專利名稱：煙草的浸漬與膨脹方法
技術領域：
本發明涉及用來膨脹煙草體積的一種方法，更確切地說，本發明涉及用CO2來膨脹煙草。
煙草技術界早已熟知需使煙草膨脹來加大它的容積或體積。有多種理由需使煙草膨脹。膨脹煙草的初期目的之一涉及到補償因煙草干燥過程造成的重量損失。另一目的在于改進煙草的某些特殊部分例如煙梗的吸用特性。也希望來提高煙草的浸漬能力以便用較少量的煙草來生產香煙之類吸食品，使之具有相同的緊密度，但卻比由具有較致密煙草填料之未膨脹煙草制得的相當吸食品，輸出較低的焦油與尼古丁。
為膨脹煙草已提出過多種方法，包括在壓力下以氣體浸漬煙草然后再釋壓，借此使煙草室膨脹以加大此經處理之煙草的體積。其它使用過或已提出過的方法包括用水或較易揮發之有機或無機液等液體來處理煙草，使之浸透煙草，然后驅除這類液體使煙草膨脹。其它已提出的方法，包括用固體物質處理煙草，這類物質在加熱時分解產生用來膨脹煙草的氣體，另一些方法則包括使用含氣體之液體，例如含CO2的水，在加壓下使氣體進入煙草，并在已浸漬之煙草加熱或減降了環境壓力下，使煙草膨脹。還開發了若干膨脹煙草的技術，它們涉及到采用于煙草內反應形成固體化合物反應產物的氣體來處理煙草，此咱固體反應產物然后因加熱而分解，在煙草中產生經釋除后便導致煙草膨脹的氣體。更為具體的有美國專利1789435號，它描述一種方法與設備來膨脹煙草體積，以補償干燥煙葉中造成的體積損失。為實現此目的，使干燥與經過調節的煙草與在壓力下的一種氣體(可以是空氣、CO2或蒸汽)接觸，然后釋壓，煙草便發生膨脹。此專利指出，用這一方法可使煙草體積增大約5-15%。
美國專利3771533號，它業已普遍轉讓，涉及到一種以CO2氣體與氣體氨處理煙草的方法，在此，煙草為這些氣體所浸潤而在原位形成了氨基甲酸銨。此氨基甲酸銨之后固加熱分解，在煙草室內釋出氣體并促致煙草膨脹。
美國專利4258729號，它業已普遍轉讓，描述了一種膨脹煙草體積的方法，其中在使CO2基本上保留在氣態條件下來浸漬煙草。把在此浸透工序之前預冷煙草或是在浸漬工序之中由外部裝置來冷卻煙草床，限制在要避免使CO2冷凝到任何顯著程度。
美國專利4235250，它業已普遍轉讓，描述了一種用來膨脹草煙體積的方法，其中在使CO2基本上保留在氣態條件下來浸漬煙草。在減壓過程中，一部分CO2會在煙草中轉變為部分冷凝態。此項專利指出，此CO2的熱含量經控制到使CO2的冷凝降到最低限度。
美國專利RE.32013號，它業已普遍轉讓，描述了用來膨脹煙草體積的一種方法與設備，其中之煙草是以液體CO2浸漬，在原位使此液體CO2轉變為固體CO2，然后促致此固體CO2蒸發以使煙草膨脹。
1991.6.18提出的共決與普遍轉讓的美國專利申請07/717064號，以及于1992.12.23此0519696A1號公布之相應的歐洲專利申請82305534.7號，公開了一種以CO2浸漬煙草而后使其膨脹的方法。其中包括有使氣態CO2與煙草接觸，以及控制工藝條件以使一受控的CO2量冷凝到煙草上等步驟。
業已發現，在用氣態CO2進行浸漬的過程中，為使煙草充分浸漬，在此種過程終端(在CO2從最大壓力下排出后)，煙草必須達到足夠低的出口溫度。在排出之際，逸出的CO2會減降煙草床的溫度。
采用氣態CO2來浸透煙草的先有方法并未控制冷凝程度，由于冷卻只是借氣體膨脹提供，故未能使高松密度之煙草床實現充分冷卻。隨著這種煙草床的松密度加大，待冷卻之煙草質量將增加，而煙草床之間余留的體積或空隙空間以及可供冷卻用之氣體量便會減小。不經充分冷卻，是不可能使已浸漬之煙草達到合格的預膨脹穩定性的。
通常，松填就的煙草床顯示出這樣的煙草松密度梯度由于煙草柱重量的壓縮效壓，隨著趨近于底部，松密度也愈高。用氣態CO2和較低松密度之松填煙草床的膨脹方法，會導致煙草冷卻不均，從而使煙草的穩定性與膨脹性不均。
深煙草床底部處的松密度有可能成為一種只涉及氣體之過程的限制因素，這是因為在一深床底產處的煙草可能具有過大的松密度，以致不能為氣體膨脹冷卻效應所充分冷卻。結果，利用氣體CO2的煙草膨脹方法便局限于較小或較淺的煙草床。盡管這類小型床業已用于實驗性開發目的，但通常未能在工業生產中實際應用。
業已發現，盡管高的松密度防礙了先有的采用氣態CO2膨脹方法的成功應用，但申請人等采用CO2氣體受控冷凝之歐洲專利0519696A1的方法，則可以用于高松密度的特別是最初已加以壓實的煙草。這已成為可給出較大產量方法的優點。
上述壓縮方法可以通過直掃，壓縮一批煙草來實現，或通過調配之類若干加工步驟實現。
在本發明的方法中，煙草開始時被壓縮成不小于10bl./cu.ft(160.2kg/m3)的一松密度。此松密度最好不超過20lb/cu.ft(320.4kg/m3。松密度應為12-16lg/cu.ft(192.2-256.3kg/m3)，最好為13-15lb/cu.ft(208.2-240.3kg/m3)。此壓實的煙草在壓力下為CO2浸漬前加以冷卻。此咱冷卻可以通過將CO2流經此煙草來實現。在此浸漬階段，CO2氣體處于或接近飽和，當其與煙草接觸，會有足夠的CO2冷凝到煙草上，以確保在繼后釋壓時，CO2的膨脹與冷凝CO2的蒸發會把已浸漬之煙草的溫度降低到35°-20°F(-37.4°～-6.7℃)內。
隨后，按常規方式，例如通過在大氣壓力下加熱來膨脹此已浸漬的煙草。
按本發明浸透的煙草可以用較少的能量來膨脹，例如與采用液體CO2條件下浸透的煙草比較，可以在可比較的停留時間內采用溫度低得多的氣流。
此外，本發明可允許在比過所用要廣的溫度范圍內進行膨脹，以在最終的煙草制品中來更好地控制還原糖與生物堿之類的化合物與味覺成分。
此外，與采用在CO2排出前不使其冷凝條件下的氣體CO2的方法相比，依據本發明浸漬與膨脹的煙草能取得更大的產量。根據本發明，冷凝CO2的蒸發會提供充分的冷卻，使得即使是松密度相當高的煙草也能有效地浸透與膨脹。這種蒸發冷卻最好是在高松密度的煙草床中，用來實現足夠低的通風后煙草溫度，以保證已浸漬煙草的穩定性。
業已發現，當實施本發明時，此通風后煙草溫度基本上與煙草松密度無關。
在浸漬前壓縮或壓緊煙草，不僅能獲得高的松密度而且還能在整個床中取得較均勻的密度。據此，除能進一步保證CO2浸漬的均勻性外，還能提高此方法的總體產量。
當通過本發明一最佳實施例裝載上浸透機來提高煙草松密度，亦可提高此方法之產量的。除此，與松散的煙草床相比，壓實的煙草床較少可能因重力或氣流而沉結，不然這會在浸漬機中構成不希望有的空隙。此外，由于對每磅煙草所壓縮的氣體體積較小，所發展的壓縮熱也較小。在加壓的后幾個階段，煙草上冷凝的CO2就能避免使壓縮熱局部化。由于實現了足夠低的通風后溫度，即令是對于高松密度的煙草，在浸漬后，本發明的方法也能獲得可接受的CO2保留量與穩定性。
因物料通過率提高而提高了的過程產率會更大地節省生產成本，或通過減小處理設備的尺寸而節省總成本。此外，如下面所述，在一最佳設備中進行的小批量短周期處理，基本上能等效于一種連續過程。
需用之CO2量減少以及松密度的提高還有益于周圍環境，因為對每磅煙草所排放到大氣中之氣體更少了。
下面簡述附圖。
本發明之上述的和其它的目的與優點，將通過閱讀結合附圖閱讀下面的細述與代表性實例而獲得理解，在附圖中
圖1是CO2-標準的溫度一熵圖;
圖2是據歐洲專利A-0519696號用于膨脹煙草之工藝過程簡化的框圖;
圖2A是圖2的一種變型，示明根據本發明一實施例用來壓實、浸漬與膨脹煙草的過程;
圖3是對于爐揮發物(OV)含量約12%、14%、16.2%與20%之煙草的，從于250psia(1723.5kpa)與-18℃下浸漬過之煙草中放出CO2重量(%)，相對于浸漬后時間的曲線圖;
圖4是對于三種不同OV含量之煙草中所保留的CO2重量(%)相對于通風后時間的曲線圖;
圖5是對于OV含量約12%和約21%之煙草的，已膨脹之煙草平衡CV(柱形體積)相對于膨脹前保持時間的曲線圖;
圖6是對于OV含量約12%和約21%之煙草的，已膨脹之煙草的比容相對于膨脹前保持時間的曲線圖;
圖7是已膨脹之煙草的平衡CV相對于膨脹塔出口OV含量的曲線圖;
圖8是煙草中還原糖減少量(%)相對于膨脹塔出口OV含量的曲線圖;
圖9是煙草中生物堿減少量(%)相對于膨脹塔出口OV含量的曲線圖;
圖10是一浸漬容器的示意圖，示明了通風后在整個煙草床中不同點處的煙草溫度;
圖11是已膨脹之煙草的比容相對于膨脹前經浸漬后之保持時間的曲線圖;
