Volumen 31 (2022): Heft 3 (November 2022)

In diesem Artikel wird ein neuartiges Konzept beschrieben, bei dem einem festen Strang aus rekonstituierter Tabakbiomasse von außen Hitze zugeführt und dabei in einer zunehmend sauerstoffarmen Atmosphäre/Umgebung ein Aerosolstrom erzeugt wurde. Die Grenze der Selbstentzündung wurde bei Sauerstoffkonzentrationen von 0%, 5%, 10% und 21% bestimmt. Anschließend wurden die Auswirkungen dieser unterschiedlichen Atmosphären auf verschiedene Parameter untersucht. Die Versuchsergebnisse zeigten, dass die Zündtemperatur mit zunehmender Sauerstoffkonzentration sank. Unterhalb aber in der Nähe der Zündtemperatur wurde in der sauerstoffhaltigen Atmosphäre zudem ein negativer Temperaturkoeffizient (NTK) beobachtet. Es wurden signifikante Unterschiede bei den Ausbeuten an CO und CO₂ zwischen der sauerstoffhaltigen und der sauerstofffreien Atmosphäre festgestellt. Die Masse des jeweils unter inerter und sauerstoffreduzierter Atmosphäre erzeugten Aerosols wurde anhand von ausgewählten flüchtigen und halbflüchtigen Bestandteilen, Phenolen, Aldehyden und anderen organischen Verbindungen von Interesse bestimmt. Eine höhere Sauerstoffkonzentration führte zudem zu einem höheren Gesamt- und Oberflächensauerstoffgehalt im Festphasenrückstand sowie zu einer Verringerung des Gehalts an Kohlenstoff- und Wasserstoffelementen und der entsprechenden funktionellen Gruppen. Auch der Gehalt an anorganischen Verbindungen nahm mit der Sauerstoffkonzentration zu. Durch die systematische Änderung der Sauerstoffkonzentration im Biomassebett bei zunehmender Temperatur konnte ein Aerosolstrom mit kontrollierter chemischer Zusammensetzung und Ausbeute erzeugt werden, ohne dass es zu einer Entzündung kam. Die wichtigsten chemischen Marker für Inhalationsschäden wurden gemessen und bei verschiedenen Graden nahe der Verbrennungstemperatur miteinander verglichen. Eine derartige Analyse von rekonstituiertem Tabak oder anderen Biomassematerialien könnte somit zusätzliche und nützliche Erkenntnisse für die Entwicklung von Aerosolerzeugern für erhitzte Biomasse liefern.

Der Rippengehalt ist bei den für die Zigarettenherstellung verwendeten Tabakstreifen ein wichtiger Qualitätsindikator zur Beurteilung des Reinheitsgrads der geschnittenen Tabakblätter. In der vorliegenden Arbeit wurde eine zerstörungsfreie Methode zum Nachweis von Rippen in geschnittenen Tabakblättern mithilfe von Niedrigenergie-Röntgenbildgebung entwickelt. Für die Rippen wurde ein Algorithmus zur Bildverarbeitung und zum Prinzip der Gewichtsberechnung festgelegt. Anschließend wurde ein Bildverarbeitungssystem mit Röntgenbildgebung und Bildanalyse eingerichtet, um die quantitative Detektionsmethode zu verifizieren. Gemäß den Ergebnissen lag der relative Fehler der Nachweismethode zwischen −3,64% und 2,76%. Die Bestimmung der Rippen unterschiedlicher Morphologie, wie z.B. der Mittelrippe, erfolgte ebenfalls auf der Grundlage der Bildanalyse. Die Genauigkeit der Methode bei der Bestimmung lag bei 94,67% für Mittelrippen und bei 99,33% für Seitenrippen. Hinsichtlich der Genauigkeit und Effizienz ist die entwickelte Methode der aktuellen ISO-Methode zum Nachweis von Rippen in Tabakblättern bei gleichen Prüfbedingungen überlegen und könnte als eine effektive Nachweismethode online eingesetzt werden, um die Qualität der in der Zigarettenherstellung verarbeiteten Tabakblätter zu überwachen.

Unter Bioabbaubarkeit versteht man einen Prozess, bei dem organische Substanzen mithilfe von lebenden Mikroorganismen zu Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) abgebaut werden. Mit dem zunehmenden Fortschritt bei den Analysetechniken wurden von der Internationalen Organisation für Normung (ISO) standardisierte Methoden entwickelt und veröffentlicht und so Unklarheiten bei der Prüfung verschiedener Materialien in Bezug auf ihre Bioabbaubarkeit beseitigt. Zur biologischen Abbaubarkeit von Zigarettenfiltern gibt es bisher keine Daten, die auf der Grundlage einer von der ISO standardisierten und validierten Methode erhoben wurden.

