<abstract xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

A lit cigarette forms a positive and negative pressure zone by a puff with respect to the position of its paper burn line. Smoke aerosols generated from the two zones are then pulled through the rod under the puff to form the mainstream smoke. This phenomenon is fundamental to the thermophysics and the resultant chemical composition of the mainstream smoke. In this study, we created two different airflow pathways inside a heated tobacco rod by a puff, and investigated the differences in aerosol formation and its chemical compositions. The two different pressure-induced conditions, one through an open-ended tobacco rod (marked as HNB, a label of a designed airflow pathway of commercial heated tobacco products called heat-not-burn prior), and the other through a closed-ended tobacco rod (marked as NSC, a label of a novel-designed airflow pathway of heated tobacco products), were compared for their aerosol collected mass (ACM), the contents of nicotine, water and added aerosol agents such as propylene glycol (PG) and glycerol (VG), as well as selected aldehydes and ketones in the mainstream aerosol. Aerosol particle distribution and the heated temperature along different rod locations were also compared during a puff. The results indicated marked differences in the aerosol formation processes between the two HNB and NSC systems. The transfer ratios of the main aerosol components were significantly higher for the NSC; the levels of formaldehyde and acetaldehyde were significantly lower under the NSC than the HNB condition. There were also significant differences for the aerosol particle number concentration (APNC) and count median diameter (CMD) for the two systems. The lack of convective heat transfer in the aerosol formation under the NSC condition resulted in a relatively stable thermal aerosol generation zone, reflected by the temperature difference between the two systems in the selected locations. The NSC mode of tobacco heating thus offers a novel and enhanced aerosol generation for heat tobacco product designs.
</abstract>

A lit cigarette forms a positive and negative pressure zone by a puff with respect to the position of its paper burn line. Smoke aerosols generated from the two zones are then pulled through the rod under the puff to form the mainstream smoke. This phenomenon is fundamental to the thermophysics and the resultant chemical composition of the mainstream smoke. In this study, we created two different airflow pathways inside a heated tobacco rod by a puff, and investigated the differences in aerosol formation and its chemical compositions. The two different pressure-induced conditions, one through an open-ended tobacco rod (marked as HNB, a label of a designed airflow pathway of commercial heated tobacco products called heat-not-burn prior), and the other through a closed-ended tobacco rod (marked as NSC, a label of a novel-designed airflow pathway of heated tobacco products), were compared for their aerosol collected mass (ACM), the contents of nicotine, water and added aerosol agents such as propylene glycol (PG) and glycerol (VG), as well as selected aldehydes and ketones in the mainstream aerosol. Aerosol particle distribution and the heated temperature along different rod locations were also compared during a puff. The results indicated marked differences in the aerosol formation processes between the two HNB and NSC systems. The transfer ratios of the main aerosol components were significantly higher for the NSC; the levels of formaldehyde and acetaldehyde were significantly lower under the NSC than the HNB condition. There were also significant differences for the aerosol particle number concentration (APNC) and count median diameter (CMD) for the two systems. The lack of convective heat transfer in the aerosol formation under the NSC condition resulted in a relatively stable thermal aerosol generation zone, reflected by the temperature difference between the two systems in the selected locations. The NSC mode of tobacco heating thus offers a novel and enhanced aerosol generation for heat tobacco product designs.

Aerosol Formation and Transfer in Open- and Closed-Ended Heated Tobacco Products

<trans-abstract xml:lang="de" xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

Beim Zug an einer angezündeten Zigarette bildet sich eine Über- und Unterdruckzone entlang der Position der Brennlinie auf dem Papier. Rauchaerosole, die in den beiden Zonen entstehen, werden dann beim Ziehen durch den Zigarettenstrang geführt und bilden den Hauptstromrauch. Dieses Phänomen ist von grundlegender Bedeutung für die Thermophysik und für die daraus resultierende chemische Zusammensetzung des Hauptstromrauchs. In der vorliegenden Studie erzeugten wir im Inneren eines erhitzten Tabakstrangs pro Zug jeweils zwei verschiedene Luftströmungspfade und untersuchten die Unterschiede in der Bildung der Aerosole und deren jeweiliger chemischer Zusammensetzung. Die zwei unterschiedlichen druckinduzierten Zustände, zum einen über einen offenen Tabakstrang (gekennzeichnet als HNB, der früheren Bezeichnung für einen bei handelsüblichen erhitzten Tabakerzeugnissen eingesetzten Luftströmungspfad namens “Heat-not-Burn”) und zum anderen über einen geschlossenen Tabakstrang (gekennzeichnet als NSC, der Bezeichnung für einen neuartigen Luftströmungspfad für erhitzte Tabakerzeugnisse), wurden hinsichtlich ihrer erfassten Aerosolmasse (ACM), des Gehalts an Nikotin, Wasser und Aerosol-zusatzstoffen wie Propylenglykol (PG) und Glycerin (VG) sowie ausgewählter Aldehyde und Ketone im Hauptstromaerosol verglichen. Es wurden zudem die Verteilung der Aerosolpartikel sowie die Erhitzungstemperatur an verschiedenen Strangorten während des Zuges verglichen. Die Ergebnisse deuteten auf markante Unterschiede in den Aerosolbildungsprozessen zwischen dem HNB-System und dem NSC-System hin. Beim NSC-System war das Übertragungsverhältnis bei den Hauptaerosolbestandteilen signifikant höher. Derweil war der Gehalt an Formaldehyd und Acetaldehyd beim NSC-System signifikant niedriger als beim HNB-System. Auch bei der Aerosolpartikelanzahlkonzentration (APNC) und dem mittleren Zähldurchmesser (CMD) gab es signifikante Unterschiede zwischen den beiden Systemen. Im NSC-System resultierte die nicht vorhandene konvektive Wärmeübertragung bei der Aerosolbildung in einer relativ stabilen thermischen Aerosolerzeugungszone, was sich in den Temperaturunterschieden zwischen den beiden Systemen an den ausgewählten Orten widerspiegelte. Somit bietet das NSC-System der Tabakerhitzung die Möglichkeit einer neuartigen und verbesserten Aerosolerzeugung bei dem Design erhitzter Tabakerzeugnisse.
</trans-abstract>

