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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung
von zerkleinertem Tabakmaterial. Insbesondere betrifft sie die Herstellung
von zerkleinertem Tabakmaterial durch Zerfaserung, und speziell
wird mit der Erfindung ein Tabakrippenmaterial so zerfasert, dass
ein Produkt mit ganz besonders vorteilhaften Eigenschaften hergestellt
wird, welches letztendlich zur Herstellung von Rauchartikeln verwendet
werden kann.
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Bei
der Tabakvorbereitung, d.h. bei denjenigen Verarbeitungsprozessen,
die vor der eigentlichen Zigarettenherstellung und Verpackung stattfinden,
werden die wichtigsten Tabakmaterialien, nämlich Tabakblätter (Lamina)
und Tabakrippen (Stems) mehreren Prozessschritten unterzogen, bevor
sie für die
Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden können. Rauchartikel können dabei
z.B. Zigaretten, Zigarillos, Rolls- und Sticks-Produkte sowie auch Feinschnitt
oder Pfeifentabak sein. In all diesen Rauchartikeln können auch
Tabakrippen zumindest teilweise verwendet werden.
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Die
genannten Tabakrippen können
ganze Tabakrippen sein, die im Folgenden auch Rohrippen genannt
werden, oder unvollständig
zerkleinerte Rohrippen, die im Folgenden auch Winnowings genannt
werden. Winnowings sind grob zerkleinerte Rippenteilchen, die in
der Regel durch Sichtprozesse aus bereits zerkleinertem Tabak aussortiert
werden, da sie aufgrund ihrer Größe und Form
in Rauchartikeln unerwünscht
sind und die Rauchartikelqualität verschlechtern
würden.
Man unterscheidet noch Winnowings aus der Zigarettenherstellung (ZHV-Winnowings
= Winnowings aus Zigarettenherstellung/Verpackung) und solche aus
der Tabakvorbereitung (TV-Winnowings). Winnowings werden üblicherweise
recycelt oder als Abfallprodukt entsorgt.
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Herkömmliche
Rippenzerkleinerungsverfahren wie z.B. das Schneiden oder Schreddern
stellen für
den Tabakvorbereitungsprozess eine große Herausforderung dar. Das
Rippenmaterial muss für
diese Prozesse auf relativ hohe Feuchten von 30 bis 50% gleichmäßig bis
auf den Kern durchfeuchtet werden, um ein optimales Zerkleinerungsergebnis ohne
zu hohe Materialverluste durch Tabakstaub zu gewährleisten. Auch nachgeschaltete
Expansionsprozesse zur Füllfähigkeitssteigerung
benötigen
häufig
möglichst
hohe Eingangsfeuchten. Da sich das Rippenmaterial aufgrund seiner
groben Beschaffenheit (holzig und mit Materialdicken von 1 bis ca.
15 mm) nur sehr schwer gleichmäßig konditionieren
(erwärmen,
kühlen,
trocknen und aufleuchten) lässt, sind
die meisten Konditionierungsprozesse an sehr lange Verweilzeiten
gebunden. Dies trifft insbesondere für die Befeuchtung zu, die sogar
eine Zwischenlagerung des befeuchteten Materials von meist 2 bis
6 Stunden notwendig macht, um das Eindringen der Feuchte bis ins
Materialinnere sicher zu stellen. Sogar zweistufige Auffeuchtungsprozesse
finden Anwendung. Die hohe notwendige Auffeuchtung für die beschriebenen
herkömmlichen
Standardverfahren ist mit einem weiteren großen Nachteil verbunden, nämlich der
Notwendigkeit des Trocknens des zerkleinerten Tabakmaterials, wobei
solche Trocknungsprozesse hohe Energie- und Anlagenkosten verursachen.
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Das
Verfahren des Rippenschredderns hat neben der sehr hohen notwendigen
Verarbeitungsfeuchte von z.B. ca. 40 bis 45% den großen Nachteil, dass
das geschredderte Material zu viele Kleinteile (Fines) besitzt,
nämlich
ca. 15 bis 30%, je nach Prozessausführung, welche abgesiebt werden
müssen und
entweder verworfen oder zur Folie verarbeitet wieder recycelt werden.
Diesen Nachteil besitzen auch noch einige andere Verfahren, die
z.B. Mühlen bei
der Rippenzerkleinerung benutzen.
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Andere
Rippenverarbeitungsprozesse verarbeiten die Rippen zu Tabakfolie,
um diese dann einer Blatttabakmischung beizumischen. Hierzu werden Rippen
zu Kleinstteilen zerkleinert. Solche Tabakfolien-Herstellungsverfahren
sind beispielsweise aus der
DE
40 05 656 C2 und der
DE 43 25 497 A1 bekannt. Die Tabakfolienprozesse
arbeiten mit Zusatzstoffen wie Bindemitteln (z.B. Stärke), Feuchthaltemitteln
(z.B. Glycerin) und sonstigen Zusatzstoffen (z.B.
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Geschmacksverbesserer),
und sie erzeugen je nach Prozess ein Produkt mit mäßiger bis
schlechter Füllfähigkeit
und sensorischen Defiziten verglichen mit Blatttabak.
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Aus
der
DE 100 65 132
A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Agglomeraten bekannt.