圖12是已膨脹之煙草的平衡CV相對于膨脹前經浸漬后之保持時間的曲線圖;
圖13是煙草溫度相對于煙草OV含量的曲線圖，示明了對于在8000psig(5515kpa)下浸漬過之煙草，為實現合適之穩定性(例如在膨脹前約1小時的后排出保持時間)所需的預冷卻;
圖14是根據本發明對高松密度煙草實施短周期浸漬處理之設備的示意性頂視圖;
圖15是圖14之設備的示意性剖視圖;
圖16是從與圖15觀察方向基本上相同方向觀察的，通過圖15中壓力容器的放大剖面圖;
圖17是類似于圖14的頂視圖，但涉及到本發明之另一實施例;
圖18是一與圖15類似的圖，但涉及的是圖17中之設備;而圖19是一與圖16類似的圖，但涉及的是圖18中之設備。
下面詳述本發明。
本發明廣義地說涉及一種方法，它采用一種能即購到的較廉價、不可燃和無毒性之膨脹劑，來膨脹煙草。更具體地說，本發明涉及到一種顯著減小了密度和提高了充填能力之已膨脹的煙草產品制造方法，制造時，是以飽和的氣態CO2和控制量的冷凝液態CO2在加壓下浸漬煙草，經快速釋壓，然后促致煙草膨脹。可以通過加熱、輻射熱或類似的能促致CO2浸漬劑快速膨脹的熱生成條件來實現已浸漬之煙草的膨脹。
為了實施本發明的方法，既可以處理整片的已烘干煙葉、已切斷或斬斷形式的煙草，也可以處理選定的煙草部分如煙梗甚或可以是重新組成的煙草。在已切碎的形式中，待浸漬之煙草所具粒度最好是從約6至約100目，而更好是不小于約30目。在此所用到目是根據美國的標準篩，而這些值則反映了有多于95%之給定粒度的煙粒能通過一給定目值的篩。
在此，水份%可以看作是與OV等值，因為除水以外，不會有超過煙葉重量0.9%的揮發物。OV的測定是對煙葉在一控制到212°F(100℃)下的循環空氣爐中曝放了3小時后，簡單測量其重量損失后的結果。此種作為初始重量%的重量損失即是OV含量。
一般，待處理之煙葉所具之OV含量至少約為12%和少于約21%。此待處理煙葉的OV含量最好應約為13%-16%。低于約12%OV時，煙草甚易破碎，造成大量的煙粉。高于約21%OV，就需作超量的預冷卻以實現可接收的穩定性同時需要極低的排出后溫度，結果形成易碎的脆性煙草。
根據本發明，為了在整個煙草床中實現所需之高松密度或較均勻的密度，或是獲得既有高松密度又較均勻的煙草床，常對煙草在以CO2浸漬之前加以壓實或壓緊。煙草可在放到加壓容器前壓實，或在加壓容器內時再加以壓實，這樣可使在壓力容器內的煙草最終所具的松密度基本均勻且顯著地大于典型松散充填之煙草的松密度。
對于分批式的浸漬作業，最好用CO2氣體沖洗含煙草的壓力容器，這種沖洗作業一般進行約1至4分鐘。在涉及到高松密度煙草床的最佳實施例中，由于空隙空間可能已最小化且由于對每磅煙草來說壓力容器也較小，是有可能減少這種沖洗要求的。在下面結合圖14-16所說述的例子中，僅需進行5秒的沖洗步驟。省除這種沖洗步驟不會有損于最終產品。沖洗的優點是能除掉可能干擾CO2回收之氣體，同時除去可能干擾CO2作全面滲透之外來氣體。
用于本發明方法中的氣態CO2通常來自一供應罐，在此罐中CO2保持在約400-1050psig(2758-7239kpa)壓力下形式的飽和液中。此供應罐可充以從壓力容器中通入的再進行壓縮的氣體CO2。也可以將CO2一般在壓力約215-約305psig(1482kpa-2103kpa)與溫度約-20°F-約0°F(-28.9℃～-17.8℃)下保持成液體形式的貯罐中，來取得另外的CO2。來自這種儲罐中的CO2可與再次進行壓縮的和存在供應罐內的氣態CO2混合。另外，對來自儲罐中的液態CO2可進行預熱，例如通過繞在供料管道上的適當加熱線圈，在把此CO/-2引入到壓力容器前，預熱到約0°-約84°F(-17.8-29℃)一溫度和約300-約1000psig(2068-6894kpa)一壓力。在此CO2引入到壓力容器內后，此包括有待處理之煙草的容器內部將一般處于約20°-約80°F(-6.7°-26.7℃)的一個溫度，以及足以使此CO2保持或基本處于飽和態的一個壓力下。
煙草的穩定性，亦即已浸漬之煙草經減壓后在最終膨脹步驟之前可以儲存的且仍能滿意膨脹的一段時間，須取決于初始的煙草OV含量亦即預浸漬的OV含量以及在排出壓力容器后的煙草溫度。俱有較高初始OV含量的煙草與具有較低初始OV含量的煙草相比，為了獲得相同程度的穩定性就需有較低的煙草通風后溫度。
OV含量對以250psia(1723.5kpa)和-18℃下的CO2浸漬之煙草的穩定性之影響，是按以下方式作了測定，即把一稱重過的烤煙樣品，通常約60至約70g，放在一約300cc的壓力容器內。然后將此容器浸于一調節到-18℃的溫度控制浴內。在此容器達到與浴熱平衡后，用CO2氣體沖洗此容器。再將此容器加壓到約250psig(1723.5kpa)。通過把此CO2壓力于-18℃保持在CO2飽和在力下至少20-30psig(1379-2068kpa)，以確保氣相浸漬。當讓煙草在壓力下浸漬約15-約60分鐘后，此容器壓力在與大氣相通時即于約3至約4秒內迅速降至大氣壓力。將通風閥立即關閉，并將保持在壓力容器內的煙草浸沒在-18℃的溫度控制浴中約1小時。經過約1小時后，此容器溫度在約兩小時后升高到約25℃，以便釋除余留在煙草中的CO2。用一臺IBM的兼容計算機以及從實驗室工藝公司(Laboratories Technologies Corp.)取得的LABTECH板本4數據搜集軟件，對此容器的壓力與溫度進行了連續的監控。此煙草在恒溫下隨時間變化而放出的CO2量能夠根據此容器隨時間變化的壓力加以計算。
圖3對于上述的在250psia(1723.5kpa)，-18℃下CO2浸漬的，約12%、14%、16.2%和20%的烤煙之穩定性作了比較。OV含量約20%的烤煙在-18℃經15分鐘后損失了它CO2拾取量的約71%，而OV含量約12%的烤煙經60分鐘后僅約損失它CO2拾取率的約25%。在容器溫度增至25℃后所放出的CO2總量乃是總的CO2拾取率的一種指標。這一數據指明，對于在可比壓力與溫度下的浸漬，隨著煙草OV含量的增加，煙草的穩定性下降。
為了實現足夠的煙草穩定性，當擬加以膨脹的煙草具有約15%的初始OV含量時，此煙草的溫度在從壓力容器排出后的溫度最好近似于約0°-10°F(-17.8°～-12.2℃)。初始OV含量大于約15%的煙葉應具有一低于約0-10°F(-17.8～-12..2℃)的通風后溫度，而初始OV含量低于15%的煙草則可保持在一大于約0-10°F(-17.8～-12.2℃)的溫度，以便取得可比程度的穩定性。例如，圖4表明了在各種OV含量下，煙草通風后溫度對煙草穩定性的影響。圖4表明，具有一約21%較高OV含量之煙葉需要有一約-35°F(-37.4℃)的較低的出口后溫度，以便獲得一可與具有約12%之較低OV含量，通風后溫度約0-10°F(-17.8～-12.2℃)之煙草的，類似水平的CO2隨時間的保留率。圖5與圖6分別表明了煙草OV含量與通風后溫度，對于在指明的出口后溫度下保持指明的一段時間后已膨脹煙草的平衡CV與比容之影響。
圖4、5與6根據的是實驗49、54與65中的數據。在各個這樣的實驗中，烤煙是放在一為此種烤煙充填到總容積在3.4立方英尺(.096m3)、2.4立方英尺(.068m3)的壓力容器內。在實驗54與65中，約有20磅(9.97kg)的20%OV煙草放在此壓力容器內。此種煙草在實驗54與65中，分別以CO2氣體在約421psig(2902kpa)和約153psig(1055kpa)下通過此容器，在以CO2氣體使之升壓到約800psig(5515kpa)之前，預冷約4-5分鐘。
浸漬壓力、CO2對煙草的質量比以及煙草的熱容可以按下述方式調節，使得在特定環境下，根據冷凝的CO2蒸發所需的冷卻量相對于CO2氣體在減壓時膨脹所提供的冷卻量是較小的。但是，隨著CO2氣體對煙草之質量比的下降，亦即隨著煙草松密度的增加，因冷凝的CO2蒸發所需的冷卻量也增加。為了能通過對煙草作預壓實來提高過程產率和實現更均的煙草膨脹，必須有控制地形成和蒸發冷凝的CO2。
在實驗49、54與65的每一個中，當達到約800psig(5515kpa)的浸漬壓力時，在容器于約90秒內快速地減壓到大氣壓力之前，使系統壓力保持在約800psig(5515kpa)約5分鐘。在冷卻后減壓過程中每磅煙草中冷凝之CO2的質量，在實驗54與65中已作了計算并報告如下。浸漬過的煙草在干燥氣氛下保持在其通風后溫度，直至它在一3英寸(76.2cm)直徑的膨脹塔中，通過與調節到該指明之溫度和在一約135ft/sec(44.1m/sec)下的蒸汽相接觸后，不超過5秒鐘。
