气后的温度(°F)。例如，发现离容器100顶面3英寸(914mm)的横截面120处的温度约为11°F、7°F、7°F和3°F(11.7，-14，-14和-16℃)。将大约1800磅(815Kg)OV含量约为15%的烤烟放在5英尺(内径)×8.5英尺(高)的压力容器中。用二氧化碳气吹洗容器约30秒，然后用二氧化碳气加压至约350磅/平方英寸(表压)(2413KPa)接着，在350磅/平方英寸(表压)(2413KPa)下流动冷却12.5分钟，将烟草床冷却到约1.0°F(-12.2℃)。随后将容器压力升高到约800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)，保持约60秒，然后在约4.5分钟内快速减压。测定烟草床各个部位的温度，发现温度基本均匀，其情形如图10所示。计算得出每碲烟草上约冷凝了0.26磅二氧化碳。
回到图2，压力容器30内的烟草在约800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)的二氧化碳下保持约1至300秒，最好是约60秒。已经发现，烟草与二氧化碳的接触时间，即，烟草为了吸收所要求数量的二氧化碳而必须保持持二氧化碳的接触的时间，受烟草的OV含量和使用的浸渍压力的强烈影响。与起始OV含量低的烟草相比，为了在指定压力下达到相近的浸渍度，起始OV含量高的烟草需要的接触时间较短，尤其是在压力较低时。在较高的浸渍压力下，烟草OV含量对与二氧化碳气接触时间的影响减小。这一情形示于表3中。
在烟草已充分浸渍后，先将压力容器中的二氧化碳排放到二氧化碳回收装置40中，然后再通过管道34放入大气，使压力容器快速减压至大气压，这一过程在从约1秒至300秒内完成，取决于容器的尺寸。已冷凝在烟草上的二氧化碳在这一放气步骤中气化，促进了烟草冷却，结果使烟草放气后的温度约为-35°F至20°F(-37.4至-6.7℃)。
凝聚在烟草中的二氧化碳量优选的是每磅烟草0.1至0.9磅的范围。最好的范围是每磅烟草0.1至0.3磅，但在许多
情况下每磅烟草达0.5或0.6磅是适合的。
压力容器30中的浸渍过的烟草可以用任何合适的方法立即膨化，例如，送入膨胀塔70中。或者是，可以将浸渍过的烟草在烟草转移装置60中于放气后的温度下保持约1小时以备随后膨胀，装置60内保持干燥气氛，即，露点低于放气后的温度。在膨化之后，如果需要的话经过重组，烟草可以用来制造烟草产品，包括香烟。
以下实施例作为举例说明
实施例1将OV含量15%的240磅(109kg)烤烟填料样品冷却到约20°F(-6.7℃)，然后放入直径约2英尺、高约8英尺的(2440mm)的压力容器中。用二氧化碳将容器加压到约300磅/平方英寸(表压)(2068KPa)。随后用接近饱和状态的二氧化碳冲洗约5分钟，使烟草冷却到0°F(-17.8℃)左右，同时保持容器的压力约为300磅/平方英寸(表压)(2068KPa)，接着用二氧化碳气加压至约800磅/平方英寸。容器压力在约800磅/平方英寸(表压)(5515KPa)下保持约60秒。在约300秒内将容器放气，使压力降至大气压，在这之后发现烟草温度约为0°F(-17.8℃)。根据烟草温度、体系压力、温度、体积、以及放气后的烟草温度算出每磅烟草上冷凝了约0.29磅二氧化碳。
浸渍过的样品重量增加约2%，这是由于二氧化碳的渗透。然后在1小时期间内使浸渍过的烟草在8英寸(203mm)直径的膨胀塔内与75%蒸汽/空气混合物接触加热，接触时间少于约2秒，蒸汽/空气混合物的温度约为550°F，速度约为85英尺/秒(29.5ms)。排出膨胀塔的产品的OV含量约为2.8%。将产品在75°F(24℃)和相对湿度60%的标准条件下平衡约24小时。用标准化的园柱体积(CV)试验测定平衡产物的填充力。在平衡含水量为11.4%时的CV值为9.4立方厘米/克。未经膨胀的对照样品在平衡含水量12.2%时园柱体积为5.3立方厘米/克。因此，根据CV法测定的结果，处理后样品的填充力增加77%。