Hier wird vorgeschlagen, aus kleinsten Tabakpartikeln, insbesondere
aus Tabakstaub, Agglomerate zu machen, also größere Teilchenkomplexe, die
nicht in unerwünschter
Weise in einer Zigarettenherstellungsmaschine ausgesondert werden.
Die feinsten Tabakstaub-Partikel werden wie bei den vorher erwähnten Verfahren
mit Bindemitteln und Flüssigkeit
gemischt und dann aus einer Verdichtungs- und Erwärmungskammer
ausgespritzt, um Agglomerate, also die größeren Einheiten zu bilden.
Es treten wiederum die schon oben angesprochenen Nachteile der Verwendung
von Bindemitteln auf. Ein weiterer Nachteil ist, dass sich ein solcher
Prozess schon grundsätzlich nicht
zur Verarbeitung von gröberem
Tabakmaterial eignet, da er darauf ausgelegt ist, aus Mengen kleiner
Partikel größere Agglomerate
herzustellen. Eine Zerkleinerung von Tabakmaterial ist bei diesem
Prozess nicht möglich.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Herstellung von
zerkleinertem Tabakmaterial zu ermöglichen, ohne dass die oben
genannten Nachteile auftreten. Insbesondere soll die Erfindung möglich machen,
durch Zerkleinerung ein Tabakprodukt herzustellen, welches sich
unmittelbar oder mit nur wenig Nachverarbeitung als Rauchartikelmaterial eignet.
Ferner soll die Verarbeitungszeit und -Komplexität verringert werden.
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Diese
Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch
eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch
1 gelöst.
Die Unteransprüche
beschreiben vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Die
oben definierte Erfindung bringt unter anderem die folgenden Vorteile
mit sich: Die eingesetzten Rippenmaterialien erhalten eine Aufwertung,
so dass das erzeugte Produkt nur geringe sensorische Defizite gegenüber Blatttabak
hat und deshalb in erhöhtem
Umfang in der Tabakmischung eines Rauchartikels Verwendung finden
kann. Das erzeugte Produkt hat eine gut zerfaserte und zerkleinerte
Struktur, und ist deshalb in Schnitttabakmischungen optisch kaum
auszumachen. Die Verfahrensabläufe
sind einfach und unaufwändig,
was zu geringen Investitions- und Produktionskosten führt. Der
Raumbedarf für
die zu verwendenden Vorrichtungen ist aufgrund der niedrigen Komplexität des Verfahrens
sehr gering. Die Zerfaserung erzeugt ein Produkt, das im Zigarettenrauch,
verglichen mit anders prozessierten Rippenprodukten, zu einem reduzierten
CO/Kondensat-Verhältnis
führen
kann. Die Erfindung ermöglicht eine
kontinuierliche Verarbeitung innerhalb sehr kurzer Zeiträume; lange
Lagerungszeiten werden vermieden.
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Die
Vorteile der Erfindung beruhen insbesondere auf der Kombination
von Entspannung des unter Druck gesetzten und erwärmten Tabakmaterials
und der Scherung im Spalt, wodurch insgesamt eine sehr gute Zerfaserung
erfolgt. Was die erfindungsgemäße Vorrichtung
betrifft, so beruhen deren Vorteile insbesonders darauf, dass durch
die sich gegeneinander bewegenden Spaltwände mit hoher Konstanz und Zuverlässigkeit
das optimal zerfaserte Produkt hergestellt werden kann. Das durch
die Erfindung herstellbare Produkt weist zusätzlich zu den oben genannten
Vorteilen noch eine Füllfähigkeit
auf, die im Bereich von Blatttabak liegt und ermöglicht eine hohe Materialausbeute;
es entstehen wenige Kleinteile. Lagerzeiten für Tabakrippenmaterial werden
stark verkürzt
bzw. überflüssig.
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Das
Tabak-Ausgangsmaterial kann vornehmlich ein grobes Tabakmaterial,
insbesondere mit einer Teilchengröße von mehr als 2 mm aufweisen.
Es kann ein Tabakrippenmaterial bzw. ein Winnowing-Material sein,
insbesondere mit einer Rippengröße von mehr
als 2 mm. Anzumerken ist hierzu, dass Tabakmaterialien wie Rohrippen,
Winnowings, Short Stems oder Stem Fibres aber auch Scraps (kleine
Blatttabakteilchen), sonstige Tabakkleinteile oder eine Mischung
aus den genannten Komponenten zum Einsatz kommen kann.
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Im
Gegensatz zur Folienherstellung bietet die Erfindung die Möglichkeit
die eingesetzten Tabakmaterialien ohne den Zusatz strukturbildender
Materialien zu einem im Rauchartikel einsetzbaren Produkt zu verarbeiten.
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Das
Tabak-Ausgangsmaterial kann auf eine Temperatur von 60° bis 180° C, insbesondere
100° bis
140°C, vorzugsweise
110° bis
130°C erwärmt werden
und auf einen Druck von 10 bis 200 bar, insbesondere 40 bis 150
bar, vorzugsweise 60 bis 120 bar gebracht werden, wobei die Verweilzeit
des Tabakmaterials im kontinuierlichen Durchlauf bei weniger als
3 Minuten, insbesondere weniger als 2 Minuten und vorzugsweise weniger
als 1 Minute liegen kann.