表1實驗號5465加料,OV%20.520.4煙草重量(1bs.)22.521.25(10/2Kg)(9.63Kg)CO2流過冷卻壓力(psig)421153(2902KPa)(1055KPa)浸漬壓力(psig)800772(5515KPa)(5322KPa)預冷溫度(°F)10-20(12.2℃)(-29.2℃)通風后溫度(°F)10-20-35(12.2℃to-6.7℃)(-37.4℃)膨脹塔氣體溫度(°F)575575(302℃)(302℃)平衡的CV(cc/g)8.510.0SV(比容)(cc/g)1.82.5計算出的CO2冷凝的(1b./1b/tob)0.190.58
柱體容積(CV)“柱體容積”一詞是一個用來測定煙葉膨脹度的單位。貫穿這一申請文件中，與這類名詞相連系的所用到的一些數值確定如下將未膨脹時重20g或膨脹后重10g的煙草填料置于一6cm直徑的，型號為DD-60的比重計筒中，此比重計筒為德國漢堡區Hienr.Borgwaldt公司設計。將一重2kg，直徑為5.6cm的沖頭置于此筒之煙草上30秒鐘。讀取此受壓煙草的最后體積值并除以此煙草試樣重量，得出此柱狀體積以cc/g表出的值。這一實驗結果測定出一定重量之煙草填料的表觀體積。此取得的填料體積值作為柱狀體積予以報告。此實驗是在75°F(24℃)和60%RH(相對濕度)的標準環境狀況下進行的;通常，除非另有說明，此試樣即于上述環境狀況下預調節24-48小時。
比容(SV)“比容”一詞乃是用理想氣體定律的基本原理，測量固體對象如煙草等之體積和實際密度的單位。此比容由取密度的倒數測定，用“cc/g”表示。將一已稱重的煙草試樣，或按“原樣”于100℃干燥3小時，或使其平衡化而放置于一個CpuantachromePenta比重瓶的室中。然后以氦氣沖洗并加壓此室。把由煙草所置換之氦氣體積與需用來填滿一空試樣室之氦氣體積加以比較，然后據阿基米德原理測定此煙草的體積。貫穿此申請文件中，除非有不同聲明，此比容是用測定OV時所用的相同煙草試樣進行測定的，亦即此煙草是在一控制在100℃的循環空氣爐中經暴放3小時進行了干燥處理。
所要求的煙草穩定性程度，而因此所要求的煙草通風后溫度，是取決于多種因素的，其中包括此煙草在減壓后和在膨脹前所需的這段時間數。因此，所需通風后溫度的選擇應根據所需之穩定度作出。根據上述本發明之方法的另一個方面，此浸漬過的煙草要在浸漬與膨脹兩道工序間輸運而保持煙草對CO2的保留率。例如，煙草應由一絕熱的和冷的輸送機運送且應與任何帶潮氣的空氣隔開。
所需要的煙草通風后溫度可以由任何下述的適當裝置取得。包括在把煙草引入到壓力容器之前使之預冷，用冷的CO2沖洗或用其它適當裝置在原位冷卻壓力容器中的煙草，或在原位增大通過的CO2氣體流進行真空冷卻。真空冷卻的優點能降低煙草的OV含量而不會因熱降低煙草的品質。真空冷卻還能從容器中除去不冷凝的氣體，由此可以省去沖洗步驟。真空冷卻能有效地和實用地將煙草溫度降到低至約30°F(-1℃)。最好是讓煙草在壓力器皿中原位冷卻。
為到理想之煙草通風后溫度所需的預冷卻或原位冷卻量，取決于CO2氣體在減壓中由膨脹而提供的冷卻量。因CO2氣體膨脹致煙草冷卻的數量乃是CO2氣體之質量對煙草質量之比、煙草的熱容、最終的浸漬壓力以及系統溫度的函數。因此，對一定的浸漬過程而言，當煙草的給料與系統的壓力、溫度與容積固定時，對煙草通風后最終溫度的控制可以通過控制允許冷凝在煙草上的CO2數量來實現。這一因來自煙草上冷凝CO2之蒸發而致煙草冷卻的量，則是冷凝CO2的質量對煙草質量之比、煙草的熱容，以及此系統的溫度或壓力的一個函數。
在存在有冷凝的CO2時，松密度的改變不會顯著影響出口后溫度。當煙草在浸漬前以CO2壓實時，就會得到較大的松密度，允許在一定的浸漬容器內充填有較多的煙草物質。煙草松密度的增加會提高此過程的產率。盡管這一最佳實施例在描述執行壓實步驟來實現較大松密度時，包括了采用沖頭的機械式壓實，但可以利用任何其它的機械裝置或非機械的方法或裝備來壓實煙草的。
所需要的煙草穩定性由對所采用的浸漬與膨脹過程所作之具體設計決定。圖13表明了為實現所需之煙草穩定性而需用的煙草通風后溫度，在一特定的設計過程中，相對于OV的函數關系。下部的陰影區200表示的是因CO2氣體膨脹所貢獻的冷卻量，而上部區域250則表明因CO2液體蒸發，作為煙草OV之函數來提供所需穩定性而需要之另外的冷卻量。在此例子中，合適的煙草穩定性是在煙草溫度處在或低于“穩定”線所示之溫度時實現的。確定此煙草通風后溫度的過程變量包括前面討論過的一些變量，以及其它如下所述但不局限于它們的一些變量容器溫度、容器質量、容器容積、流體的幾何構型、設備的取向、對容器壁的熱傳輸速率以及在浸漬與膨脹間的過程設計的保持時間。
對于圖13所示明的800psig(5515kpa)過程，通風后保持時間約1小時，為實現所需的穩定性，12%OV的煙草是不需要預冷卻的;而對于21%OV的煙草，為了達到約-35°F(-37.4℃)的通風后溫度，則需進行充分的預冷卻。
當把液體CO2用作浸漬劑時，所需要的煙草通風后溫度是從約-35°F至約20°F(-37.4°～-6.7℃)，是顯著地高于約-101°F(-79℃)之通風后溫度的。這較高的煙草通風后溫度和較低的煙草OV，允許在一顯著較低的溫度下來進行膨脹步驟，結果使已膨脹的煙草較少帶烘烤味和較少損失香味。此外，為膨脹煙草所需的能量也較少，還由于只形成即使有的話也是極少的固體CO2，這樣就簡化了已浸漬之煙草的處理。與僅僅用液體CO2浸漬的煙草不同，按照本發明浸漬的煙草不會有形成必須用機械方式破碎的團塊之趨勢。這樣就可獲得較大的有用煙草的產率，這是因為省除了會形成小到難以用于香煙中之煙草粉的破碎煙團工序。
此外，在約-35°F(-37.4℃)的約21%OV的煙草以及在約20°F(-6.7℃)約12%OV的煙草，是和在約-110°F(-79℃)任何OV的煙草不同的，它們不脆，因而輸送過程中損傷極小。由于在正常運送作業中，例如在從加壓容器中卸下或是從加壓容器輸運到膨脹區中，因機械作業使煙葉破碎得較少，結果就能提高有用煙草的產率。
通過使出口的煙草OV也即緊接膨脹后的煙草OV含量提高到約6%OV或更高，可以減少浸漬之煙草膨脹過程中的化學變化，例如因加熱而損失還原糖與生物堿。這可以通過降低膨脹步驟中的溫度來完成。通常情況下，煙草出口OV的提高會伴隨著降低所達到的膨脹量。這種膨脹量的減少極其依賴于煙草起始進料的OV含量。隨著煙草進料的OV降至約13%，即使是在以約6%或更高的煙草水份含量來離開膨脹裝置時，也能觀察到膨脹程度存在著最小限度的降低。于是，如果進料OV與膨脹溫度減少，則當化學變化降到最小時會取得極其良好的膨脹效果。
圖7、8與9是以實驗號2241至2242和2244至2254為根據的。這些數據列于表2中。在以上各個實驗中，是把經過測量的一定烤煙量置于類似于圖1所述之容器的一種壓力容器中。
表2實驗號224122422244-46(第三)2245(第二)煙草重量(1b.)5冷凝的CO2未采用未采用 0.36 0.36(1b./1b.)計算結果塔的溫度(°F)625675500550進料:原料的OV18.818.917.017.2平衡的OV12.212.112.212.1平衡的CV(cc/g)4.54.64.84.9SV(cc/g)0.80.90.80.8塔:原樣的OV2.52.24.63.3平衡的OV11.511.211.911.8平衡的CV(cc/g)9.510.87.18.2SV(cc/g)3.03.11.82.3進料:
生物堿*2.712.712.712.71還原糖*13.613.613.613.6塔出口:
生物堿*2.121.942.472.42減少的%21.828.48.910.7還原糖*11.910.613.313.3減少的%12.522.02.22.2*重量%:干重基表2(續)實驗號2246(第一)2247-48(第一)2248(第二)2249-50(第一)煙草重量(1b.)325240240240冷凝的CO2(1b./1b.)計算結果0.360.290.290.29塔的溫度(°F)600400450500進料:原樣的OV17.514.314.215.2平衡的OV12.011.611.811.8平衡的CV(cc/g)4.95.25.35.3SV(cc/g)0.80.80.80.8塔:原樣的OV3.16.14.64.4平衡的OV11.612.011.611.5平衡的CV(cc/g)9.57.48.79.4SV(cc/g)2.82.22.62.9進料:
生物堿*2.712.712.712.71還原糖*13.613.613.613.6塔出口:
生物堿*2.122.612.492.36減少的%21.83.78.112.9還原糖*11.213.613.613.2減少的%17.6002.9*重量%:干重基表2(續)實驗號2250(第二)2251-52(第一)2252(第二)2253-54(第一)2254(第二)煙草重量(1b.)2402冷凝的CO2(1b./1b.)計算結果0.290.250.250.250.25塔的溫度(°F)550375425475525進料:原樣的OV15.012.913.012.812.9平衡的OV11.912.011.611.812.0平衡的CV(cc/g)5.35.45.45.35.4SV(cc/g)0.80.80.80.80.8塔:原樣的OV2.86.55.03.602.9平衡的OV11.412.212.111.811.7平衡的CV(cc/g)9.48.68.98.99.1SV(cc/g)3.02.62.83.13.2進料:
生物堿*2.712.712.712.712.71還原糖*13.613.613.613.613.6塔出口:
生物堿*2.262.542.452.392.28減少的%16.66.39.611.815.9還原糖*13.213.613.513.112.9減少的%2.900.73.75.1*重量%:干重基在實驗2241與2242中，于430psig(2964kpa)下用液體CO2浸漬了煙草。此煙草在過量的液體排盡前于此液體CO2中浸漬了約60秒。然后將容器迅速減壓至大氣壓力，在原位形成了固體CO2。從容器中取出浸漬過的煙草，破碎有可能形成的任何煙草團塊。再使此煙草于一8英寸(203mm)的膨脹塔中，通過與一調節到指定溫度下，速度約為85英尺/秒(25.9m/sec)的75%蒸汽/空氣的混合物作少于4秒的接觸，使之膨脹。
采用BranLuebbe(以前稱之為Tehnicon)的連續流分析系統，測量了煙草在膨脹前后的尼古丁生物堿與還原糖。用含水的醋酸溶液從此煙草中萃取出尼古丁生物堿與還原糖。對此萃取物首先作透析，取出這兩種測定物的主要干擾物。還原糖是通過它在一堿性物質中，于85℃下一對羥基苯酸酰肼反應形成一種顏色而予以測定。尼古丁生物堿則是在存在有芳族胺條件下使之與氯化氰反應來測定。尼古丁或還原糖含量減少就表明出此種煙草中的化合物與味覺成份有損失或發生了變化。
實驗2244至2254則是依據(后面)在例1中所述之本發明的方法，于800psig(5515kpa)下，以氣態CO2浸漬的結果。為了研究膨脹溫度的影響，在不同溫度下用單一浸漬方法使煙草發生膨脹。例如，將325磅(147kg)的煙草進行了浸漬，然后用約1小時的實驗過程對三個試樣于500°F(260℃)、550°FF(288℃)和600°F(315.5℃)下進行了實驗與膨脹，分別表示為實驗號2244、2245與2246。為了研究OV含量的影響，對OV含量約為13%、15%、17%與19%的幾批煙草進行了浸漬。實驗號下的記錄第一、第二或第三指明了從一具體浸漬過程中的秩序。此浸漬過的煙草是在一8英寸(203mm)的膨脹塔中，通過與調節到指定溫度下而速度約85ft/sec(25.9m/sec)的75%蒸氣/空氣混合物進行不超過約4秒的接觸，使之膨脹的。在與上述相同的方式下測量了生物堿與還原糖的含量。
參看圖2，待處理的煙草被引入到干燥器10中，在此使其從約19%-約28%的水份(重量)干燥到約12%-約21%的水份(重量)，而最好干燥到約13%-約16%的水份(重量)。要以用任何適當的裝置來完成干燥。已干燥的煙草可以大批地貯放于筒倉中從繼后浸漬與膨脹用，或在必要時，經適當的溫度調節與壓縮，直接送入加壓容器30之內。
有需要時，則可用稱重帶來計量一數量已測過的干燥煙草，然后送到煙草冷卻裝置20中傳送帶上，作浸漬前的處理。用包括冷凍方法在內的任何傳統方法，于冷卻裝置20內使煙草在送入加在容器30之前，冷卻到低于約20°F(-6.7℃)，而最好低于約0°F(-17.8℃)。
圖2A中之框圖與圖2中的類似，但是另外表明了一種壓實裝置80，用來在據本發明這一改進了的實施例以CO2浸漬煙草之前來壓實煙草。此種煙草可以于壓力容器中或在一分離的加壓站中或是在這兩者之中原位壓實。這樣，壓實裝置80是以獨立于壓力容器30或與之成一整體，同時包括適當的壓縮以及輸送裝置。
對于15%OV的煙草，壓實裝置80將煙草從開始時的蓬散松密度壓實到一高達從約12-約16lbs/cu.ft，而最好是從約13-約15lbs/cu.ft的緊致的松密度。業已觀察到，經壓實到高于約15或16lbs/cu.ft松密度的15%OV之煙草，在從浸漬容器中取出后，顯示出某種結團現象。
對于小型的浸漬機(例如約1立方英尺的)，煙草所壓實的松密度通過機械加壓后，在整個煙草床上基本上普遍均勻。對于大型的浸漬機，機械加壓能比只靠重力能提供較均勻的松密度。例如，當把25%OV的烤煙松散地裝入一約69″高和直徑約24″的圓筒中，所測得的松密度是在約23與約25.5lbs/cu.ft之間，在此煙草床的0″與約20″高之間的測量點處，基本上是均勻的，而在約31.5″高度處減少到約21lbs/cu.ft，然后在約31.5″與此床頂之間，則基本上呈線性地從約21下降到約14.5lbs/cu.ft。要是把一煙草床壓實到至少是閾值的松密度，則重力壓實效應可略去不計，而此松密度將在整個床中基本均勻。
采用了下面的程序來測量煙草床中不同深度處的松密度。將預稱量過的例如40磅數量的煙草依次地置入一筒內。在此筒中每放入40磅煙草后放置一標志。當此筒已為煙草填滿且在相續兩個40磅煙草量之間插好了標志時，將此圓筒仔細地撤出，留下直立的煙柱與上述標志。測量各個標志的高度，并用它們來計算相應40磅量煙草所占據的體積及其松密度。
此經冷卻與壓實了的煙草即通過它落入的煙草入口31送入加壓容器30中。此加壓容器30最好是具有垂向延伸縱軸線的一種筒，在此容器30底部上或其鄰近處設有一CO2供給入口33，而在此容器30的頂部或其附近設有一CO2排出口。但是，可以按任何方便的方向，例如垂向、水平方向、徑向，等等方向來達到排出目的，這是由于本發明的方法因均勻地控制了CO2的冷凝而在煙草床各個地方具有基本均勻的溫度。此外，這一煙草床本身實質上是均勻一致的，因而允許在任何方向上有均勻的氣流。
然后用氣態CO2沖洗加壓容器30，以從其中除任何空氣或其它不冷凝的氣體。另外，也可在將CO2引入此壓力容器之前，用直空泵抽空此容器，以除去空氣或其它氣體。要求沖洗是在這樣的方式下，即不會使容器30中之煙草顯著升溫。最好以任何適當的方式來處理此沖洗步驟中的污染物，以回收CO2供重新使用，或使之經管道34通入大氣中。
經沖洗步驟后，從將CO2保持在約400-約1050psig(2758-7239kpa)的供應罐50中，將CO2引入容器30中。當容器的內部壓力達到約300psig-約500psig(2068-3447kpa)時，便打開CO2的出口32，讓CO2流過煙草床，使煙草冷卻到一基本均勻的溫度，同時將容器30的壓力保持在約300-約500psig(2068-3447kpa)。在達到一基本均勻的溫度后，即關閉上CO2出口，同時添加CO2氣體，使容器30的壓力增加到約700-1000psig(4826-6894kpa)，而最好是增加到約800psig(5155kpa)。然后關閉CO2入口33。此時，煙草床溫度近似于CO2飽和溫度。盡管高達1050psig(7239kpa)的壓力從經濟上考慮是可取的，但等于CO2臨界壓力的1057psig(7287kpa)也是可以接收的，對于合用的浸漬壓力范圍尚無已知的上限，除了需考慮可資利用設備的能力以及超臨界CO2對煙草的影響之外。