在试验2132-1至2135-2研究了浸渍后到膨胀前的保持时间对膨化烟草SV和平衡CV的影响。在2132-1、2132-2、2134-1、2134-2、2135-1和2135-2各次试验中，都是将225磅OV含量15%的烤烟放在实施例1中所述的同样压力容器中。用二氧化碳气将容器加压至约250至300磅/平方英寸(1723-2068KPa)。然后将烟草按实施例1所述的同样方式冷却，同时保持容器压力约为250至300磅/平方英寸(表压)(1723-2068KPa)。接着用二氧化碳气将容器加压至约800磅/平方英寸(5515KPa)。保持这一压强约60秒，随后在约300秒内将容器放气至大气压。浸渍过的烟草在膨胀前保持在露点低于烟草放气后温度的环境中。图11图示说明了浸渍后的保持时间对膨化烟草比容的影响。图12说明了浸渍的保持时间对膨化烟草平衡CV的影响。
实施例2将19磅OV含量为15%的烤烟填料放在一个3.4立方英尺的压力容器中。用二氧化碳气将容器加压至约185磅/平方英寸(表压)(1276KPa)。然后用接近饱和状态的二氧化碳气冲洗约5分钟，使烟草冷却到约-25°F(-31.7℃)，同时保持容器压力约为185磅/平方英寸(1276KPa)。然后用二氧化碳气加压到约430磅/平方英寸(表压)(2965KPa)。容器压力在约430磅/平方英寸下保持约5分钟。利用放气，在约60秒内将容器压力降压大气压，这样作之后，发现烟草的温度约为-29°F(-33.9℃)。根据烟草温度、体系压力、温度和体积，算出每磅烟草约冷凝上0.23磅二氧化碳。
浸渍过的样品增重约2%，这是二氧化碳渗入造成的。在1小时期间内将浸渍过的烟草在一个直径3英寸(76.2mm)的膨胀塔内与100%的蒸汽接触加热，接触时间少于约2秒，蒸汽温度约为525°F(274℃)，速度约为135英尺/秒(41ms)。排出膨胀塔的产物的OV含量约为3.8%。将产物在75°F(24℃)和相对湿度60%的标准条件下平衡约24小时。用标准化的园柱体积(CV)试验测定平衡产物的填充力。在平衡含水量11.0%下的平衡CV值为10.1立方厘米/克。一个未经膨胀的对照样品在平衡含水量11.6%时的园柱体积为5.8立方厘米/克。因此，根据CV法的测定结果，处理后的样品的填充力增加74%。
“园柱体积”一词是用来量度烟草膨胀度的单位。正如在本申请从头到尾所使用的，与这些名词有关的所用数值按以下方式确定园柱体积(CV)称取20克(未膨化的)或10克(膨化的)烟草填料，放在直径6厘米的比重计园筒内(DD-60型，Heinr Borgwaldt公司设计，Hheinr Borgwaldt GmbH，Schnackenburg-allee No.15，Postfack 54 07 02，2000 Hamburg 54，West Germany)。将一个直径5.6厘米的2千克重的活塞在园筒内的烟草上放置30秒。读出被压缩的烟草的最终体积，用它除以烟草样品的重量，得到用立方厘米/克表示的园柱体积。此试验确定了指定重量烟草填料的表观体积。填料的最终体积作为园柱体积列出。此试验在75°F和相对湿度60%的标准环境条件下进行;除非另外说明，通常将样品在此环境下预调理24-48小时。