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Bevorzugt
wird das Tabak-Ausgangsmaterial mechanisch unter Druck gesetzt,
insbesondere mechanisch in einer Kammer gegen den Scherspalt gepresst.
Dabei kann das Material mittels einer Förderschnecke unter Druck gesetzt
werden, die das Material gegen die Austrittsseite der Kammer eines
beheizbaren Schneckenförderers
presst, an der sich der Scherspalt befindet. Das Material kann ferner
in der Kammer bzw. im Schneckenförderer
während des
Transports zum Scherspalt grob vorzerkleinert bzw. grob vorzerfasert
werden.
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Der
Scherspalt ist gemäß einer
Ausführungsform
vorgespannt verschlossen und wird durch den Druck des Tabakmaterials
intermittierend geöffnet,
wobei das Material durch den Spalt hindurchgeht. Andererseits kann
das Material auch vorteilhafterweise durch einen kontinuierlich
geöffneten
Scherspalt hindurchgeführt
werden.
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Die
Scherspaltwände
können
beim Durchführen
des Tabakmaterials eine Relativbewegung ausführen, und zwar auch bei einem
gleich bleibenden Spaltabstand, d.h. bei kontinuierlicher Spaltöffnung.
Die Entspannung des Tabakmaterials erfolgt beim Durchgang durch
den Scherspalt bei einer Ausführungsform
auf atmosphärischen
Druck. Vor oder während
der Erwärmung
und Druckerzeugung kann eine Tabakmaterial-Konditionierung mit oder
ohne Casing stattfinden, wobei die Erhöhung der Materialfeuchte von
ungefähr
9 bis 12% auf etwa 18 bis 45% insbesondere 20 bis 30% erfolgt. Nach
der Entspannung und Hindurchführung
durch den Scherspalt wird das Tabakmaterial gemäß einer Ausführungsvariante
eine Feuchte von etwa 14 bis 42%, vorzugsweise 16 bis 18% aufweisen,
und es besteht die Möglichkeit,
das Tabakmaterial hinter dem Scherspalt bei Raumtemperatur und unter
atmosphärischen
Druck zu kühlen
und dabei zu trocknen bzw. trocknen zu lassen bis es eine Feuchte
von etwa 12 bis 16% aufweist. Das zerkleinerte, druckzerfaserte
Tabakmaterial kann unmittelbar der Weiterverarbeitung als Rauchartikelmaterial
zugeführt
werden, wenn das Tabak- Ausgangsmaterial
ein Winnowing-Material ist oder wenn ausreichend vorzerkleinertes
Material verwendet wird. Andererseits kann das zerkleinerte, druckzerfaserte
Tabakmaterial nach der erfindungsgemäßen Zerkleinerung einer Klassifizierung
unterzogen werden, z.B. wenn das Ausgangsmaterial ein sehr grobes
Rippenmaterial ist. Dabei werden gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
die bei der Klassifizierung ausgesonderten zu groben Materialien
nochmals der Zerkleinerung unterzogen, und der nicht ausgesonderte
Rest kann unmittelbar der Weiterverwendung als Rauchartikelmaterial
zugeführt werden.
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Die
Spaltwände
der Vorrichtung können
voneinander weg und aufeinander zu bewegbar sein; die Spaltwände können zum
geschlossenen Zustand des Spalts hin vorgespannt sein. Andererseits
können
die Spaltwände
mit festem oder fest einstellbarem Abstand gegeneinander beweglich
sein, wobei insbesondere die Spaltwände in einem festen Abstand
von 0,01 mm bis 2mm, insbesondere 0,1 mm bis 0,5mm liegen. Diese
Angaben beziehen sich auf glatte Spaltwände.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform weisen
die Spaltwände
Rauheiten oder Profilierungen auf, insbesondere Rillen- oder Kreuzrillenprofilierungen,
die längs
oder quer zur Spaltwand-Bewegungsrichtung angeordnet sind und eine
Tiefe von bis zu 2 bis 3 mm aufweisen. In den tiefen Bereichen der
Profilierungen sind die Abstände
des Scherspalts natürlich
entsprechend größer als
oben angegeben.
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Bei
einer Ausführungsvariante
ist die an der Druckkammer angeordnete Spaltwand fest, während die
Gegenwand beweglich an einer mit einem Bewegungsantrieb versehenen
Gegenhalterung angeordnet ist. Die Spaltwände können gegeneinander kontinuierlich
oder intermittierend, in eine oder zwei Richtungen oder hin und
her bewegbar sein. Im Besonderen kann der Spalt ein Ringspalt sein,
vorzugsweise ein Kegelspalt.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist die Druckkammer eine Stopfschnecke als Fördereinrichtung
zum Fördern
des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass auf. Hierbei ist anzumerken,
dass eine Druckerzeugung mit mechanischen Mitteln, wie sie beispielsweise
durch eine Stopfschnecke erzeugt wird, im Rahmen der Erfindung grundsätzlich auch
anders vonstatten gehen kann.
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Es
ist nicht ausgeschlossen, dass der Druck in anderer Weise mechanisch
erzeugt wird, beispielsweise durch eine Kolbenvorrichtung oder aber
nicht mechanisch oder nicht lediglich mechanisch über einen
Gasdruck.