在上述壓力容器升壓過程，循著一熱力學路徑，允許一控制量的飽和CO2氣體冷凝到煙此煙草上。圖1為CO2的標準溫度(°F)-熵(Btu/lb°F)圖，畫出一線Ⅰ-Ⅴ來示明本發明的一條熱力學路徑。例如，把在約65°F(18.3℃)的煙草置于一加壓容器(在Ⅰ)中，然后將此容器升壓到約300psig(2068kpa)(如線Ⅰ-Ⅱ所示)。通入約在300psig(2068kpa)的CO2使此容器冷卻到約0°F(-17.8℃)(如線Ⅱ-Ⅲ所示)。將另外的CO2氣體引向此容器，升壓至約800psig(5515kpa)而升溫至約67°F(19.4℃)。但由于煙草這時的溫度低于CO2氣體的飽和溫度，故會有控制量的CO2氣體均勻地冷凝到此煙草上(如線Ⅲ-Ⅳ所示)。在將此系統于約800psig(5515kpa)下保持到所需的一段時間之后，即讓容器快速減壓到大氣壓力，而形成一約-5°～-10°F(-20.6°～023.3℃)的通風后溫度(如線Ⅳ-Ⅴ所示)。
在升壓前原位冷卻煙草至約10°F(-12.2℃)，一般可使一定數量的CO2氣體冷凝。冷凝的結果一般會使液態CO2均勻地分布到整個煙草床上。這種液態CO2在排除步驟過程中的蒸發將有助于在一均勻方式下冷卻煙草。均勻的浸漬后的煙草溫度會導致膨脹得更均勻的煙草。CO2在煙草上的這種均勻冷凝以及這樣使煙草獲得的均勻冷卻結果，由于煙草業已被致密壓實到一基本均勻的松密度，而得到促進。
上述的均勻的煙草溫度示明于圖10，這是用于實驗28中的浸漬容器之示意圖，表明了在整個煙草床各個位置處于通風后的溫度(°F)。例如，此煙草床在距容器100頂3英尺(914mm)處橫剖面120上的溫度，經測得為約11°F(-11.7℃)、7°F(-14℃)、7°F(-14℃)與3°F(-16℃)，此時約有OV含量約為15%的1800磅(815kg)的烤煙放置在一5英尺(內徑)×8.5英尺(高度)(1524mm×2591mm)的加壓容器中此壓力容器然后在以CO2氣體加壓到約350psig(2413kpa)之前用CO2氣體沖洗約30秒。再通過以350psig(2413kpa)下的冷卻劑使此煙草床冷卻到約10°F(-12.2℃)。此時再使容器的壓力升高到約800psig(5515kpa)，并在于約4.5分鐘內快速減壓之前，保持約60秒。測量了這一煙草床在不同點處的溫度，發現其基本上均勻，如圖10所示。經計算，每磅煙草上冷凝有約0.26磅的CO2。
回到圖2，壓力容器30中的煙草在約800psig(5515kpa)的CO2壓力下保持約1秒至約300秒，而最好是保持約60秒。業已發現，煙草與CO2氣體的接觸時間，亦即煙草必須與CO2保持接觸以便吸收所需CO2量的需用時間，顯著地受到煙草OV含量與所用浸漬壓力的影響。具有較高初始OV含量的煙草與具有較低初始OV含量的煙草相比，在一定壓力下，特別是在較低壓力下時，用于獲得可比較之浸漬程度所需用的接觸時間較短。在較高的壓力下，煙草OV含量對于與CO2氣體接觸時間的影響減小。此種情況示明于表3。
表3浸漬壓力與煙草OV含量對與CO2接觸時間的影響實驗號202353027初始煙草OV(%)12.211.711.812.312.616.716.416.916.516.0浸漬壓力(psig)4700430430430460450在浸漬壓力下的接觸51560150.255101520時間(min)塔出口:
平衡的CV(cc/g)7.58.710.19.810.48.59.310.511.110.5SV(cc/g)1.82.12.83.13.12.12.63.43.12.9控制*平衡的CV(cc/g)5.35.45.25.65.75.55.55.75.55.5SV(cc/g)0.80.80.80.80.80.80.80.80.80.8*進料煙草的CV與SV
當此煙草經充分浸漬之后，取決于加壓容器30的尺寸，于約1-約300秒，通過使CO2首先排出到CO2回收裝置40，然后經管道34通向大氣，令此容器快速減壓到大氣壓力。在此排出步驟，業已冷凝到煙草上的CO2便被蒸發而有助于冷卻煙草，獲得一從約-35°-約20°F(-37.4°～-6.7℃)的煙草通風后溫度。
冷凝在煙草上的CO2量最好在每磅煙草0.1-0.9磅CO2的范圍。最佳范圍是每磅煙草0.1-0.3磅，但在某些環境下每磅煙草允許有高達0.5或0.6磅的CO2。
從壓力容器30中浸漬過的煙草可以用任何適當的裝置，例如加入到一膨脹塔70中，立即膨脹。另外，此浸漬過的煙草也可在一種干燥氣氛下，即露點低于煙草出口后溫度的氣氛下，于煙草轉運裝置中在此通風后溫度下保持約1小時，用于繼后的膨脹目的。經此膨脹后，必要時可對此煙草重新整序，而把此煙草用于制造包括香煙在內的一類煙草制品。
以下是些供說明用的例子例1將240磅(109kg)具有15%OV含量之烤煙填料試樣冷卻到約20°F(-6.7℃)，然后放入一約2英尺(610mm)直徑和約8英尺(2440mm)高的壓力容器內。用CO2氣體將此容器加壓到約300psig(2068kpa)。然后在將容器壓力保持到上述壓力條件下，在其以CO2氣體加壓到約800psig(5515kpa)之前，以接近飽和狀態的CO2氣體沖洗，使之冷卻到約0°F(-17.8℃)。此加壓容器的壓力保持在約800psig(5515kpa)約60秒。通過與大氣相通約300秒，使此容器壓力下降到大氣壓力，經此步驟，得知煙草溫度約為0°F(-17.8℃)。根據此煙草溫度、系統的壓力、溫度與體積，以及煙草的通風后溫度，計算出每磅煙草上冷凝有約0.29磅CO2。
此浸漬過的試樣由于CO2浸漬而增重約2%。然后將此浸漬的煙草經1小時之后置于一8英寸(203mm)直徑的膨脹塔中，與一種約550°F(288℃)而速度約85ft/sec(25.9m/sec)的75%蒸汽/空氣混合物接觸，作不超過2秒的加熱。這一從此膨脹塔出來之產物具有約2.8%的OV含量。將此產物置于75°F和60%RH標準狀態下平衡化約24小時。由標準化的比容(CV)實驗測量;此已平衡化之產物的充填本領。給出了一在11.4%平衡水份下9.44cc/g的CV值。在一未經膨脹的控制條件下，則得到具有一在12.2%平衡水份下5.3cc/g的比容。于是，這一經過處理后的試樣據此CV法測量的結果，充填本領提高了77%。
在實驗2132-1至2135-2中，研究了在膨脹之前經浸漬后的保持時間對已膨脹之煙草的CV和均衡化之CV的影響。在2132-1、2132-2、2134-1、2134-2、2135-1與2135-2的各個實驗中，都是將15%OV含量的225磅烤煙置于一與例1所述相同的壓力容器中。用CO2氣體將此容器加壓到約250-約300psig(1723-2068kpa)。然后依同于例1所述方式在保持為上術容器壓力條件下使煙草冷卻。再用CO2氣體將此容器加壓到約800psig(5515kpa)。在將容器以約300秒通向大氣壓力之前，將此壓力保持60秒。將此浸漬過的煙草在膨脹前保持在一露點低于煙草通風后溫度的條件下。圖11示明了浸漬后保持時間對已膨脹之煙草比容的影響。圖12則示明了浸漬后保持時間對已膨脹煙草之平衡化CV的影響。
例2將具有15%OV含量之烤煙填料試樣15磅置于一3.4立方英尺(0.096m3)的加壓容器中。然后用CO2氣體將此容器加壓到約185psig(1276kpa)。在保持上述容器壓力同時，在以CO2氣體使之加壓到約430psig(2695kpa)之前，用接近飽和狀態的CO2氣體沖洗約5分鐘，使煙草冷卻到約-25°F((-31.7℃)。經通向大氣約60秒鐘使此容器的壓力降至大氣壓。根據此煙草的溫度，系統的壓力、溫度與體積，計算出每磅煙草上冷凝有約0.23磅的CO2。
此浸漬過的試樣因CO2浸漬增重約2%。然后將此已浸漬的煙草經1小時后，在一3英寸(76.2mm)直徑的膨脹塔中，通過與在約525°F(274℃)和約135ft/sec(41m/sec)速度下之100%蒸汽接觸加熱不超過2秒。從此膨脹塔出來的產物具有約3.8%的OV含量。此產物在75°F(24℃)與60%RH的標準狀態下平衡化約24小時。用標準化的比容(CV)實驗測量了此已平衡化產物的充填本領。這樣就給出了一在11.0%平衡水份下的10.1cc/g的平衡化CV值。在一未經膨脹的控制條件下，得到一在11.6%平衡水份下的5.8cc/g的CV值。于是，此處理后的試樣根據上述CV法測量結果，增加了74%的充填本領。
