Измерение параметров табачного порошка для изготовления подвёртки и обёртки для сигар

Ключевые слова: анализатор размера частиц (PSA), лазерная дифракция, табак, гомогенизированный табачный лист (HTL), сигары машинного производства, автосамплер

Гомогенизированный табачный лист (HTL) — это похожий на бумагу материал, получаемый из тонкоизмельченного табака. Внутренняя и внешняя оболочки сигар машинного производства (подвёртка и обёртка) часто состоят из листов HTL, поскольку они обладают большей механической прочностью и однородностью, чем цельные табачные листья. Мы измерили размер частиц табачных порошков, предназначенных для HTL-производства подвёртки и обёртки сигар, используя PSA. Частицы табака оказались хрупкими, и параметры измерения пришлось тщательно регулировать, чтобы ограничить механическое воздействие. Измерения проводились как в сухом, так и в жидком режиме и показали отличную повторяемость. Табачный порошок, предназначенный для изготовления обёртки, имел несколько меньшие размеры частиц и более однородное распределение, чем порошок для подвёртки, что указывает на то, что обёртка, полученная из HTL, может быть более тонкой и гладкой, чем подвёртка из HTL.

1 Вступление

Традиционные сигары ручной работы изготавливаются из 3 различных сортов высушенных и ферментированных табачных листьев, называемых наполнителем, подвёрткой и обёрткой. Наполнитель состоит из связанного пучка табачных листьев и составляет основную часть сигары. Этот наполнитель удерживается вместе первым слоем табачного листа, называемым подвёрткой. Листы для подвёртки обычно собирают с наиболее близкой к солнцу верхней части табачного растения, поэтому они более эластичные, толстые и прочные. Самый внешний слой сигары — это обёртка, гладкий, тонкий и эластичный лист, который должен быть выращен в тени и ферментирован отдельно, что делает его наиболее характерной (а также дорогой) частью сигары (1).

Начиная с 1950-х годов популяризация курения сигар побудила производителей разработать экономически эффективные производственные процессы.

Сигары машинного производства имитируют состав сигар ручной работы и также состоят из наполнителя, подвёртки и обёртки. В этом случае наполнитель обычно состоит из измельченных табачных листьев, также называемых коротким наполнителем (из коротких волокон табака), который дешевле целых листьев и обладает преимуществом в плане придания большей однородности готовому продукту. Поскольку цельные табачные листья, как правило, слишком хрупки для машин для изготовления сигар, то и подвёртка, и обёртка часто состоят из гомогенизированного табачного листа (HTL).

HTL производится из тонкоизмельченного табачного порошка, который смешивается в кашицу с водой и целлюлозой, а затем раскатывается в листы. Повышенная стойкость и однородность HTL делают его идеально подходящим для автоматизированного изготовления сигар. Кроме того, HTL помогает контролировать скорость горения сигары, что является важным критерием удовлетворенности потребителя (2).

Мы исследовали распределение частиц по размерам у двух табачных порошков, предназначенных для HTL-производства подвёртки и обёртки для сигар.

2 Условия эксперимента

Были исследованы два различных табачных порошковых материала, предоставленных производителем HTL. Один состоял из порошкообразного табака, предназначенного для HTL-изготовления подвёртки для сигар (далее «подвёртка»), другой предназначался для изготовления обёртки для сигар («обёртка»).

Рисунок 1. PSA 1190 L/D, оснащенный аксессуаром для автоматического отбора проб

Измерения проводились как в жидком, так и в сухом режиме при комнатной температуре (около 25°C) на PSA 1190 L/D. Для подачи образцов использовался аксессуар для автоматического отбора проб (автосамплер) (рис. 1). Были исследованы три независимых образца подвёртки, а также обёртки, и каждый образец был измерен в трех повторах. Для расчета размера частиц использовалось приближение Фраунгофера. Полные настройки прибора подробно описаны в таблице 1 ниже.

Таблица 1. Настройки SizeExpert, используемые для измерения параметров табачного порошка в жидком и сухом режимах.

3 Результаты и обсуждение

3.1 Измерения параметров материала подвёртки

На рисунке 2 показано измеренное распределение частиц материала подвёртки по размерам в жидком режиме с использованием воды в качестве растворителя. Кроме того, показано наложение трех повторений на три отдельных образца (т.е. в общей сложности 9 измерений).

Взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения (RSD) приведены в таблице 2.

Для всех трех измеренных независимых образцов наложение (рисунок 2, нижняя панель) показывает небольшое смещение распределения в сторону меньших размеров частиц между первым циклом измерений и двумя последующими (см. также таблицу 2). Это говорит о том, что механическое напряжение, вызванное мешалкой, разрушает некоторые из более крупных частиц. Применение ультразвука к резервуару для образцов перед измерением значительно усиливает этот эффект (данные не показаны), подтверждая хрупкость табачного порошка. Таким образом, все измерения в жидком режиме, представленные здесь, выполняются без воздействия ультразвука.

Рисунок 2. Материал подвёртки, измеренный в жидком режиме. Верхняя панель: однократное репрезентативное распределение частиц по размерам на основе объема. Нижняя панель: наложение трех независимых образцов, каждый из которых измерен в трех повторах.

Таблица 2. Взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения для материала подвёртки, измеренные в жидком режиме. Прогон 1: среднее значение первого прогона измерений для всех образцов. Прогон 2 и 3: среднее значение второго и третьего измерения всех образцов.

Для измерения материала подвёртки в сухом режиме используется запатентованная дисперсия сухой струей (также называемая дисперсией Вентури). Как и в случае жидкой дисперсии, табачный порошок, по-видимому, очень чувствителен к разрушению, вызванному давлением воздуха, поскольку увеличение давления Вентури сильно искажает распределение в сторону малых размеров частиц (данные не показаны). Однако разрушение частиц ограничено, когда измерения выполняются с использованием низкого давления Вентури 250 мбар. Поэтому все сухие измерения, представленные здесь, выполняются с использованием этого давления.

