EP2111127A1 - Hochdruckformgebung für tabakmaterial - Google Patents

Hochdruckformgebung für tabakmaterial

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Publication number
EP2111127A1
EP2111127A1 EP07856380A EP07856380A EP2111127A1 EP 2111127 A1 EP2111127 A1 EP 2111127A1 EP 07856380 A EP07856380 A EP 07856380A EP 07856380 A EP07856380 A EP 07856380A EP 2111127 A1 EP2111127 A1 EP 2111127A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
tobacco material
tobacco
pressure
bar
outlet
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP07856380A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2111127B1 (de
Inventor
Dietmar Franke
Gerald Schmekel
Uwe Werner Ehling
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
British American Tobacco Germany GmbH
Original Assignee
British American Tobacco Germany GmbH
BAT Cigarettenfabriken GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by British American Tobacco Germany GmbH, BAT Cigarettenfabriken GmbH filed Critical British American Tobacco Germany GmbH
Publication of EP2111127A1 publication Critical patent/EP2111127A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2111127B1 publication Critical patent/EP2111127B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A24—TOBACCO; CIGARS; CIGARETTES; SIMULATED SMOKING DEVICES; SMOKERS' REQUISITES
    • A24B—MANUFACTURE OR PREPARATION OF TOBACCO FOR SMOKING OR CHEWING; TOBACCO; SNUFF
    • A24B3/00—Preparing tobacco in the factory
    • A24B3/14—Forming reconstituted tobacco products, e.g. wrapper materials, sheets, imitation leaves, rods, cakes; Forms of such products

Definitions

  • the present invention relates to the high pressure molding of tobacco material. Specifically, it relates to the production of shredded tobacco material or fibrous tobacco material which can be used as a product for the manufacture of smoking articles.
  • Rib processing processes in which the ribs are processed into tobacco foil are known, for example, from DE 40 05 656 C2 and DE 43 25 497 A1. Such tobacco sheet processes produce products with moderate to poor fillability and sensorics. From DE 100 65 132 A1 a process for the production of agglomerates is known in which larger particle complexes are prepared from the smallest tobacco particles. In this case, binders must be used, and for the processing of coarser tobacco material (such as ribs or winnowings), such a process is not suitable.
  • a tobacco material quality is to be provided which readily complies with the mechanical production of cigarettes and in particular even meets the requirements for a tobacco material for the self-production of cigarettes.
  • the wear on devices of the prior art should be minimized.
  • the tobacco raw material may principally comprise a coarse tobacco material, in particular having a particle size of more than 2 mm. It can be a tobacco rib material or a winnowing material, in particular with a rib size of more than 2 mm. It should be noted that tobacco materials such as pipe fins, winnowings, short star or star fibers but also scraps (small leaf tobacco particles), other small tobacco particles, tobacco dust or a mixture of the components mentioned can be used.
  • a tobacco starting material is heated and brought to a first elevated pressure in one process stage. Thereafter, in a subsequent process stage, the tobacco material is pumped to a second elevated pressure higher than the first elevated pressure, and finally the heated and pressurized tobacco material is expanded and passed through a forming tool.
  • the pumping process helps to significantly reduce the pressure (further referred to as overpressure) before relaxation and passage through the forming tool to increase and thereby to achieve optimum process conditions for the production of a product which is still improved in quality.
  • Very high pressures can be generated, which can not be achieved with the measures described in the prior art (screw conveyors), and this allows, inter alia, a great deal of freedom in the choice of the shaping tool.
  • a very low-Verschieb spreb ist is possible. Details of the advantageous mechanisms of the invention will be discussed in detail later.
  • the pumping of the tobacco material to the second elevated pressure is carried out according to an embodiment of the invention without substantially increasing the temperature of the material.
  • a pumping operation allows such an approach.
  • the tobacco raw material is heated to a temperature of 60 to 180 0 C, in particular 100 to 140 0 C and brought to a pressure of 10 to 200 bar, in particular 1 to 100 bar, especially 1 to 50 bar in the first stage ,
  • a pressure of 100 to 700 bar can then be achieved according to the present invention, in particular 200 to 700 bar and especially more than 200 bar to 700 bar.
  • the relaxation of the tobacco material takes place when passing through the forming tool to atmospheric pressure and it is done in particular by a controlled flash evaporation.