如上所述，本發明的方法有利于按較小的批量對煙草作短周期的浸漬，使得此種方法基本上屬連續性方法。下面參看圖14-19描述據本發明之設備來實施此種方法的一個最佳實施例。所描述的實施例涉及到一種小批量短周期的浸漬方法與設備，用來浸漬OV含量約為15%的煙草，出料量約500磅/小時，松密度約14lbs/cu.ft。
圖14是用來實施本發明最佳方法之設備的示意性頂視圖。在機架1上安裝一固定臺2′(圖15)，而在臺2′上安裝一轉臺2。轉臺2依反時針方向(箭頭R)繞一基本垂直的軸線A轉動。上架1′則依如下所述方式載承一壓力容器30。
轉臺2為氣動器、馬達與可鎖定的齒輪組或步進馬達之類的驅動裝置，按基本上90°的節距轉動(箭頭R示向)，此種驅動裝置未于圖中示明，屬于熟悉本項技術之人周知的裝置。轉臺2上安裝有如下所述的四個相似的柱形管，即示明于給料或填料位置的管4、示明于加壓位置的管5、示明于浸漬段位置下的管6以及示明于排料位置中的管7。當驅動裝置使轉臺2按90°的轉動節距轉動時，各個管4、5、6與7即在約4秒鐘內轉到各自繼后的工作段，并如下所述于此保持約96秒。
圖15是圖14之設備的柱狀剖面圖。轉臺2直接安裝在支承于機架1的固定臺2′上。可設置通常的軸承來支承固定臺2′上的轉臺2，允許它們作相對轉動。管4、5、6與7分別裝于轉臺2一相應孔中，使各管的頂與底通過此轉臺2中時保持敞開。在各管底部可設一與臺2′擦接的刮件，以防煙草聚積于轉臺2與臺2′間的空隙。
有一給料輸送器9將松散的煙草(例如15%OV含量之煙草)，按基本上為連續流(箭頭F)的方式輸給一緩沖溜槽或緩沖管11內。煙草在為輸送器9輸送之前，例如可由圖2標明的干燥器10與冷卻器20進行預處理。此煙草落經緩沖管11并通一敞開的滑動閘門12進入給料位置中的管4。煙草的給料速率控制成，在約96秒的一工段周期時間內，能使管4基本上充滿到頂部。然后轉臺2在約4秒內使管4運動到圖15中為管5所占據之壓實或加壓段，此一般與圖2a中壓實裝置80相對應。
當轉臺2在相繼的兩個停止位置間按所述方式轉動時，滑動閘門12即關閉而停止松散煙草的流動，這些煙草然后即備存或堆填在緩沖管11內，直到下一個管(例如管7)位于閘門12下方，此時閘門12即打開。
每個管長約24″，內徑約14″，壁厚可經受對煙草的壓實力。當一已填料管處于管5的加壓位置時，便起動一壓實沖頭組件13。此組件一般相當于圖2a的壓實裝置，但也可以是例如一種液力驅動的活塞與缸體。沖頭組件13將煙草壓縮到它初始松散充填體積的一半并約兩倍于其初始松填的松密度，也即使其松密度提高到約13lbs/cu.ft。
在將煙草壓實后，沖頭組件13即在它已經歷約96秒的一個工段周期時間之前撤回。然后該盛有已壓實煙草的管便于約4秒內轉動至管6的浸漬位置且與臺2′的孔61對準。有一加壓容器沖頭組件14從轉臺2下虛線所示位置經過孔61并穿過管6。沖頭組件14將預壓實過的煙草帶出管6并送入壓力容器30。此組件14然后進一步將煙草壓至一約14lbs/cu.ft的松密度。至此，鎖定銷15將沖頭組件14鎖定就位，而以壓力容器30內的CO2按下面更具體所述來浸漬此已壓實的煙草。
之后，鎖定銷15便運動到一脫開位置，而沖頭組件14即自容器30撤出，同時有一頂推沖頭16向下驅動，以確保浸漬的煙草床完全脫離開壓力容器30。一旦沖頭組件14撤回到它起始位置，管6便可轉動將浸漬的煙草載運到圖15中管7的排出段。
排料組件，例如一沖頭，向下通過管7，保證已浸漬之煙草完全脫離管7，然后回撤。此煙草經臺21′中的孔71而后落入一排料漏斗組件17。漏斗組件17是隔熱的，并以溫度低于煙草出口后溫度的激冷干燥空氣冷卻之，以保持煙草的CO2浸漬劑。漏斗組件17包括一緩沖漏斗18和一批帶銷滾筒或所謂開幅輥19。此漏斗組件使一批批的浸漬煙草(本例中每批約14磅)均勻地成為煙草的一條連續整體流，同時重整此煙草流的形狀，以防“帶塞”膨脹設備。煙草在此漏斗組件17中歷經了一段在制煙工藝中稱之為疏松時間的一段保持時間。此疏松時間的長短取決于漏斗組件17從浸漬器接收煙草的頻次。較短的浸漬周期能縮短每批煙草的松散時間，減少CO2停留在煙草內的穩定性要求。由于CO2的穩定性與煙草的通風后溫度成相反關系，較短的周期不僅能在穩定性降低條件下進行有效的作業，還能比較長的周期具有相同的較高的通風后溫度。
圖16是圖15中壓力容器30的放大剖面圖，表示的是壓力容器沖頭14業已將一預壓實的煙草床(為醒目起見未示明)推入此容器內，并對煙草作進一步壓實，且業已為鎖定銷15銷定就位后的情況。壓力容器30包括一個筒34，例如可自蒸壓器工程公司(AutoclaveEngineeriag，Inc)或壓力制品公司(PressareProducts，Znc.)購得，此筒的內徑為14″。筒34最好襯以厚約0.125″的隔熱襯里35。推頂沖頭組件16裝配成能依箭頭16′方向，通過一在筒34頂部之中配有一壓力密封37的孔。沖頭組件16的軸38載承一上部氣體分配板39a、上部氣體室板41a和一上部屏42a。
屏42a、板41a與板39a形成一上部氣體分配器組件58a，其尺寸能使之緊密地配合在隔熱襯里35內但能于其中運動，在屏42a周圍安裝有一刮件43a。在壓力容器30的相對端，沖頭組件14包括一帶刮件43b的屏42b、下部氣體室板41b與下部氣體分配板39b組成的類似裝置。部件42b、41b與39b構成一下部氣體分配器組件58b，其尺寸例如小于14″，使之能滑配合入筒34的內徑范圍內。
這樣就形成了一種可含煙草的空腔，在徑向上為襯里35之內壁界定，頂部為屏42a限定而底部為屏42b所界定。圍繞推頂沖頭16之軸的壓力密封37以及一圍繞壓力容器沖頭14上部的壓力密封44，乃是把CO2氣體限制在浸漬壓力的高壓密封。在氣體分配板39a與筒34頂板間設有一低壓密封45a，而在下部氣體分配器組件58的周邊與筒34內壁之間則設有低壓密封45b。此低壓密封45a與45b可以是一種O形環密封件，只要它能承受在各個氣體分配板、氣體室板、屏以及煙草床上之間的低壓力差。密封45a與45b保證了能在整個氣體分配器組件上，因而在整個煙草床上使氣體均勻分配，而不只是沿著壓力容器的壁部通過。
為了以CO2浸漬壓實的煙草，打開一控制閥(未示明)使CO2氣體引導過氣體入口33，然后通過氣體強制通風系統46b、板39b與41b以及屏42b以滲透煙草床，同時流過相應的上部部件42a、41a、39a、46a與32。
隨著CO2氣體流入，空氣即被從煙草床中驅出，并通過屏42a、板41a與39a逸出，然后經氣體強制通風系統46a通過氣體出口32而來到一控制閥(未示明)，由此，CO2氣體可以排放到大氣或回收到一回收裝置40(圖2)中。最好將入口33設在強制通風系統46b之底部或底部附近，便于排出任何冷凝物，同時把出口32設在強制通風系統46a頂部上或頂部附近，以便使任何壓縮熱排出而不形成陷獲的“熱點”。
另一方面，通過對壓力容器加真空，可以從此容器中驅出空氣或其它的氣體。真空沖洗特別適用于本實施例中的壓力容器，這是因為此容器含有較低的氣體容積，因而于5秒鐘內便可達到足夠的真空。
起始時，上部控制閥完全打開，允許進行約5秒鐘的空氣沖洗。然后將上部控制閥調節到約250psig的壓力，由此使壓力容器于約2秒內升壓到約250psig，但同時還有極少量的氣體仍可經上部控制閥逸出。為了按照本發明來冷卻煙草，使約250psig的飽和CO2氣體流過此床約56秒鐘。將此煙草床均勻冷卻到CO2在約250psig的飽和狀態(例如參看圖1)。
此時將上部控制閥調節到約800psig，在此使CO2流入床內并于約6秒之內升到約800psig，同時仍有少量氣體會從此上部控制閥逸出。隨著壓力在整個床內均勻升高，氣體的飽和溫度(因而在整個床內也)均勻地升高，使得CO2均勻地通過床冷凝到冷的煙草上。由于冷凝的結果使煙草變暖，煙草的溫度便滯后于CO2氣體飽和溫度的增長。這樣便可繼續形成冷凝物，直到達到約800psig。
業已發現，在選定的約750psig或更高的壓力下，對于約15%OV的煙草，為了實現充分的浸漬，在此選定的高壓下是不需要另外的浸漬時間的。于是，當達到約800psig的壓力時，便可打開上下兩個控制閥，讓CO2氣體依上下箭頭32′示向，經入口33與出口32用約15秒排出，降回到大氣壓力。通過從底部與頂部兩處對床進行排氣處理，可以縮短所需的排出時間。這一短周期的于每小時產生約500磅密度約為14lbs/cu.ft之浸漬煙草的過程總結于后面的表4中。本發明這種短周期浸漬過程可以在約100秒內完成，這是因為沖洗、加壓與排出步驟都可以迅速地進行，同時由于有高壓下的“浸漬時間”和其它的克服壓縮熱等步驟都可省掉。