На рисунке 3 показано распределение частиц по размерам, измеренное в сухом режиме. Взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения (RSD) из трех независимых выборок приведены в таблице 3.

Рисунок 3. Материал подвёртки, измеренный в сухом режиме: типичное объемно-взвешенное распределение частиц по размерам.

Таблица 3. Взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения для подвёртки, измеренные в сухом режиме. Средние значения из трех независимых выборок.

Результаты измерения размера частиц в сухом состоянии кажутся немного ниже, чем результаты, полученные в жидком режиме. Это особенно заметно для значения D₉₀, которое на 25% ниже в сухом режиме (128 мм), чем в жидком режиме (169 мм при первом прогоне).

Учитывая наблюдаемую склонность табачного порошка к разрушению, можно предположить, что измерения в сухом виде, даже выполняемые при низком давлении Вентури, приводят к большему повреждению частиц, чем измерения в жидком виде. Другим вероятным объяснением является то, что табачный порошок содержит некоторое количество неповрежденных (но обезвоженных) растительных клеток, которые просто снова набухают, поскольку они диспергируются в воде и, следовательно, увеличиваются в размерах. Кроме того, фракции клеточной стенки, которые имеют сложный полисахаридный состав, также могут пассивно поглощать воду и демонстрировать увеличенный размер при гидратации.

3.2 Измерения параметров материала обёртки

Рисунок 4. Материал обёртки, измеренный в жидком режиме. Верхняя панель: репрезентативное распределение частиц по размерам на основе объема. Нижняя панель: наложение трех независимых образцов, каждый из которых измерен в трех повторах.

Таблица 4. Взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения для материала обёртки, измеренные в жидком режиме. Прогон 1: среднее значение первого прогона измерений для всех образцов. Прогон 2 и 3: среднее значение второго и третьего измерения всех образцов.

На рисунке 4 показано репрезентативное распределение частиц материала обёртки по размерам, измеренное в жидком режиме, а также наложение трех повторений на трех отдельных образцах. Взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения (RSD) приведены в таблице 4.

Для этого образца наблюдается тот же эффект, что и для материала подвёртки. Первый прогон в трех повторах систематически возвращал бóльшие размеры частиц, чем 2 и 3 прогоны, что указывает на разрушение частиц.

На рисунке 5 показано измеренное распределение частиц по размерам в сухом режиме при давлении Вентури 250 мбар. Соответствующие взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения (RSD), рассчитанные по результатам трех последовательных измерений, приведены в таблице 5.

Как и в случае подвёртки, размеры частиц, полученные при измерении в сухом состоянии, меньше, чем при измерении в жидком состоянии. Опять же, это особенно верно для крупных частиц в распределении, о чем свидетельствует снижение значения D90 на 26%, наблюдаемое в сухом режиме по сравнению с жидким режимом.

Рисунок 5. Материал обёртки, измеренный в сухом режиме: типичное объемно-взвешенное распределение частиц по размерам.

Таблица 5. Взвешенные по объему значения D и относительные стандартные отклонения для материала обёртки, измеренные в сухом режиме. Средние значения из 3 независимых выборок.

Интересно, что размер частиц обёрточного материала меньше, чем у материала подвёртки, как в жидком, так и в сухом режиме. В частности, значения D90 обёртки значительно ниже значений D₉₀ подвёртки, что указывает на то, что материал обёртки содержит меньше крупных частиц, чем материал подвёртки.

4 Заключение

Для производства HTL табачные листья и обрезки сначала тщательно высушиваются, а затем измельчаются в порошок. Для контроля этого конкретного этапа обработки измерения размера частиц, вероятно, наиболее актуальны в сухом режиме. Затем табачный порошок смешивают с водой и целлюлозой и измельчают до состояния кашицы перед скатыванием в листы. Таким образом, измерение размера частиц табака в жидком режиме, когда частицы гидратированы, имеет большое значение для этого ключевого процесса производства HTL.

Мы показали, что PSA способен измерять распределение частиц табачного порошка по размерам с высокой повторяемостью как в жидком, так и в сухом режиме. Однако необходимо соблюдать осторожность, чтобы механическое воздействие на частицы, которые очень восприимчивы к разрушению, было минимальным.

В жидком режиме это достигается за счет диспергирования при низкой скорости перемешивания и отказа от использования ультразвука. В сухом режиме диспергирование порошка при низком давлении Вентури (250 мбар) также ограничивало разрушение.

В целом было установлено, что обёрточный материал содержит частицы меньшего размера, чем материал подвёртки, и имеет несколько более узкое распределение по размерам. Это указывает на то, что эти два материала хорошо подходят для их соответствующих целей. Действительно, в то время как лист HTL, предназначенный для подвёртки, должен обладать высокой устойчивостью к механическим воздействиям, обёрточный лист HTL, который придает сигаре законченный вид, в идеале должен быть тонким, гладким и эластичным. Поскольку материал обёртки более тонкий и однородный, чем материал подвёртки, мы можем предположить, что соответствующий ему лист HTL будет более тонким и гладким, чем лист HTL, полученный из его более грубого аналога.

5 Ссылочные документы

1. «Сигара». Процесс изготовления. [Онлайн] [Проверено: 30 июля 2018 года] http://www.encyclopedia.com/manufacturing/news-wires-white-papers-and-books/cigar.
2. Карлтон Хакер, Ричард. Лучшая книга о сигарах, 4-е издание. Нью-Йорк: Skyhorse Publishing, 2015.