  • the tobacco material can be guided in the second process stage by a positive displacement pump, in particular a gear pump.
  • the tobacco material as it passes through the forming tool, is fiber-shaped, in particular defibered, and the forming tool may be, for example, an outlet gap, a shear gap, a die or a die. Due to the process conditions that can be achieved by pumping to the second elevated pressure, the risk of blockage can be avoided, and the choice of tools becomes more free great advantage is, of course, because the tobacco material form to be set can also be chosen more freely.
  • the tobacco raw material is in particular placed under mechanical pressure in the first stage of the process, especially by means of a screw conveyor or plug seh, which presses the material against the outlet of a, in particular heatable, screw conveyor.
  • the tobacco material may be used immediately after further processing as a smoking article material, especially if the tobacco source material is a winnowing material. However, it can also be subjected to a classification, especially if the starting material is a coarse rib material. In this case, the rejected materials would be subjected to the process according to the invention again and the non-segregated residue can be fed directly to further processing as a smoking material.
  • the mechanical pump may be a hydrostatic positive displacement pump, in particular a gear pump.
  • the forming tool is a tool which fibrously shapes, in particular shreds, the tobacco material and may specifically comprise an outlet gap, a shear gap, a die or a die.
  • the pressure chamber or the pressure chamber forms a heatable screw conveyor, in particular a stuffing sneeze, which serves as a conveyor for conveying the tobacco material from the inlet to the outlet.
  • the invention also relates to the use of a device, as described above, for the fibrous production of tobacco material, in particular for defibering tobacco material. Another embodiment relates to the use of such a device for producing fine-cut tobacco material, in particular for use in the self-production of cigarettes. Moreover, the present invention also relates to one of the abovementioned uses, in which a method is carried out, as has been described in the introduction in various embodiments.
  • the tobacco starting material is a coarse tobacco material, in particular with a particle size of more than 2 mm;
  • the tobacco source material is a tobacco rib material or winnowing material, especially with a rib size greater than 2 mm;
  • the tobacco raw material is processed without the addition of structure-forming, tobacco-foreign materials
  • the residence time of the tobacco material in the continuous flow is less than three minutes, in particular less than two minutes and preferably less than one minute;
  • the material is coarsely pre-shrunk or pre-shredded in the pressure chamber during transport to the forming tool;
  • shear gap walls perform during the passage of the tobacco material from a relative movement (shearing motion);
  • tobacco material conditioning or casing takes place, wherein the increase in material moisture is from 9 to 12% to about 20 to 30%; the tobacco material has a humidity of about 14 to 18% after the relaxation and passage through the forming tool;
  • the tobacco material is cooled at room temperature and under atmospheric pressure until it has a humidity of about 12 to 16%;
  • the gap walls have roughening or profiling
  • the plug screw has steeper spiral turns towards the area of the outlet;
  • the device according to the invention is preceded in the same or in an upstream pressure chamber housing a pressure conditioning system, in particular a screw chamber pressure conditioning plant.
  • FIG. 1 shows an apparatus for producing shredded tobacco material according to the present invention
  • FIG. 2 shows a characteristic pressure-throughput curve for a
  • Figure 3 is an illustration of the mass flow in a screw conveyor on the pressure, wherein different flow components are shown;
  • Figure 4 is a graph showing the humidity of the tobacco material after exiting a screw conveyor (extruder) as a function of
  • FIG. 6 shows a typical operating curve (compaction pressure and operating time) for an embodiment of the device according to the present invention
  • the device according to the invention shown in FIG. 1 has a piebald conveyor, which is identified by the reference numeral 1.
  • the screw conveyor has a screw conveyor 5, which is mounted on a shaft 3 and accommodated in a housing 2 (pressure chamber).
  • tobacco ribs are fed into the screw conveyor 1 and conveyed by the screw 5, namely to the left to the outlet 6 of the screw conveyor 1 out.
  • the conditioned fin material is pre-shredded and mechanically brought to an elevated pressure at the outlet, which can be up to 200 bar.
  • the gear pump 7 connects, which stands here as an example of a hydrostatic positive displacement pump.
  • the fin material initially enters the pump 7 via the inlet 8 provided in the housing 9, and it is then further conveyed and compressed by the two pump gears 11 and 13.