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Wenn
eine Stopfschnecke verwendet wird, so weist diese vorteilhafterweise
zum Bereich des Auslasses hin Kammervolumen mindernde Maßnahmen,
z.B. kleinere Schneckensteigungen, auf.
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In
der Druckkammer sind mit Vorteil mechanische Vorzerkleinerungsmittel
bzw. Vorzerfaserungsmittel angeordnet. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform
ist der erfindungsgemäßen Vorrichtung
im gleichen oder in einem vorgeschalteten Druckkammergehäuse eine
Schneckenkammer-Druckkonditionierungsvorrichtung vorangesetzt. Eine
solche Druckkonditionierungsvorrichtung ist beispielsweise in der
DE 103 04 629 A1 beschrieben,
und sie eignet sich sehr gut zur Kombination mit der erfindungsgemäßen Druckzerfaserung.
Die Druckkonditionierungsvorrichtung kann all diejenigen Strukturmerkmale
aufweisen, die in
1 und der zugehörigen Beschreibung
der
DE 103 04 629
A1 vorgestellt werden, und auf diese Konstruktionsmerkmale
wird hier ergänzend
Bezug genommen.
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Ferner
besteht noch die Möglichkeit,
die Druckkammer mit Einlässen
für Konditionierungs- oder
Casingmittel auszustatten.
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Möglich ist
ferner die Verwendung eines Ein- oder Zwei-Schneckenförderers
mit Scherspaltauslass zum Zerfasern von Tabakmaterial. Als Scherspalt
soll im Sinne dieser Erfindung eine Öffnung bezeichnet werden, bei
der Material während
des Hindurchtretens geschert wird. Bisher sind Extruder – wie eingangs
beschrieben – immer
lediglich zur Herstellung von Tabakfolie bzw. zum Herstellen von
Agglomeraten aus feinsten Tabakpartikeln verwendet worden. Die vorliegende
Erfindung beschreibt erstmals eine Verwendung eines Extruders mit
Scherspalt zur Zerkleinerung und Zerfaserung von Tabakmaterialien.
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Die
Erfindung wird im Weiteren anhand von Ausführungsformen näher erläutert. Sie
kann alle hierin aufgeführten
Merkmale einzeln sowie in jedweder Kombination umfassen. Es wird
auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Druckzerfaserungsvorrichtung;
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2 eine
Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Druckzerfaserungsvorrichtung
mit vorgeschalteter Druckkonditionierung in einer ersten Ausführungsform;
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3 ein
Druckkonditionierungs-Druckzerfaserungs-Kombinationsvorrichtung
in einer zweiten Ausführungsform;
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4 ein
Ablaufdiagramm, das schematisch den Ablauf der Tabakvorbereitung
unter Verwendung der erfindungsgemäßen Druckzerfaserung zeigt;
und
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5 ein
weiteres Ablaufdiagramm mit etwas detaillierterem Schema; Zunächst soll
im Weiteren die Einordnung der erfindungsgemäßen Druckzerfaserung in den
Tabakvorbereitungsprozess unter Bezugnahme auf die 4 und 5 näher erläutert werden.
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In
allgemeiner Weise ist der schematische Ablauf der Tabakvorbereitung
in 4 anhand von Rippen von der Rohrippe bis zur Verwendung
im Endprodukt dargestellt.
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Die
Feuchtewerte sind auf Feuchtbasis angegeben und stellen empfohlene
und bevorzugte Werte dar. Fachleute können optimale Bedingungen einstellen,
wenn sie dem Grundgedanken der Erfindung folgen, und so eine Anpassung
an optimale Bedingungen einer bestimmten erfindungsgemäßen Vorrichtung
(Expansionsanlage) vornehmen.
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Die
Rohrippen treten typischerweise mit einer Feuchte von etwa 10% in
die Konditionierung ein. Die Konditionierung kann unter atmosphärischen
Bedingungen erfolgen, vorteilhaft ist eine Konditionierung bei überatmosphärischem
Druck, wie beispielsweise in der vorher schon angesprochenen
DE 103 04 629 A1 beschrieben.
Die Rippen verlassen die Konditionierung mit einer Feuchtigkeit
von etwa 18% bis 45% und werden der erfindungsgemäßen Zerfaserung übergeben.
Details der Zerfaserung werden im Folgenden noch beschrieben, auch
unter Bezugnahme auf Ausführungsformen
nach den
1 bis
3.
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Beim
Zerfasern verlieren die Rippen in der Regel etwas Feuchtigkeit,
so dass nun die zerkleinerten Rippen mit 16% bis 42% Feuchte klassifiziert werden.
Dort werden zu große
Rippenteile wieder zurückgefördert und
durchlaufen den bisher beschriebenen Ablauf nochmals. Typischerweise
ist dieser Anteil gering und liegt unter 10% der Gesamtmasse. Der
andere Anteil der zerkleinerten Rippen kann nun abhängig von
den gewünschten
Prozessparametern unterschiedlich behandelt werden. Bei Feuchtigkeiten
von z.B. 14% bis 15% gehen die Rippen direkt in die Tabakmischung
für das
Endprodukt Rauchartikel. Bei höheren
Feuchten, z.B. 15% bis 40%, durchlaufen die Rippen noch eine Expansion
und Trocknung und können
danach bei ebenfalls 14% bis 15% Feuchte in die Mischung für das Endprodukt
gegeben werden. Dem ist eventuell nochmals eine Klassifizierung
vorgeschaltet, damit etwa noch verbleibende größere Teile abgetrennt und zurück zu den
Rohrippen gegeben werden, die dann den bisher beschriebenen Prozess
erneut durchlaufen. Werden in diesem Prozess statt Rohrippen ZHV-
oder TV-Winnowings als Eingangsmaterial verwendet, so endet der Prozess
in der Regel vor der ersten Klassifizierung, und die zerfaserten
Winnowings gehen direkt ins Endprodukt.