表4作業順序近似時間(秒)作業4使壓力容器沖頭與推頂沖頭向上運動以加入煙草2鎖合上鎖定銷5 通入CO2來清除空氣2升壓至250psig56 在250psig下通入CO26升壓至800psig0在800psig下流過"浸漬時間"15通風4使壓力容器沖頭與推頂沖頭向下運動以從浸漬器中取出煙草4使轉臺轉過約90°100近似的分批作業時間在排出步驟中，通過氣體的膨脹提供某種程度的冷卻，而絕大部分的致冷效應則是由冷凝之CO2蒸發來提供的。在此例中，這種冷卻效應均我地使煙草床溫度達到約0°F或更低。可以通過控制煙草的預冷以及流過壓力與最大壓力之類升壓周期參數，來控制出口后溫度，以便控制所達到的冷凝量。于是可以在不考慮煙草床密度條件下來達到均勻冷卻、浸漬與出口后穩定性。
本發明之短周期浸漬法的另一優點是，通過上述的作業步驟，能夠以約100秒的各個分批式周期的總時間和約14-15磅的批料量(對于壓縮到約14lbs/cu.ft的初始OV含量約15%的煙草)，來實現約500-520lbs/hr的基本上屬連續式的出料。事實上，上述的實施例便是設計用來正好獲得剛好在500lbs/hr以上的額定出料量的。只需適當地重新設計設備的尺寸與過程變量就可實現其它的出料率。
圖17是上述設備另一種變型的示意頂視圖。此設備與前述的類似且依一般相似的方式操作，但是將填料位置與壓縮位置兩者相結合。
在這一實施例中，有三個相似的管示明于加料或填料位置處的管4、示明于浸漬段位置下的管6以及示明于排料位置處的管7。當驅動裝置將轉臺2按120°轉動節距轉動時，各個管4、6與7于約4秒內轉動到各自相續的工作段，并如下所述于此保持約102秒。
圖18是圖17所示設備的柱狀剖面圖。對照圖15所作的描述普遍適用于圖18。但是，只有三個管4、6與7各自安裝在轉臺2的對應孔中。管4包括一在轉臺2上轉動的上管4a和一安裝在固定臺2′上的下管4b。當轉臺2轉動到各相繼的停動位置時，管4a、6與7將依序地在上方對準到下管4b。在各個管4a，6與7中設有相應的壓實套4′、6′與7′。在此實施例中，各個套約13″長，內徑約13.5″，壁厚約0.25″。這些套相對于有關的管4a、6或7緊密地配合但可于其中運動。各套最好都以隔熱材料制成，且最好如以下所述由幾個壓力均衡孔貫穿。
將煙草的加料速率控制成能于約90秒內將所需的煙草量加入到管4b與套4′內。然后將滑動閘板12閉合并使壓實輔助板48于約2秒鐘內運動(依箭頭48′示向)到管4a頂部處的位置。另外，可將部件12與48合成一個組件。然后用一壓實件于約10秒內將煙草壓實。壓實件13的起始位置可以根據每次需加入的煙草量來調節。轉臺2然后在約4秒內將充填有已壓實之煙草的管4a與套4′轉動到管6的浸漬位置。
使一壓力容器沖頭組件14從臺2′下虛線所示位置運動通過孔61并通過管6。沖頭組件14將壓實套6“與其中盛放的已預壓實之煙草帶出管6并送入壓力容器30內。然后由鎖定銷15將沖頭組件14鎖合就位，而如一般所述方式以壓力容器30內的CO2來浸漬此經壓實的煙草。
將鎖定銷15運動到脫開位置，從容器30中撤出沖頭組件14，同時將推頂沖頭16下驅，以使壓實套6′與已浸漬的煙草床完全脫離此壓力容器。一旦沖頭組件14脫離管6的底部和沖頭16回撤向其起始位置，管6便可轉動，將含有已浸漬煙草的且在此管6內的套6′帶到圖18中管7的排料段處。
圖19是圖18中壓力容器裝置30的放大剖面圖，此時加壓容器沖頭14業已將盛有已預壓實之煙草床(為醒目起見未予示明)的壓實套6′推入到此壓力容器內，并已由鎖定銷15鎖合就位。本實施例中的筒并無隔熱襯里35而是納置下此隔熱套6′。
這樣便形成了一裝盛煙草的空腔，它在徑向上為筒6′的內壁、在頂部上為屏42a而在底部上為屏42b所界定。在氣體分配器組件58a與筒34頂部間設有一低壓力密封。在組件58a與套6′的頂部邊緣間設有安裝在組件58a上的低壓力密封52a。在組件58b與套6的底部邊緣間設有低壓力密封52b。安裝在組件58a上的低壓力密封45a與52a和安裝在組件58b上的低壓力密封45b與52b，它們可以是那種O形密封件，只須承受位在各個氣體分配器板上的、氣體室板上的、屏上的與煙草床上的低壓力差。這些密封確保了氣體能通過上述屏作合適的分配，而不是沿著壓力容器的壁部通過。套6′可以由孔6″貫穿，以保證在此筒的壁上不存在有壓力差。
在此實施例中，出口32是設在筒34的頂部中以供向上排放用(如箭頭32′示向)。氣體強通風系統46a則是作為上部分配器組件58a的一個腔而形成。
浸漬過程與上述的類似，并總結于表4中。但在此實施例中，升壓至約250psig是在約2秒內完成，在約250psig下的流過則是在約61秒中進行完，而升壓到約800psig則是在約7秒內實現的。這樣，全部浸漬周期約需102秒。
在另一個例子中，其中有已浸漬過之壓實煙草的管，則具有4.724英寸(120mm)的內徑和12英寸(305mm)的高度，給出一個0.1217立方英寸(345cc)的容積。將一按約為4比1之比例的烤煙與白肋煙的混合物調配成不同的初始OV含量，如下面的表5所示。在浸漬管中的此整個煙草是有表5所示的不等之松密度的。將CO2氣體引入到加壓容器的底部，而壓力則增高到230-250psig(1586-1723.5kpa)，在此壓力下，可使CO2氣體流過煙草，直至煙草床頂部的溫度達到約-2°F。然后將此容器的出口閉合，使壓力升高到700-800psig(4826-5515kpa)。在送到此最大壓力后的一分鐘內，從容器的頂部與底部兩處釋放掉氣體減壓。表5示明了在不同初始松密度和OV含量下的幾個實驗結果。表中的“流過比例”表示用于冷卻目的之CO2的重量對煙草的重量比。表中的“流通終端溫度”是指加壓容器閉合上時的溫度。“平均PVT”是釋壓后之煙草通風后溫度，而“平均CO2保留率”則指經通風后，煙草中所保留的CO2重量，它被表示為總重量的一個百分率。
表5實驗號充填密度煙草OV 流過比例流遍終端溫度平均PVT 平均CO21bs/cu.ft % 1b.CO2/1b tob °F °F %518217-1.7-3.91.53620217-2.6-2.41.0213102113-2.4-4.80.891416217-1.8-5.11.3271012.615-2.0-3.81.6581212.69-4.0-7.31.5991412.67-2.0-5.21.35101612.69-1.9-1.81.50111812.67-2.7-3.51.65122012.69-2.2-3.11.9215101512na-9.91.941616159-2.1-3.61.56
當如所述，在依小批量，短周期浸漬，于一基本上連續作業的設備中來實施本發明的方法時，所用的浸漬容器在各個周期之中有可能進一步變冷，這樣就可能發生冷凝或結霜。要是在所需的作業條件下出現了“滾雪球效應”這樣的問題，則可如圖16與圖19所示，在氣體強制通風系統中設置加熱器35a與35b或隔熱裝置。圖16中的隔熱襯里35以及力力9中的套6，都是用來使金屬筒34與冷的煙草床和氣體進行熱絕緣的。可將上述加熱器控制到例如是在浸漬周期內起動工作，來避免在上述筒等的金屬表面上激冷過度和導致結霜的。除此方法，也可在浸漬周期之間將加熱到約70°-約150°F的空氣之類的熱氣體，引入到加壓容器中。
盡管在已述的最佳實施例中采用了轉動機架，但本發明之裝置的各個工作段是可以取線性排列形式或是具有一般工程知識的人所知的其它這樣裝置。
雖然本發明業已參照最佳實施例作了具體的描述和說明，但熟悉本項技術的人當知，在不脫離本發明的精神與范圍之前提下，是可以在形式與細節上對此作出種種變動的。例如，當用來浸漬煙草之設備的尺寸有了變化后，則用來達到所需壓力、或是通風、或是為合適地冷卻煙草床的時間也將變化。
在此說明書中所有的以psig表示的數值均已換算為kpa，但應知這些都是指儀表的計示壓力的。
權利要求