  • the compression that is, the pressure increase takes place by the reduction of the receiving spaces between the gears, and so reaches highly compressed or under very high pressure (second increased pressure) standing tobacco material pump output 10.
  • the pressures at the pump outlet 10 and the pump input 8 are respectively measured and checked by the pressure measuring sensors 17 and 15. By adjusting the operation of the pump can be influenced on these pressures and optionally carried out a correction.
  • the forming tool From the pump outlet 10 from the tobacco material enters the forming tool, which has been provided in Figure 1 by the reference numeral 23. It consists of an inner cone 19, which is statically arranged and an outer cone 21, which may be mounted statically but also axially displaceable. The inner cone 19 and the outer cone 21 of the tool form a gap 25 through which the tobacco material under high pressure can escape from the device, wherein it O
  • the present invention thus relates - as it is carried out in the illustrated device - the defibration (shredding) and reshaping of tobacco materials to apply tobacco particles fibrous.
  • the process is characterized by a particularly low-wear mode of operation and increased process flexibility. Tobacco coarse particles are crushed, optionally formed together with existing or added in the starting material or added small or very small parts as needed in the tool and applied as fibers. It is particularly advantageous to regard the robustness of such an apparatus in relation to the wear-resistant properties of the material to be processed, in particular because restrictions with regard to the choice of formulation can be eliminated.
  • the tobacco material produced by a method or apparatus of the present invention can be used directly for the manufacture of smoking articles; it does not differ in shape and color from cut tobacco.
  • the invention opens up the production of smoking article products for the self-production of cigarettes (also called roll-your-own products (RYO) or make-your-own products (MYO)) with small cutting width, since the choice of tools flexible and especially tools with very small channels can be used, which are usable at very high pressures.
  • the invention is based inter alia on the following considerations:
  • Such pressure can basically not be applied by a screw conveyor (extruder).
  • backflow sum of pressure flow and leakage flow
  • the ratio of product backflow to product delivery is significantly influenced by the necessary pressure at the chamber outlet, the wear pattern of the device (screw) to flow through the shear channel and by the existing material properties of the tobacco material (viscosity).
  • Gear pumps are hydrostatic positive displacement pumps and operate on the principle of volumetrically completed pumping. By this principle, very high pressures can be generated in the promotion of viscous masses with moderate increases in temperature.
  • the material should be fed to the pump (lightly) with a degree of pressure to achieve a 100% filling level, and a screw conveyor is very well suited for the production of this form.
  • Liquid-like materials such as pastes, paps, doughs can be characterized by viscosities similar to liquids.
  • tobacco materials are solids, but after a Wasservermeng ung, temperature rise and shear mostly pseudoplastic flow properties and thus be conveyed in a positive displacement pump. These basic flow properties are produced in the screw conveyor.
  • a typical flow curve of a plasticized tobacco material is shown in Figure 5, and the invention thus uses this pseudo-viscosity to promote and pressurize the tobacco material, although in fact it does not produce a homogeneous slurry, as in tobacco sheet manufacture, for example.
  • the tool 23 shown in Figure 1 has axially movable towards or away wegbewegbare gap walls which form a shear gap.
  • the two tool parts (inner cone 19 and outer cone 21) are biased towards each other, and the indicated in the drawing profiling is the basis for the shaping and influencing the circumferentially-forming tobacco fibers.
  • a rotation of the two tool parts against each other can be carried out (as in the prior art according to DE 10 2004 059 388 A1), it is surprisingly not necessary. From this realization, it is clear that for the first time it is possible to use matrices, static nozzles and the like as a tool, since a feared blockage and associated pressure increases (reduction of the free cross sections) become manageable.
  • the combination of screw conveyor and pump, in particular positive displacement pump, can also help to compensate for unavoidable wear.
  • the conveying behavior of the screw conveyor depends on the state of wear, the final pressure and the material properties. It is possible by the present inventive design to distribute the necessary pressure to flow through the tool differently between screw conveyor and positive displacement pump. With a deterioration of the wear pattern, for example, the final pressure of the screw conveyor can be reduced, in which case the positive displacement pump automatically introduces the necessary pressure increase to the flow of the tool.
  • Such a behavior is shown in the operating curve of FIG.
  • the measurements with the sensors 15, 17 are made in Figure 1.