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Die 5 zeigt
den Ablauf, insbesondere hinsichtlich der erfindungsgemäßen Zerfaserung
und der unmittelbar danach stattfindenden Prozessschritte, etwas
detaillierter und mit enger begrenzten oder auch etwas abweichenden
Feuchtewerten. Grundsätzlich
ist hierzu anzumerken, dass diese Werte immer je nach gewünschtem
Endprodukt und den sich insgesamt darstellenden Prozessparametern
von Fachleuten ausgewählt
und eingestellt werden können.
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Die
5 umfasst
eigentlich die beiden ersten in Kästen gezeigten Verfahrensschritte
der
4 (Konditionierung, Zerfaserung, Sichter). Das
Tabakmaterial, insbesondere Rippenmaterialien wie z.B. Rohrippen,
Winnowings, Short Stems und Stem Fibres, aber auch Scraps (kleine
Blatttabakteilchen), sonstige Tabakkleinteile oder aber auch eine
Mischung aus den einzelnen aufgezählten Komponenten werden im
ersten Prozessschritt konditioniert und je nach Material auf ca.
20% bis 30% aufgefeuchtet. Die Auffeuchtung kann unter Atmosphärendruck
herkömmlich
mit kurzer Lagerzeit oder aber auch ohne Lagerzeit bzw. unter Druck
durchgeführt
werden, wie z.B. in der
DE
100 38 114 A1 und der
DE 103 04 629 A1 beschrieben wird. Handelt
es sich um gröberes Rippenmaterial
wie Rohrippen, Short Stems oder Stem Fibres kann eine Vorzerkleinerung
des Materials auf Teilchengrößen zwischen
2 und 15 mm erfolgen, wobei je nach gewähltem Verfahren auch teilweise
schon zerfasert wird. Die Vorzerkleinerung kann durch alle gängigen Verfahren
geschehen. Dabei sollten aber Staub und Kleinteile vermieden werden
(kleinere Mengen an Kleinstteilen sind tolerierbar). Bei den kleineren
Ausgangsmaterialien kann auf eine Vorzerkleinerung vollkommen verzichtet werden.
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Anschließend wird
das Material erhitzt (ca. 60° bis
180°C) und
unter Druck gesetzt (ca. 10 bis 200 bar), um einerseits die gewünschte Geschmacksverbesserung
durch chemisch ablaufende Prozesse (z.B. Maillard-Reaktion bzw.
Karamellisierung) zu erreichen und andererseits genügend Energie
zu speichern, um die Zerfaserung durch Scherung und Entspannung über einen
Scherspalt ablaufen zu lassen. Die Druckerzeugung und Erhitzung kann
mit handelsüblichen
Stopfschnecken durchgeführt
werden, deren Gehäuse
insbesondere auch beheizt werden können. Solche Anlagen werden
im Weiteren noch detaillierter beschrieben.
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Beim
Austritt aus dem Scherspalt in die Atmosphäre tritt eine schlagartige
Verdampfung des eingelagerten Wassers und gegebenenfalls auch anderer
Inhaltsstoffe auf, was dazu führt,
dass das Material zusätzlich
zur Scherung im Spalt zerfasert und expandiert wird. Die Feuchte
des Materials verringert sich durch die Flashverdampfung je nach
Prozessdruck und Temperatur um bis zu ca. 10% und des weiteren werden
Tabakinhaltsstoffe zum Teil reduziert. Dabei hat es sich als vorteilhaft
erwiesen, wenn sich die Scherspaltflächen relativ zueinander in
einem gewissen Takt bewegen, um Verstopfungen vorzubeugen und zu
beseitigen. Dadurch wird sichergestellt, dass die volle Querschnittsfläche des
Spaltes genutzt wird und konstante physikalische Bedingungen am
Spalt herrschen, was letztlich zu einem einheitlichen Produkt führt. Hierzu
hat es sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, die Spaltflächen zu
strukturieren bzw. zu profilieren.
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Bei
der folgenden Abkühlung
des Materials von ca. 100°C
auf Raumtemperatur, die auf einem Transportband mit Luftabsaugung
insbesondere von unten stattfinden kann, verliert das Tabakmaterial durch
Verdunstungskühlung
weitere Feuchte, so dass es möglich
ist, ohne einen Trockner auf eine Endproduktfeuchte zu kommen, die
eine direkte Zumischung in die Blatttabakmischung erlaubt.
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Ob
eine Klassifizierung des zerkleinerten Tabakmaterials und die damit
verbundene Rückführung der
zu großen
Teilchen in den Prozess notwendig ist, hängt von dem zu zerkleinernden
Material und von der Art der Vorzerkleinerung ab. Bei ZHV-Winnowings oder in
der Größe ähnlichem
Material ist eine Klassifizierung in der Regel nicht notwendig.