比容(SV)“比容”一词是用理想气体定律的基本原理量度固态物体(例如烟草)的体积和真密度所用的单位。比容由密度取倒数来确定，用“立方厘米/克”表示。将一个在100℃干燥3小时的“原样”烟草或平衡了的烟草的称重样品放在一个Quantachrome Penta比重计的池中。后用氦吹洗该池并加压。比较被烟草顶替的氦的体积和为充满空样品池所需的氦的体积，根据阿基米德原理确定烟草的体积。正如在整篇申请中所使用的，除非有不同的说明，均用测定OV所用的同一烟草样品测定比容，即，在控制制于100℃的循环空气烘箱中干燥3小时后的烟草。
虽然已参照优选的实施方案具体列出和说明了本发明，但是本领域技术人员会了解，可以作出各种形式上和细节上的变化而不偏高本发明的精神和范围。例如，随着用来浸渍烟草的设备尺寸的变化，为达到所要求的压力(或放气或适当冷却烟草床)所需的时间将会改变。
权利要求
1.一种膨化烟草的方法，该方法包括下列步骤(a)在约400至纺1057磅/平方英寸(表压)(2758KPa至7287KPa)的压力和使二氧化碳处于或接近饱和条件下的温度将烟草与二氧化碳气相接触；(b)将烟草与二氧化碳接触的时间足以使二氧化碳浸渍烟草；(c)释放压力；(d)然后将烟草置于烟草被膨化的条件；(e)在步骤(a)之前，从烟草中除去足够的热量，使控制量的二氧化碳在烟草上凝聚，使在步骤(c)释放压力后烟草被冷却到约-35°F至约20°F(-37.4℃至-6.7℃)的温度。
2.权利要求1的方法，其中烟草的初始OV(烘箱挥发物)含量为约12%至约21%。
3.权利要求1的方法，其中烟草的初始OV含量为约13%至约16%。
4.权利要求2或3的方法，其中将烟草与二氧化碳接触的步骤是在约650至约950磅/平方英寸(表压)(4482至6549KPa)的压力下进行行的。
5.权利要求1至4任一项的方法，其中除热步骤(e)包括步骤(a)的烟草与二氧化碳进行接触前将烟草预冷。
6.权利要求1至4任一项的方法，其中除热步骤(e)包括步骤(a)的烟草与二氧化碳进行接触前包括预冷。
7...″″″螅兜姆椒 其中预冷是将烟草处于部分真空中进行的。效的。
8.权利要求6的方法，其中预冷是包括将二氧化碳气流经烟草。
9.权利要求8的方法，其中预冷包括将烟草处于部分真空。
10.权利要求1至6、8和9任一项的方法，其中除热步骤(e)包括将烟草冷却至10°F(-12.2℃)或更低。
11.权利要求1至10任一项的方法，其中烟草被保持与二氧化碳接触约1秒至约300秒的时间。
12.权利要求1至11的任一项的方法，其中步骤(c)的释放压力进行1秒至300秒的时间。
13.权利要求1至12的方法，其中每磅烟草有0.1至0.6磅二氧化碳凝聚在烟草上。
14.权利要求1至13的方法，该方法进一步包括在步骤(c)释放压力后和将烟草置于烟草被膨化的条件前将浸渍的烟草保持在露点不大于烟草温度的气氛的步骤。
15.权利要求1至14的方法，其中烟草是在保持于约300°F至约800°F(149℃至427℃)的温度的环境中加热膨化约0.1秒至约5秒的时间。
16.具有初始OV含量在约13%至约16%的烟草膨化方法，该方法包括下列步骤(a)在约300至550磅/平方英寸(表压)(2068至3792KPa)的压力和二氧化碳处于或接近饱和条件的温度下将烟草与二氧化碳气接触;(b)当与烟草接触的二氧化碳的压力维持在约300至约550磅/平方英寸(表压)(2068至3792KPa)时，充分冷却烟草，使控制量的二氧化碳在步骤(e)的释放压力前凝聚在烟草上，使烟草在步骤(e)释放压力后能冷却至约-10°F至约20°F(-23.3℃至-6.7℃)。(c)在维持二氧化碳处于或接近饱和条件的同时，增加与烟草接触的二氧化碳气的压力至约750至950磅/平方英寸(表压)(5170至6549KPa);(d)将烟草与二氧化碳接触足够的时间以使二氧化碳浸渍烟草;(e)释放压力;(f)然后将烟草置于烟草被膨化的条件下。