  • a formulation consisting of 70% Winnowings + 30% tobacco dust is treated in the apparatus according to FIG. 1 with the following parameters:
  • the mass flow could be increased by about 60% due to the additional pressure input by the gear pump with the device according to the invention and thereby an increase in efficiency can be achieved.

Landscapes

  • Manufacture Of Tobacco Products (AREA)
  • Manufacturing Of Cigar And Cigarette Tobacco (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial, bei dem ein Tabak-Ausgangsmaterial erwärmt und in einer Verfahrensstufe auf einen ersten erhöhten Druck gebracht wird; bei dem das Tabakmaterial in einer nachfolgenden Verfahrensstufe auf einen zweiten erhöhten Druck gepumpt wird, der höher ist als der erste erhöhte Druck; und bei dem das erwärmte und unter Druck gesetzte Tabakmaterial entspannt und durch ein Formgebungswerkzeug (23) geführt wird. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial mit einer beheizbaren Druckkammer (1), die einen Tabakmaterial-Einlass, einen Tabakmaterial-Auslass und eine Fördereinrichtung (5), zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass und zur Erhöhung des Druckes des Materials auf einen ersten erhöhten Druck, aufweist, und mit einem Formgebungswerkzeug (23), durch welches das erwärmte und unter Druck gesetzte Tabakmaterial geführt und entspannt wird, wobei zwischen der Druckkammer (1) und dem Formgebungswerkzeug (23) eine mechanische Pumpe (7) eingebracht ist, die das Tabakmaterial auf einen zweiten erhöhten Druck pumpt, der höher ist als der erste erhöhte Druck.

Description

Hochdruckformgebung für Tabakmaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft die Hochdruckformgebung für Tabakmaterial. Speziell betrifft sie die Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial oder faserförmigem Tabakmaterial welches als Produkt zur Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden kann.
Bei der Tabakvorbereitung, das heißt bei denjenigen Verarbeitungsprozessen, die vor der eigentlichen Zigarettenherstellung und Verpackung stattfinden, werden die wichtigsten Tabakmaterialien, nämlich Tabakblätter und Tabakrippen mehreren Prozessschritten unterzogen, bevor sie für die Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden können. Verwendetes Rippenmaterial, auch grob oder unvollständig zerkleinerte Rohrippen (Winnowings) sind schwer mit üblichen Mitteln (Schneiden, Schreddern) so zu verarbeiten, dass ein optimales Ergebnis, also ein zerkleinertes Tabakmaterial entsteht, das als Rauchartikelmaterial verwendet werden kann. Es entstehen zu viele Kleinteile oder Stäube, und/oder es werden lange Zwischenlagerungszeiten notwendig.
Rippenverarbeitungsprozesse, bei denen die Rippen zu Tabakfolie verarbeitet werden, sind beispielsweise aus der DE 40 05 656 C2 und der DE 43 25 497 A1 bekannt. Solche Tabakfolienprozesse erzeugen Produkte mit mäßiger bis schlechter Füllfähigkeit und Sensorik. Aus der DE 100 65 132 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Agglomeraten bekannt, bei dem größere Teilchenkomplexe aus kleinsten Tabakpartikeln hergestellt werden. Dabei müssen Bindemittel verwendet werden, und zur Verarbeitung von gröberem Tabakmaterial (wie zum Beispiel Rippen oder Winnowings) eignet sich ein solcher Prozess nicht.