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Anstatt
z.B. mit einer Mühle
oder einem Brecher vorzuzerkleinern und mit einer beheizten Stopfschnecke
Druck und Temperatur zu erzeugen, bietet es sich vorzugsweise auch
an, einen Ein- oder Zweischnecken-Extruder zu benutzen, weil hier
das Material durch Scherung vorzerkleinert, durch die Reibung beim
Zerkleinern gleichzeitig erwärmt
und durch die Kompression der Schnecke ein entsprechender Druck
aufgebaut wird. Man kann also mit einem Gerät gleich drei notwendige Prozessschritte
zusammenfassen. Dabei muss der Extruder so ausgelegt sein, dass
das Material nicht wie bei Extrusionsprozessen sonst üblich und
erwünscht
vollständig
zerkleinert und plastifiziert wird (hohe Dichte), sondern die Faserstruktur
des Tabakmaterials erhalten bleibt. Es soll also keine Extrusion
im klassischen Sinne ablaufen.
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Mit
dem Prozess werden alle gesteckten Ziele erreicht:
- – geschmackliche
Aufwertung bzw. sensorische Verbesserung;
- – Absenkung
des Verhältnis
CO/Kondensat im Rauch (gegenüber
anderen Rippenprodukten, z.B. geschnittenen Rippenprodukten);
- – Füllfähigkeit
je nach Eingangsmaterial ähnlich bei
geschnittenem Blatttabak;
- – optisch
unauffällige
Faser ähnlich
Blattschnitt;
- – drastische
Verkürzung
von Lagerzeiten beim Feuchten bzw. keine Lagerzeiten bei Druckkonditionierung;
- – kein
Trockner;
- – hohe
Materialausbeute (Kleinteile kleiner als 1 mm weniger als 10%);
und
- – kompakter
Gesamtprozess mit entsprechend niedrigem Platzbedarf und niedrigen
Investitions- und Betriebskosten.
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Eine
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
wird nunmehr anhand der 1 näher erläutert. Dort ist eine erfindungsgemäße Druckzerfaserungs-Vorrichtung dargestellt,
die insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehen ist. Sie
weist ein Kammergehäuse 2 und
eine in diesem vorgesehene Förderschnecke 3 auf,
die über
den Motor 4 gedreht wird. Ferner sind in der Zeichnung
der 3 noch ein Tabakmaterialeinlass 5 und
optionale Eingänge,
für Wasser,
Casing und Dampf dargestellt, welche die Bezugszeichen 6 und 7 tragen.
Am Auslassende (in der Figur rechts) weist die Kammer einen Kopf 8 auf, der
einen Innenkegel ausbildet. Die Innenkegelwand des Kopfes 8 bildet
zusammen mit der äußeren Kegelwand
des Außenkegels 10 den
Spalt 9, durch den das von der Schnecke 3 geförderte Tabakmaterial austreten
kann. An der Spaltspitze des Innenkegels 8 befindet sich
eine Öffnung
zum Inneren der Kammer 2 hin. Das ausgetretene, zerfaserte
Tabakmaterial ist mit dem Bezugszeichen 12 bezeichnet.
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Der
Außenkegel 10 wird
durch eine Gegenhalterung 11 positioniert, die gleichzeitig
einen Drehantrieb für
den Kegelkörper 10 bereitstellen
kann. Mittels dieses Drehantriebs kann der Kegel 10, wie durch
den geschwungenen Pfeil dargestellt, um die Mittelachse gedreht
werden. Die Verbindung zwischen der Gegenhalterung 11 und
dem Kegel 10 ist durch einen Doppelpfeil dargestellt, was
bedeutet, dass der Kegel 10 auf der Achse an den Innenkegel 8 herangefahren
werden kann. Dort kann er fest in seiner axialen Position gehalten,
aber auch axial beweglich angeordnet werden. Mittels dieser Konstruktion
lässt sich
die Breite des Spaltes einstellen oder anpassen, außerdem wird
ein Gegendruck nach links, also in Richtung der Schließung des
Spaltes 9 hin erzeugt, vorzugsweise durch hydraulische
Mittel.
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Der
erste Teil der Zerfaserung der Tabakrippen erfolgt erfindungsgemäß unter überatmosphärischem
Druck. Dieser Überdruck
wird erzeugt, indem das Tabakmaterial, im speziellen Fall konditionierte Tabakrippen
in der Kammer 2 durch die Schnecke 3 gefördert werden,
nachdem sie über
den Einlass 5 eingetragen wurden. Am Ende der Förderschnecke befindet
sich ein Scherspalt-Auslass, der ähnlich wie bei einem Extruder
den Förderraum
nahezu verschließt.
Bevorzugt ist dieser Matritzen-Auslass, wie in 1 dargestellt,
als Ringspalt, nämlich
als Kegelspalt 9 ausgestaltet, dessen Spaltbreite durch
den Außenkegel 10 (Stempel)
einstellbar ist. Dadurch stehen die Rippen unter einem erhöhten Druck
(bis zu 200 bar) und einer erhöhten
Temperatur (insbesondere deutlich über 100°C). Neben dem mechanischen Druck,
der durch die Förderung
der Rippen gegen diesen Spalt entsteht, wirken zusätzliche
Kräfte auf
die Rippen, da in den Gängen
der Förderschnecke
in Verbindung mit der Wandung Scherkräfte wirken welche die Rippen
vorzerkleinern bzw. vorzerfasern. Die Scherung kann durch Einbringen
von Zügen
in die Gehäusewandung
oder durch das Einbringen zusätzlicher
Strömungswiderstände unterstützt werden.