Das Ziel dieser Studie ist die Analyse der Bioabbaubarkeit von konventionellen und nicht-konventionellen Zigarettenfiltern aus Zelluloseacetat (CA), Filtern aus infundiertem Papier (IP), Filtern aus kombiniertem Material (CMF), Mundstückfiltern für kondensierten Tabak (CTEC) sowie von Bidi-Stummeln. Bei der vorliegenden Studie wurden Zigaretten und Bidis entsprechend der ISO-Norm 3308 für Zigaretten bzw. der ISO-Norm 17175 für Bidis mit einer Abrauchmaschine abgeraucht. Nach dem Abrauchen wurde bei den Zigarettenfiltern und Bidi-Stummeln jeweils die Bioabbaubarkeit auf der Grundlage der ISO-Norm 14855-1 bestimmt.

Aus der Studie ergaben sich in Bezug auf die Bioabbaubarkeit die folgenden Werte: 92,1% innerhalb von 151 Tagen bei Zigarettenfiltern aus Zelluloseacetat, 91,9% innerhalb von 97 Tagen bei DE-Tow^TM-Filtern (aus Zelluloseacetat mit Zusatzstoffen), 96,2% innerhalb von 86 Tagen bei CMF-Filtern, 93,4% innerhalb von 55 Tagen bei Papierfiltern, 92,1% innerhalb von 54 Tagen bei Bidi-Stummeln und 95,3% innerhalb von 37 Tagen bei CTECFiltern. Somit konnte der objektive Beweis erbracht werden, dass Zigarettenfilter aus Zelluloseacetat entsprechend der ISO-Norm 14855-1 biologisch abbaubar sind. Bei den abgerauchten Zigarettenfiltern aus Zelluloseacetat, den DE-Tow^TM-Filtern und den CMF-Filtern sowie dem aus ihnen resultierenden Kompost wurde zudem eine Analyse mittels Gelpermeationschromatographie (GPC) durchgeführt, um etwaige Rückstände von Zelluloseacetat im finalen Kompost zu bestimmen. Die GPCAnalyse ergab Spitzenkonzentrationen von Zelluloseacetat in den abgerauchten Proben der Zigarettenfilter aus Zelluloseacetat sowie den DE-Tow^TM– und CMF-Proben, jedoch wurden keine Spitzenkonzentrationen an Zelluloseacetat in den resultierenden Kompostproben beobachtet. Es kann daher geschlossen werden, dass sich kein Zelluloseacetat in den aus den Proben der Zelluloseacetat-Filter, der DE-Tow^TM-Filter und der CMF-Filter result-ierenden Komposten befindet.

Aus den Ergebnissen lässt sich ableiten, dass die für die Studie ausgewählten Zigarettenfilter und Bidi-Stummel das Kriterium einer Bioabbaubarkeit von 90% erfüllen, und dies deutlich innerhalb des vorgegebenen Zeitraums von 180 Tagen.

Dieser Artikel ist daher von großem Nutzen für die gesamte wissenschaftliche Gemeinschaft, für Regulierungsbehörden und Hersteller, da er zu einem besseren Verständnis der biologischen Abbaubarkeit von Zigarettenfiltern beiträgt.

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.

In den letzten 35 Jahren hat es bei der Technik und den Instrumenten zur Trennung von Enantiomeren beträchtliche Fortschritte gegeben. Aktuell kann eine vollständige Trennung der Enantiomere von Nikotin und verwandten Verbindungen effektiv innerhalb von wenigen Sekunden bzw. meist in unter 10 Minuten erfolgen. In Einzelfällen konnte gezeigt werden, dass eine Enantiomerenseparation bei mit Nikotin verwandten Verbindungen mit einer großen Vielzahl funktioneller Gruppen möglich ist. Erleichtert wurde diese bemerkenswerte Entwicklung insbesondere durch die erfolgreiche Kombination von kurzen Säulen für die Hochdruckflüssigkeitschromatographie (HPLC) und die überkritische Flüssigkeitschromatographie (SFC) aus Materialien mit sehr kleinen Partikelgrößen, gebunden an chirale stationäre Phasenmaterialien und gekoppelt mit Detektoren wie Elektrospray-Ionisations-Massenspektrometrie/Massenspektrometrie. Die kombinierte Anwendung der HPLC- und SFC-Technologie kann daher eine Trennung der Enantiomere von Nikotin und verwandten Alkaloiden ermöglichen, die sehr schnell (innerhalb von Sekunden), zuverlässig und reproduzierbar (relative Standard-abweichung RSD routinemäßig < 5%) ist.