Die DE 10 2004 059 388 A1 beschreibt die Zerfaserung von Tabakmaterial, insbesondere von Rippen- oder Winnowingmaterial. Dabei wird das Tabak- Ausgangsmaterial erwärmt und auf einen erhöhten Druck gebracht, und zwar mit einem Schneckenförderer, an dessen Auslass sich ein Scherspalt befindet. Durch die Materialverarbeitung beim Austritt aus dem Scherspalt, die mit einer Flash- Verdampfung einhergeht, entsteht ein zerfasertes Tabakmaterial.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial bereitzustellen, welches eine bessere Produktqualität liefert als dies mit Verfahren gemäß dem Stand der Technik möglich ist. Insbesondere soll eine Tabakmaterial-Qualität bereitgestellt werden, die ohne weiteres zur maschinellen Herstellung von Zigaretten genügt und insbesondere sogar den Anforderungen an ein Tabakmaterial für die Selbstverfertigung von Zigaretten entspricht. Speziell soll auch der Verschleiß gegenüber Vorrichtungen des Standes der Technik minimiert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch eine Vorrichtung nach dem Patentanspruch 11 gelöst. Die Unteransprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
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 Sterns oder Stern Fibres aber auch Scraps (kleine Blatttabakteilchen), sonstige Tabakkleinteile, Tabakstaub oder eine Mischung aus den genannten Komponenten zum Einsatz kommen kann.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial werden die folgenden Schritte durchgeführt: Ein Tabak- Ausgangsmaterial wird erwärmt und in einer Verfahrensstufe auf einen ersten erhöhten Druck gebracht. Hierauf wird das Tabakmaterial in einer nachfolgenden Verfahrensstufe auf einen zweiten erhöhten Druck gepumpt, der höher ist als der erste erhöhte Druck, und schließlich wird das erwärmte und unter Druck gesetzte Tabakmaterial entspannt und durch ein Formgebungswerkzeug geführt.
Der Pumpvorgang hilft dabei, den Druck (Angaben im Weiteren als Überdruck) vor der Entspannung und dem Durchgang durch das Formgebungswerkzeug signifikant zu erhöhen und dabei optimale Prozessbedingungen für die Herstellung eines in der Qualität noch verbesserten Produktes zu erzielen. Es können sehr hohe Drücke erzeugt werden, die mit den im Stand der Technik beschrieben Maßnahmen (Schneckenförderer) nicht erzielbar sind, und dies gestattet u. a. eine weitgehende Freiheit bei der Wahl des Formgebungswerkzeuges. Außerdem wird eine besonders verscheißarme Betriebsweise möglich. Einzelheiten zu den erfindungsgemäßen, vorteilhaften Mechanismen werden später im Detail erörtert.
Das Pumpen des Tabakmaterials auf den zweiten erhöhten Druck erfolgt gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ohne wesentliche Erhöhung der Temperatur des Materials. Ein Pumpvorgang gestattet eine solche Vorgehensweise.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsvariante wird in der ersten Verfahrensstufe das Tabakausgangsmaterial auf eine Temperatur von 60 bis 1800C, insbesondere 100 bis 1400C erwärmt und auf einen Druck von 10 bis 200 bar, insbesondere 1 bis 100 bar, speziell 1 bis 50 bar gebracht. In der zweiten Verfahrensstufe kann dann ein Druck von 100 bis 700 bar gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden, insbesondere 200 bis 700 bar und speziell mehr als 200 bar bis 700 bar.
Die Entspannung des Tabakmaterials erfolgt beim Durchgang durch das Formgebungswerkzeug auf atmosphärischen Druck und sie geschieht insbesondere durch eine kontrollierte Flash-Verdampfung.
Das Tabakmaterial kann in der zweiten Verfahrensstufe durch eine Verdrängerpumpe, insbesondere eine Zahnradpumpe geführt werden.
Vorteilhafterweise wird das Tabakmaterial beim Durchgang durch das Formgebungswerkzeug faserförmig geformt, insbesondere zerfasert, und das Formgebungswerkzeug kann zum Beispiel ein Auslassspalt, einen Scherspalt, eine Matrize oder eine Düse sein. Aufgrund der Verfahrensumstände, die durch das Pumpen auf den zweiten erhöhten Druck erreichbar werden kann die Gefahr von Verstopfungen vermieden werden, und die Werkzeugauswahl wird freier, was von großem Vorteil ist, da die einzustellende Tabakmaterialform natürlich ebenfalls freier gewählt werden kann.
Das Tabak-Ausgangsmaterial wird in der ersten Verfahrensstufe insbesondere mechanisch unter Druck gesetzt, speziell mittels einer Förderschnecke bzw. Stopf seh necke, die das Material gegen den Auslass eines, insbesondere beheizbaren, Schneckenförderers presst.