17.权利要求16的方法，其中步骤(b)的烟草冷却包括用二氧化碳气流经烟草。
18.权利要求10的方法，该方法进一步包括在步骤(a)用二氧化碳气与烟草接触之前从烟草除去热量的步骤。
19.权利要求18的方法，其中在步骤(a)的用二氧化碳接触烟草之前的除热是将烟草处于部分真空。
20.权利要求16、17、18或19的方法，其中在步骤 (e)释放压力后烟草温度低于约10°F(-12.2℃)。
21.权利要求20的方法，该方法进一步包括在步骤(e)的释放压力后、烟草处于烟草膨化条件前将浸渍的烟草保持在露点不大于烟草温度气氛中。
22.权利要求16的方法，其中将烟草处于烟草被膨化的条件的步骤(f)包括在约350°F至约550°F(177℃至288℃)的温度下以流体接触烟草少于4秒钟，流体选自水蒸气、空气和它们的组合。
23.权利要求16、17、18或19的方法，其中每磅烟草有约01室约0.9磅二氧化碳凝结在烟草上。
24.初始OV含量在约13%。至约16%的膨化烟草的方法，该方法包括如下步骤(a)将烟草预冷却(b)将二氧化碳保持在或接近于饱和条件;同时在约750至约950磅/平方英寸(表压)(5170至6549KPa)的压力下用二氧化碳气接触烟草;(c)使烟草与二氧化碳的接触时间足以使二氧化碳浸渍烟草;(d)释放压力;(e)此后将烟草处于烟草被膨化的条件。
25.权利要求24的方法，其中烟草温度在步骤(d)释放压力后低于约10°F(-12.2℃)。
26.权利要求25的方法，该方法进一步包括在步骤(d)释放压力后、烟草处于烟草被膨化条件前将浸渍的烟草保持在露点不大于烟草温度的气氛中。
27.权利要求26的方法，其中步骤(e)的将烟草处于烟草被膨化的条件包括在约350°F至约550°F(177℃至288℃)以流体接触烟草少于约4秒钟;流体选自水蒸汽、空气和它们的组合。
28.权利要求24的方法，其中每磅烟草有约0.1至约0.3磅的二氧化碳凝结在烟草上。
29.初始OV含量为约15%至约19%的膨化烟草的方法，该方法包括如下步骤(a)将烟草置于部分真空，以冷却烟草并就地降低烟草的OV;(b)保持二氧化碳于或接近饱和条件，同时在约750至约950磅/平方英寸(表压)(5170至6549KPa)的压力下用二氧化碳气接触烟草;(c)使烟草接触二氧化碳的时间足以使二氧化碳浸渍烟草;(d)释放压力;(e)此后将烟草处于被膨化的条件。
30.权利要求29的方法，其中在压力释放后烟草的温度低于约10°F(-12.2℃)。
31.权利要求30的方法，该方法进一步包括在步骤(d)释放压力后、烟草处于烟草被膨化条件前将浸渍的烟草保持在露点不大于烟草温度的气氛中。
32.权利要求31的方法，其中步骤(e)的将烟草处于烟草被膨化的条件包括在约350°F至约550°F(177℃至288℃)以流体接触烟草少于4秒钟;流体选自水蒸汽、空气和它们的组合。
33.权利要求32的方法，其中每磅烟草有约0.1至约0.3磅二氧化碳凝结在烟草上。
34.按权利要求1、16、24或29的方法制备的烟草的烟草产品。
全文摘要
提供了采用二氧化碳气膨化烟草的方法。在用二氧化碳接触烟草前调节烟草温度和OV(烘箱挥发物)。浸渍过程遵循热力学途径，使控制量的二氧化碳凝聚在烟草上。减压时液态二氧化碳挥发，烟草床均匀冷却。浸渍后，烟草可立即膨化或在一干燥气氛中保持在或低于放气后的温度以备其后的膨化。
文档编号A24B15/28GK1068022SQ9210475
公开日1993年1月20日 申请日期1992年6月17日 优先权日1991年6月18日
发明者K·H·乔, T·J·克拉克, J·M·多布斯, E·B·费希尔, J·M·G·尼波穆塞诺, R·普拉萨德 申请人:菲利普莫里斯生产公司