Zusätzlich
kann an mehreren Stellen Dampf zugeleitet werden, um die Feuchtigkeit,
die Temperatur und den Druck in der Förderschnecke bzw. im Gehäuse 2 zu
regeln. Durch den zugeführten
Dampf (beispielsweise bei 7 dargestellt) und die Eigenfeuchtigkeit
der Rippen aus der Konditionierung kommt es zu einer zusätzlichen
Zerfaserung der Rippen beim Austritt aus dem Spalt 9, weil
das Wasser schlagartig verdampft: der zweite Teil der Zerfaserung.
Die unter Druck stehende Feuchtigkeit in den Rippen verdampft beim
Druckabbau auf atmosphärischen Druck
nach dem Ringspalt schlagartig; es findet eine Flash-Verdampfung
statt.
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Die
Verbindung von Konditionierung und Druckzerfaserung ist abhängig von
den Druckverhältnissen,
bei denen konditioniert wird. Im einfachsten Fall wird bei atmosphärischer
Konditionierung das Tabakmaterial einfach über Förderinnen oder ein Förderband
in den Einlass 5, z.B. einen Einlasstrichter, zugeführt. Die
Konditionierung kann dann beispielsweise an einer Zwischenstelle
des Gehäuses 2 durch
Einbringung von Wasser und Casing stattfinden, wie dies mit dem
Bezugszeichen 6 aufgezeigt ist.
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Der
entscheidende Schritt der Zerfaserung erfolgt beim Durchgang sowie
beim Austritt aus dem Spalt 9. Beim Durchgang durch den
Spalt 9 werden die Tabakrippen einer Scherung zwischen
den Spaltwänden
ausgesetzt und beim Austritt aus dem Spalt erfolgt die schon vorher
angesprochene Flash-Verdampfung. Durch das Zusammenwirken dieser
Effekte entsteht das sehr gut zerfaserte Verfahrensprodukt, das
mindestens zu einem großen
Anteil schon bei der Rauchartikelherstellung verwendet werden kann.
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Um
zu verhindern, dass an dem engen Scherspalt 9 Verstopfungen über einen
großen
Bereich der Ringfläche
bzw. Kegelfläche
auftreten, die sich dann schlagartig wieder lösen, hat es sich als hilfreich
erwiesen, den Kegel 10 in Drehung um seine Rotationsachse
zu halten. Diese Drehung kann kontinuierlich oder unterbrochen in
eine Richtung erfolgen oder die Drehrichtung wechseln. Die Drehung kann
dabei vollständig
sein oder nur Viertel-/ oder Dritteldrehungen oder kleinere/größere Einheiten umfassen.
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Zusätzlich hat
es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Oberfläche mindestens
eines der Kegel, des Innenkegels am Kopf 8 oder des Außenkegels
am Stempel 10 aufgeraut oder profiliert wird, z.B. durch
die Einbringung von Rillen oder Kreuzrillen bis zu 2 oder 3 mm Tiefe.
Wichtig ist hierbei lediglich eine Aufrauung/Profilierung, die Tiefe
und der Verlauf (Richtung) der Rillen können in jeder Weise eingestellt
werden. Speziell in Verbindung mit den Drehungen des Kegels 10 lassen
sich so Verstopfungen stark reduzieren. Man erhält dadurch homogenere Druckverhältnisse,
die auch zu einem homogeneren Endprodukt führen.
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Das
erhaltene, zerfaserte Verfahrensprodukt zeigt im Aussehen und in
der Verwendung ähnliche Eigenschaften
wie sie von geschredderten Rippen bekannt sind. Die erfindungsgemäße Druckzerfaserung
hat aber nicht den Nachteil eines hohen Staubanfalls, wie er bei
Schreddern von Rippen bekannt ist, außerdem muss nicht so stark
vorgefeuchtet werden wie beim Schreddern, so dass spätere Trocknungen
stark verringert bzw. eliminiert werden können.
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Was
die Verbindung bzw. Kombination von Konditionierung und Druckzerfaserung
angeht, bieten sich auf der Basis der vorliegenden Erfindung noch
zusätzliche
Möglichkeiten,
die nunmehr anhand der
2 und
3 erläutert werden.
In der
2 ist der erfindungsgemäßen Druckzerfaserungsvorrichtung
1 versetzt
eine Druckkonditionierungsvorrichtung
20 vorgeschaltet.
Die Druckkonditionierungsvorrichtung
20 ist generell eine
solche, wie sie in der
DE
103 04 629 A1 insbesondere in
1 und der
zugehörigen
Beschreibung erörtert
wird. Hierauf wird ergänzend
Bezug genommen. Sie weist einen Tabakmaterialeinlass
25 sowie
eine differenz-druckfeste Zellradschleuse
26 auf, über die
das Tabakmaterial in die Druckkammer
21 eingebracht wird,
wo es mit Hilfe einer Förderschnecke
22 transportiert
wird. Die Förderschnecke
22 wird
durch den Motor
24 angetrieben. Am Ende der Kammer
21 ist
ein Auslass
27 für
das Tabakmaterial dargestellt, der gleichzeitig den Einlass für die Druckzerfaserungsvorrichtung
1 bildet.