Das Tabakmaterial kann unmittelbar nach der Weiterverarbeitung als Rauchartikelmaterial verwendet werden, speziell wenn das Tabak-Ausgangsmaterial ein Winnowing-Material ist. Es kann aber auch einer Klassifizierung unterzogen werden, speziell wenn das Ausgangsmaterial ein grobes Rippenmaterial ist. Dabei würden die ausgesonderten Materialien nochmals dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen werden und der nicht ausgesonderte Rest kann unmittelbar der Weiterverarbeitung als Rauchmaterial zugeführt werden.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial weist eine, insbesondere beheizbare, Druckkammer auf, die einen Tabakmaterialeinlass, einen Tabakmaterialauslass und eine Fördereinrichtung zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass und zur Erhöhung des Druckes des Materials auf einen ersten erhöhten Druck umfasst. Sie hat ferner ein Formgebungswerkzeug, durch welches das erwärmte und unter Druck gesetzte Tabakmaterial geführt und entspannt wird, und erfindungsgemäß ist zwischen der Druckkammer und dem Formgebungswerkzeug eine mechanische Pumpe eingebracht, die das Tabakmaterial auf einen zweiten erhöhten Druck pumpt, der höher ist als der erste erhöhte Druck.
Die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielbaren Vorteile entsprechen den Vorteilen, wie sie schon oben für das erfindungsgemäße Verfahren genannt wurden.
Die mechanische Pumpe kann eine hydrostatischer Verdrängerpumpe, insbesondere eine Zahnradpumpe sein. Das Formgebungswerkzeug ist ein Werkzeug, welches das Tabakmaterial faserförmig formt, insbesondere zerfasert, und es kann speziell einen Auslassspalt, einen Scherspalt, eine Matrize oder eine Düse aufweisen.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung bildet die Druckkammer oder umfasst die Druckkammer einen beheizbaren Schneckenförderer, insbesondere eine Stopf seh necke, die als Fördereinrichtung zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass dient.
Die Erfindung betrifft noch die Verwendung einer Vorrichtung, wie sie oben beschrieben wurde, zur faserförmigen Herstellung von Tabakmaterial, insbesondere zum Zerfasern von Tabakmaterial. Eine weitere Ausführungsform betrifft die Verwendung einer solchen Vorrichtung zur Herstellung von Feinschnitt- Tabakmaterial, insbesondere für den Einsatz bei der Selbstverfertigung von Zigaretten. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung noch eine der oben genannten Verwendungen, bei der ein Verfahren durchgeführt wird, wie es in verschiedenen Ausführungen einleitend beschrieben wurde.
Es ist noch anzumerken, dass eines oder mehrere der folgenden Merkmale im Rahmen der Erfindung realisiert werden können:
- das Tabak-Ausgangsmaterial ist ein grobes Tabakmaterial, insbesondere mit einer Teilchengröße von mehr als 2 mm;
- das Tabak-Ausgangsmaterial ist ein Tabakrippenmaterial bzw. ein Winnowing- Material, speziell mit einer Rippengröße von mehr als 2 mm;
- das Tabak-Ausgangsmaterial wird ohne Zusatz strukturbildender, tabakfremder Materialien verarbeitet;
- die Verweilzeit des Tabakmaterials im kontinuierlichen Durchlauf liegt bei weniger als drei Minuten, insbesondere weniger als zwei Minuten und vorzugsweise weniger als einer Minute;
- das Material wird in der Druckkammer während des Transports zum Formgebungswerkzeug grob vorverkleinert bzw. vorzerfasert;
- wenn ein Scherspalt verwendet wird, ist dieser vorgespannt verschlossen und wird den Druck des Tabakmaterials intermittierend geöffnet, oder das Tabakmaterial wird kontinuierlich durch den Scherspalt hindurchgeführt; O
- die Scherspaltwände führen beim Durchführen des Tabakmaterials eine Relativbewegung (Scherbewegung) aus;
- vor oder während der Erwärmung und Druckerzeugung in der ersten Verfahrensstufe findet eine Tabakmaterial-Konditionierung bzw. ein Casing statt, wobei die Erhöhung der Materialfeuchte von 9 bis 12 % auf etwa 20 bis 30 % erfolgt; das Tabakmaterial weist nach der Entspannung und Hindurchführung durch das Formgebungswerkzeug eine Feuchte von etwa 14 bis 18 % auf;
- das Tabakmaterial wird bei Raumtemperatur und unter atmosphärischem Druck gekühlt, bis es eine Feuchte von etwa 12 bis 16 % aufweist;
- wenn ein Scherspalt verwendet wird, weisen die Spaltwände Aufrauungen oder Profilierungen auf;
- die Stopfschnecke weist zum Bereich des Auslasses hin steilere Schneckenwindungen auf; und
- der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist im gleichen oder in einem vorgeschalteten Druckkammergehäuse eine Druckkonditionierungsanlage vorangesetzt, insbesondere eine Schneckenkammer- Druckkonditionierungsanlage.