1.一種用來膨脹煙草的方法，它包括如下幾個步驟(a)使煙草與CO2氣體接觸，此時的壓力是約400-約1057psig(2758-7287kpa)，而此時的溫度使得此CO2氣體處在或接近飽和狀態；(b)讓煙草與此CO2保持接觸一段足以使煙草為CO2浸漬的時間；(c)釋壓；(d)之后，使煙草處于得以膨脹的條件下；(e)在步驟(a)之前，將煙草壓實到松密度不小于10lb/cu.ft(160.2kg/m3)并從煙草上除去足夠的熱量以致能有一控制量的CO2冷凝到煙草上，使得此煙草能在步驟(c)的釋壓之后，冷卻到約-35°-約20°F(-37.4～(6.7℃)的一個溫度。
2.一種用來膨脹煙草的方法，它包括在400-1057psig(2758-7287kpa)的壓力下以CO2氣體浸漬煙草，同時冷卻此煙草/CO2系統，使得此CO2氣體在浸漬過程中處在或接近飽和狀態，然后釋壓和加熱此煙草來釋除此CO2浸漬劑而由此來使煙草膨脹，特征在于此煙草在浸漬前被壓實到一不小于10lb/cu.ft(160.2kg/m3)的松密度，并在此浸漬步驟前實施冷卻使CO2足以在此浸漬步驟中冷凝到煙草之上，由此，通過釋壓、使CO2氣體膨脹并蒸發此冷凝的CO2，而令煙草的溫度降至-35°-20°F(-37.4～-6.7℃)之間的一個溫度。
3.如權利要求1或2所述的一種方法，其中此煙草被壓實到一10-20bl/cu.ft(160.2-320.4kg/m3)的松密度。
4.如權利要求1或2所述的一種方法，其中此煙草被壓實到一12-16lb/cu.ft(192.2-256.3kg/m3)的一個松密度。
5.如權利要求1或2所述的一種方法，其中此煙草被壓實到一13-15lb/cu.ft(208.2-240.3kg/m3)的松密度。
6.如權利要求1至4中任一項所述的方法，其中煙草在接觸步驟前具有一13-16%的OV含量。
7.如權利要求1至6中任一項所述的方法，其中對煙草的冷卻是通過使CO2氣體流過此煙草來實現的。
8.如權利要求7所述的方法，其中在此CO2氣體進行冷卻過程中的壓力低于500psig(3447kpa)。
9.如權利要求7或8所述的方法，其中在冷卻后使CO2氣體的壓力升高到，能使此CO2氣體于煙草上冷凝。
10.如權利要求9所述的方法，其中所升高的壓力是升高到750-950psig(5170-6459kpa)。
11.如權利要求10所述的方法，其中在冷卻過程中的壓力是在200-250psig(1387-1723kpa)。
12.如權利要求7所述的方法，其中在以CO2氣體進行冷卻過程的壓力低于200psig(1379kpa)，然后此壓力升到高于400psig(2758kpa)，以便CO2氣體冷凝到煙草上。
13.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中在接觸步驟中來冷卻煙草使CO2氣體冷凝到煙草上時，包括在使煙草與CO2氣體接觸之前進行預冷。
14.如權利要求13所述的方法，其中預冷是使煙草處于部分真空態下進行的。
15.如權利要求1至12中任一項所述的方法，其中煙草具有一15-19%的初始OV含量，但在與CO2氣體接觸前，使之處于部分真空態下來減少其OV含量并使之冷卻。
16.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中煙草是被冷卻到10°F(-12.2℃)或更低的一個溫度。
17.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中冷凝到煙草上的CO2量是在每磅煙草上有0.1到0.6磅的范圍。
18.如權利要求1至16中任一項所述的方法，其中冷凝到煙草上的CO2量是在每磅煙草上有0.1至0.3磅的范圍。
19.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中接觸步驟是在1到300秒一段時間內進行的。
20.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中在接觸步驟后的釋壓是在1至300秒的一段時間內進行的。
21.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中在釋壓后與膨脹前的浸漬煙草被保持在這樣的氣氛中，此氣氛的露點不大于釋壓后煙草的溫度。
22.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中煙草是在溫度處于約300-800°F(149°-427℃)的環境中加熱，保持約0.1-約5秒的一段時間而膨脹。
23.如權利要求1至21中任一項所述的方法，其中煙草是在其與處于約350°-550°F(177°-288℃)時的蒸汽和/或空氣接觸不超過4秒而膨脹的。
24.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中煙草在釋壓后的溫度低于10°F(12.2℃)。
25.如權利要求1所述的一種方法，其中在步驟(e)，煙草是由CO2氣體冷卻到10°F或更低的一個溫度下，然后由飽和的CO2氣體使之升壓到400-1057psig，由此形成一包括煙草與冷凝之CO2的系統，而此系統則在壓力下保持與CO2氣體相接觸以進行浸漬，在此，當于步驟CO中釋壓時，此煙草即為冷凝之CO2的蒸發以及此CO2氣體所冷卻。
26.如權利要求23所述的方法，其中冷卻是通過使CO2氣體流經上述系統而實現的，而后升高此氣體的壓力來實現冷凝與浸漬。
27.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中經釋壓后，已浸漬過的煙草保留有1-4%重量的CO2。
28.如上述各權利要求中任一項所述的方法，其中煙草在被引入到一用于浸漬步驟之壓力容器內前，于一獨立的容器內壓實到一不小于10lb/cu.ft(160.2kg/m3)的松密度。
29.如權利要求28所述的方法，其中煙草在此壓力容器內進一步壓實。
30.如權利要求28或29中所述方法，其中使CO2氣體流過此壓力容器中的煙草來冷卻煙草。
31.如權利要求28至30中任一項所述方法，其中，將用于處理之煙草保持于若干筒罐中而輸送過一系列的工作段，這些工作段包括將煙草引入一筒罐中的加料段;使煙草批料在其間轉運到壓力容器、冷卻、浸漬并返回到前述筒罐中的浸漬段;以及在其間使已浸漬之煙草批料從前述筒罐中取出的卸料段。
32.如權利要求31中所述的方法，其中對煙草的壓實是在此加料段中進行的。
33.如上述各權利要求中任一項所述方法，其中用來進行浸漬之壓力容器的容積不超過2.5立方英尺(0.07m3)，而最好不超過1.5立方英尺(0.042m3)。
34.一種煙草制品，它包括依據上述任一項權利要求所制備的已膨脹之煙草。
35.用來以CO2來浸漬煙草的設備，它包括一種煙草浸漬容器，用來裝盛煙草和納置用來在壓力下浸漬此煙草的CO2氣體;一種煙草壓實器，用來在把煙草放入上述浸漬容器前來壓實此煙草;一種輸送裝置，它帶有筒罐，用來將各批煙草從此壓實器輸送到浸漬容器;以及轉運裝置，用來將煙草批料從一個筒罐轉運到浸漬容器，并在浸漬后將此容器返運回此筒罐。
36.如權利要求35所述的設備，其中，所述轉運裝置使上述各個筒罐依次通過一列工段，即加料段，在此對筒罐加料;浸漬段，上述浸漬容器即位于其間;以及卸料段，在此工段中將已浸漬之煙草從筒罐中取出。
37.如權利要求36所述的設備，其中壓實器是位于加料段之中。
38.如權利要求36所述的設備，其中壓實器是位于前述之加料段與浸漬段之間的一個壓實段之中。
39.如權利要求35至38中任一項權利要求所述的設備，此設備還包括有在卸下一批已浸漬之煙草后用來使浸漬容器升溫的裝置。
40.如權利要求1或25中所述的方法，其中，步驟(a)、(b)和(c)在不超過300秒-最好不超過100秒的累積時間中進行。
全文摘要
將一批煙草送入一安裝在分度轉臺上的筒中，此轉臺載運著該筒依次通過四個工段。在第二工段，煙草由沖頭壓實。在第三工段，這批煙草轉運到一壓力容器中，并使CO
文檔編號A24B3/12GK1095248SQ93120188
公開日1994年11月23日 申請日期1993年12月16日 優先權日1992年12月17日
發明者鄺·H·喬, 托馬斯·J·克拉克, 約瑟夫·M·多布斯, 尤金·B·費希爾, 黛安尼·L·萊斯特, 喬斯·M·G·尼波姆西諾, 沃爾特·A·尼科爾斯, 拉維·普拉塞德 申請人:菲利普莫里斯生產公司