Anders als bei der Vorrichtung nach der
DE 103 04 629 A1 befindet
sich am Auslass der Druckkonditionierungsvorrichtung keine differenz-druckfeste
Schleuse; das Tabakmaterial wird unter dem Druck der Kammer
22 in
den Einlass der Druckzerfaserungsvorrichtung
1 übergeben.
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Es
ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung natürlich auch möglich, den
Austritt aus der Druckkonditionierungskammer 22 mittels
einer Zellradschleuse und einem Druckabbau zu betreiben. Dann würde, wie
in 1, Tabakmaterial bei Umgebungsdruck in die Druckzerfaserung
eingetragen.
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Bevorzugt
ist aber ein Druckabfall beim Übertritt
aus der Druckkonditionierung in die Druckzerfaserung zu vermeiden,
um über
den gesamten Prozessbereich vom Beginn der Konditionierung bis zur
Zerfaserung einen überatmosphärischen
Druck bereitstellen zu können,
wie in 2 dargestellt ist. Die gesamte Anlage in 2 entspricht
dem Kasten „Konditionierung
(und Casing)/Zerfaserung" in 4. Die
Rippen werden über
die differenz-druckdichte Zellradschleuse 26 zugeführt. Die
Dichtheit der Schleuse 26 auf der einen Seite und der schmale Ringspalt 9,
der bei Betrieb immer mit zerfaserten Rippen gefüllt ist, erlauben es, in der
gesamten, kombinierten Vorrichtung einen überatmosphärischen Druck aufrecht zu erhalten.
Die Dichtheit der Zellradschleuse 26 kann hierzu durch
Beheizung ihres Gehäuses
optimiert werden.
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Nach
dem Einbringen der Tabakrippen in die Kammer 22 stehen
die Rippen unter überatmosphärischem
Druck, der durch Dampfzuführungen
gegen die natürlich
Leckraten der Zellradschleuse 26 (Spalte und Schöpfvolumen)
aufrechterhalten wird. Durch den Dampf werden die Rippen erhitzt
und die Feuchtigkeit erhöht.
Prinzipiell ist in einer solchen Kammer auch eine Abtrocknung mit übersättigtem
Dampf möglich,
jedoch ist es für
die Anwendung zur Zerfaserung meist schon von Vorteil, wenn die
eingetragenen Rippen deutlich höhere
Feuchten aufweisen. Mittels der Förderschnecke 22 werden
die Tabakrippen durch die Konditionierungskammer 22 gefördert. Dabei
können
verschiedene Einstellungen getroffen werden (Steigung der Schnecke,
Drehzahl und Neigung der Kammer), mit denen die Verweilzeit der
Tabakrippen eingestellt werden kann. Sie liegt in der Regel zwischen
2 und 10 Minuten. Nach der Druckkonditionierung werden die Rippen
dann über
den Auslass 27 in die Druckzerfaserungsvorrichtung 1 übergeben,
und dieser Eintrag kann auf einfache Weise erreicht werden, wenn
das Gehäuse
ebenfalls trichterförmig
ausgebildet ist. Die typische Verweilzeit der Rippen im Bereich
der Zerfaserung liegt unter 2 Minuten, insbesondere unter 1 Minute.
Die Rippen verlassen die Druckzerfaserung dann in dem gewünschten,
vorher beschriebenen Zustand.
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Statt
der Druckkonditionierungsschnecke kann auch eine Konditionierungsschnecke
unter atmosphärischen
Drücken
Verwendung finden.
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Die 3 zeigt
eine weitere Ausführungsform
einer Anlage mit kombinierter Druckkonditionierung und Druckzerfaserung.
Die Druckkonditionierungseinrichtung 20 und die Druckzerfaserungseinrichtung 1 sind
im Wesentlichen so aufgebaut, wie in den 1 und 2 dargestellt,
weshalb sich die Bezeichnung der einzelnen Bauteile erübrigt. Der Unterschied
zu der Ausführungsform
nach 2 liegt darin, dass die Förderschnecke der Konditionierungsvorrichtung 20 und
die Zerfaserungsschnecke der Druckzerfaserungsvorrichtung 1 auf
einer Achse sitzen und durch einen einzigen Motor angetrieben werden
können.
Wenn dann die gleiche Drehzahl für beide
Schnecken verwendet wird, können
die unterschiedlichen Verweilzeiten in beiden Prozessschritten durch
andere Mittel erreicht werden, z.B. durch unterschiedliche Querschnitte/Volumen,
Rückfallmöglichkeiten
im Bereich der Konditionierung, etc.
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In
den Fällen
der 1 und 2 werden die Konditionierungsmaßnahmen
sowie die Dampfeinleitung durch die entsprechenden schon vorhandenen
Einbringungsmöglichkeiten
der Druckkonditionierungsvorrichtung vorgenommen, es müssen also
nicht entsprechende Einbringungen an der Druckzerfaserungsvorrichtung
vorgenommen werden.