Die Erfindung wird im Weiteren anhand theoretischer Überlegungen und mit Hilfe eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie kann alle hierin beschriebenen Merkmale einzeln sowie in jedweder sinnvollen Kombination umfassen. In den beigelegten Zeichnungen zeigen:
Figur 1 eine Vorrichtung zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung; Figur 2 eine charakteristische Druck-Durchsatzkurve für ein
Formgebungswerkzeug; Figur 3 eine Darstellung des Massenstroms in einem Schneckenförderer über den Druck, wobei verschiedene Strömungsanteile aufgezeigt sind; Figur 4 eine Kurve, welche die Feuchte des Tabakmaterials nach dem Austritt aus einem Schneckenförderer (Extruder) in Abhängigkeit von der
Temperatur vor dem Extruderaustritt zeigt; Figur 5 eine typische Fließkurve eines plastifizierten Tabakmaterials; und Figur 6 eine typische Betriebskurve (Verdichtungsdruck und Betriebszeit) für eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung.
Die in Figur 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung weist einen Scheckenförderer auf, der mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet ist. Der Schneckenförderer weist eine Förderschnecke 5 auf, die auf einer Welle 3 gelagert und in einem Gehäuse 2 untergebracht ist (Druckkammer). Bei einer beispielhaft aufgeführten Ausführungsform werden Tabakrippen in den Schneckenförderer 1 eingegeben und durch die Schnecke 5 gefördert, nämlich nach links zum Auslass 6 des Schneckenförderers 1 hin. Dabei wird das konditionierte Rippenmaterial vorzerkleinert und mechanisch am Auslass auf einen erhöhten Druck gebracht, der bis zu 200 bar betragen kann.
An den Auslass 6 des Schneckenförderers 1 schließt sich die Zahnradpumpe 7 an, die hier als Beispiel für eine hydrostatische Verdrängerpumpe steht. Das Rippenmaterial tritt zunächst über den Eingang 8, der im Gehäuse 9 vorgesehen ist in die Pumpe 7 ein, und es wird dann durch die beiden Pumpen-Zahnräder 11 und 13 weiter gefördert und komprimiert. Die Komprimierung, das heißt die Druckerhöhung findet durch die Verkleinerung der Aufnahmeräume zwischen den Zahnrädern statt, und so erreicht hoch komprimiertes bzw. unter sehr hohem Druck (zweiter erhöhter Druck) stehendes Tabakmaterial den Pumpenausgang 10. Die Drücke am Pumpenausgang 10 und am Pumpeneingang 8 werden jeweils durch die Druckmesssensoren 17 und 15 gemessen bzw. überprüft. Durch die Einstellung der Arbeitsweise der Pumpe kann auf diese Drücke Einfluss genommen werden und gegebenenfalls eine Korrektur erfolgen.
Vom Pumpenausgang 10 aus tritt das Tabakmaterial in das Formgebungswerkzeug ein, das in Figur 1 mit dem Bezugszeichen 23 versehen worden ist. Es besteht aus einem Innenkegel 19, der statisch angeordnet ist und einem Außenkegel 21 , der statisch aber auch axial verschiebbar gelagert sein kann. Der Innenkegel 19 und der Außenkegel 21 des Werkzeugs bilden einen Spalt 25, durch den das unter dem hohen Druck stehende Tabakmaterial aus der Vorrichtung austreten kann, wobei es o
durch eine Flash-Verdampfung entspannt wird und wobei sich die gewünschte Faserstruktur des Materials einstellt.