Beim Zug an einer angezündeten Zigarette bildet sich eine Über- und Unterdruckzone entlang der Position der Brennlinie auf dem Papier. Rauchaerosole, die in den beiden Zonen entstehen, werden dann beim Ziehen durch den Zigarettenstrang geführt und bilden den Hauptstromrauch. Dieses Phänomen ist von grundlegender Bedeutung für die Thermophysik und für die daraus resultierende chemische Zusammensetzung des Hauptstromrauchs. In der vorliegenden Studie erzeugten wir im Inneren eines erhitzten Tabakstrangs pro Zug jeweils zwei verschiedene Luftströmungspfade und untersuchten die Unterschiede in der Bildung der Aerosole und deren jeweiliger chemischer Zusammensetzung. Die zwei unterschiedlichen druckinduzierten Zustände, zum einen über einen offenen Tabakstrang (gekennzeichnet als HNB, der früheren Bezeichnung für einen bei handelsüblichen erhitzten Tabakerzeugnissen eingesetzten Luftströmungspfad namens “Heat-not-Burn”) und zum anderen über einen geschlossenen Tabakstrang (gekennzeichnet als NSC, der Bezeichnung für einen neuartigen Luftströmungspfad für erhitzte Tabakerzeugnisse), wurden hinsichtlich ihrer erfassten Aerosolmasse (ACM), des Gehalts an Nikotin, Wasser und Aerosol-zusatzstoffen wie Propylenglykol (PG) und Glycerin (VG) sowie ausgewählter Aldehyde und Ketone im Hauptstromaerosol verglichen. Es wurden zudem die Verteilung der Aerosolpartikel sowie die Erhitzungstemperatur an verschiedenen Strangorten während des Zuges verglichen. Die Ergebnisse deuteten auf markante Unterschiede in den Aerosolbildungsprozessen zwischen dem HNB-System und dem NSC-System hin. Beim NSC-System war das Übertragungsverhältnis bei den Hauptaerosolbestandteilen signifikant höher. Derweil war der Gehalt an Formaldehyd und Acetaldehyd beim NSC-System signifikant niedriger als beim HNB-System. Auch bei der Aerosolpartikelanzahlkonzentration (APNC) und dem mittleren Zähldurchmesser (CMD) gab es signifikante Unterschiede zwischen den beiden Systemen. Im NSC-System resultierte die nicht vorhandene konvektive Wärmeübertragung bei der Aerosolbildung in einer relativ stabilen thermischen Aerosolerzeugungszone, was sich in den Temperaturunterschieden zwischen den beiden Systemen an den ausgewählten Orten widerspiegelte. Somit bietet das NSC-System der Tabakerhitzung die Möglichkeit einer neuartigen und verbesserten Aerosolerzeugung bei dem Design erhitzter Tabakerzeugnisse.

<trans-abstract xml:lang="fr" xmlns="http://www.w3.org/1999/xhtml">

A chaque bouffée tirée sur une cigarette allumée, se créent une zone de pression négative et une autre de pression positive au niveau de la ligne de combustion du papier. Les aérosols présents dans la fumée générée dans ces deux zones sont ensuite aspirés à travers le boudin continu de tabac à chaque bouffée pour ensuite former la fumée principale. Ce phénomène est déterminant pour la thermo-physique et la composition chimique résultante de la fumée principale. Lors de la présente étude, nous avons créé deux voies distinctes d’écoulement d’air à l’intérieur du boudin de tabac chauffé lors d’une bouffée et avons analysé les écarts dans la formation des aérosols et leur composition chimique. Deux paramétrages distincts en raison de leur conditions de pression, avec d’une part, un flux circulant dans un boudin de tabac ouvert (libellé HNB, une appellation indiquant une voie construite d’écoulement d’air pour des produits de tabac chauffé du commerce, appelée précédemment “heat-not-burn” ou chauffe sans combustion) et d’autre part, un flux circulant dans un boudin de tabac fermé (libellé NSC, une appellation indiquant une voie nouvellement conçue d’écoulement d’air pour les produits de tabac chauffé) furent comparés sur la base de leur masse collectée d’aérosols (ACM), de leurs teneurs en nicotine, en eau et en agents aérosols ajoutés tels que le propylène glycol (PG) et le glycérol (VG) ainsi qu’une sélection d’aldéhydes et de cétones dans la fumée principale. Les répartitions des particules d’aérosols et la température de chauffe à divers points le long du boudin furent également mises en regard en phase de bouffée. Les résultats révélèrent des différences marquées dans le processus de formation des aérosols entre les deux paramétrages HNB et NSC. Les ratios de transfert des principaux composés des aérosols s’avérèrent significativement supérieurs dans la configuration NSC; les niveaux de formaldéhyde et d’acétaldéhyde s’avérèrent significativement inférieurs dans la configuration NSC par rapport au paramétrage HNB. Des écarts significatifs furent également notés au niveau de la concentration en nombre des particules d’aérosols (APNC) et du diamètre médian de comptage (CMD) pour les deux configurations. L’absence de transfert de chaleur par convection lors de la formation des aérosols en configuration NSC mena à la formation d’une zone relativement stable de génération thermique d’aérosols, comme en atteste l’écart de température entre les deux paramétrages sur les points sélectionnés. Le paramétrage NSC pour la chauffe du tabac pourrait ainsi constituer un mode nouveau et amélioré de génération d’aérosol pour la conception de produits de tabac chauffé.
</trans-abstract>

A chaque bouffée tirée sur une cigarette allumée, se créent une zone de pression négative et une autre de pression positive au niveau de la ligne de combustion du papier. Les aérosols présents dans la fumée générée dans ces deux zones sont ensuite aspirés à travers le boudin continu de tabac à chaque bouffée pour ensuite former la fumée principale. Ce phénomène est déterminant pour la thermo-physique et la composition chimique résultante de la fumée principale. Lors de la présente étude, nous avons créé deux voies distinctes d’écoulement d’air à l’intérieur du boudin de tabac chauffé lors d’une bouffée et avons analysé les écarts dans la formation des aérosols et leur composition chimique. Deux paramétrages distincts en raison de leur conditions de pression, avec d’une part, un flux circulant dans un boudin de tabac ouvert (libellé HNB, une appellation indiquant une voie construite d’écoulement d’air pour des produits de tabac chauffé du commerce, appelée précédemment “heat-not-burn” ou chauffe sans combustion) et d’autre part, un flux circulant dans un boudin de tabac fermé (libellé NSC, une appellation indiquant une voie nouvellement conçue d’écoulement d’air pour les produits de tabac chauffé) furent comparés sur la base de leur masse collectée d’aérosols (ACM), de leurs teneurs en nicotine, en eau et en agents aérosols ajoutés tels que le propylène glycol (PG) et le glycérol (VG) ainsi qu’une sélection d’aldéhydes et de cétones dans la fumée principale. Les répartitions des particules d’aérosols et la température de chauffe à divers points le long du boudin furent également mises en regard en phase de bouffée. Les résultats révélèrent des différences marquées dans le processus de formation des aérosols entre les deux paramétrages HNB et NSC. Les ratios de transfert des principaux composés des aérosols s’avérèrent significativement supérieurs dans la configuration NSC; les niveaux de formaldéhyde et d’acétaldéhyde s’avérèrent significativement inférieurs dans la configuration NSC par rapport au paramétrage HNB. Des écarts significatifs furent également notés au niveau de la concentration en nombre des particules d’aérosols (APNC) et du diamètre médian de comptage (CMD) pour les deux configurations. L’absence de transfert de chaleur par convection lors de la formation des aérosols en configuration NSC mena à la formation d’une zone relativement stable de génération thermique d’aérosols, comme en atteste l’écart de température entre les deux paramétrages sur les points sélectionnés. Le paramétrage NSC pour la chauffe du tabac pourrait ainsi constituer un mode nouveau et amélioré de génération d’aérosol pour la conception de produits de tabac chauffé.

Contributions to Tobacco & Nicotine Research

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Aerosol Formation and Transfer in Open- and Closed-Ended Heated Tobacco Products

Published Online: Dec 10, 2022

Page range: 162 - 174

Received: Jan 17, 2022

Accepted: Jun 30, 2022

DOI: https://doi.org/10.2478/cttr-2022-0017

© 2022 Bin Li et al., published by Sciendo

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