Die vorliegende Erfindung betrifft also - so wie sie auf der dargestellten Vorrichtung durchgeführt wird - die Zerfaserung (Zerkleinerung) und erneute Formgebung von Tabakmaterialien, um Tabakteilchen faserförmig auszubringen. Der Prozess zeichnet sich durch eine besonders verschleißarme Betriebsweise und eine erhöhte Prozessflexibilität aus. Tabak-Grobteile werden zerkleinert, gegebenenfalls zusammen mit im Ausgangsmaterial vorhandenen oder zugegebenen Klein- bzw. Kleinstteilen nach Bedarf im Werkzeug geformt und als Fasern ausgebracht. Als besonders vorteilhaft ist die Robustheit einer solchen Apparatur gegenüber verschleißenden Eigenschaften des zu verarbeitendem Materials anzusehen, insbesondere weil sich Einschränkungen bezüglich der Rezepturwahl aufheben lassen. Das Tabakmaterial, das durch ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, kann direkt zur Herstellung von Rauchartikeln verwendet werden; es unterscheidet sich in Form und Farbe nicht von Schnitttabak. Deshalb erschließt sich durch die Erfindung die Herstellung von Rauchartikelprodukten für die Selbstverfertigung von Zigaretten (im Weiteren auch Roll-Your-Own-Produkte (RYO) oder Make-Your-Own-Produkte (MYO) genannt) mit kleiner Schnittbreite, da die Werkzeugwahl flexibel ist und insbesondere auch Werkzeuge mit sehr kleinen Kanälen benutzt werden können, die bei besonders hohen Drücken verwendbar sind.
Die Erfindung basiert unter anderem auf den folgenden Überlegungen:
Mit bekannten Verfahren wie demjenigen, dass beispielsweise oben schon angesprochenen DE 10 2004 059 388 A1 bekannt ist, lassen sich nicht oder nicht ohne weiteres Drücke erzeugen, wie man sie sich für eine optimierte Tabakmaterialherstellung eigentlich wünschen würde. Dies liegt - wie bei der Arbeit an der vorliegenden Erfindung festgestellt wurde - zum einen daran, dass eine Erhöhung des Druckes auch mit einer Erhöhung der Temperatur wegen eines größeren Scherenergieeintrags im vom Material und Schneckenförderer bestimmten Umfang einhergeht. Andererseits wird die Ausgestaltung des vorgegeben Werkzeuges durch die Vordruck bestimmt, weil der Druckabfall - definiert durch den freien Werkzeugquerschnitt - und der Massenstrom des Tabakmaterials einer proportionalen Beziehung gehorchen, wie sie beispielsweise in der Figur 2 aufgezeigt ist. Um Tabakstrukturen höchster Qualitätsanforderungen zu formen, beispielsweise RYO oder MYO-Tabakstrukturen, benötigt man einen sehr hohen Werkzeug-Vordruck (Kammerdruck des Schneckenförderers), weil die Scherspalte sehr kleine Querschnitte aufweisen müssen. Dies gilt für den Fall, das beispielsweise lediglich ein Schneckenförderer und ein sich daran anschließendes Scherspalt- Werkzeug verwendet wird. Um bei gleichen Massenströmen arbeiten zu können, muss der Kammerdruck deutlich erhöht werden, wie der Figur 2 zu entnehmen ist.
Ein solcher Druck kann grundsätzlich durch einen Schneckenförderer (Extruder) nicht aufgebracht werden. Ein Grund hierfür ist, dass die so genannte Rückströmung (Summe aus Druckströmung und Leckströmung), wie in der Figur 3 dargestellt ist, gegenüber der Schleppströmung dominant wird und damit die Förderung abreißen würde. Eine solche Rückströmung ist aber konstruktiv nicht zu vermeiden. Das Verhältnis von Produkt-Rückströmung zu Produkt-Förderung wird aber wesentlich durch den notwendigen Druck am Kammerausgang, das Verschleißbild der Vorrichtung (Schnecke) zur Durchströmung des Scherkanals sowie durch die vorliegenden Materialeigenschaften des Tabakmaterials (Viskosität) beeinflusst.
Ein weiteres Problem liegt in dem mit der Förderung einhergehenden Energieeintrag durch Scherung und der damit verbundenen Temperaturerhöhung des Förderguts. Wenn mit herkömmlichen Geräten Temperaturen von bis zu 2000C bei Verdichtungen auf bis zu 200 bar realisiert werden, kann dies bereits zur Schädigung des Produktes führen. Die erwartete hohe Produkttemperatur bei noch höheren Drücken würde nach einer isenthalpischen Druckentlastung (nach dem Prinzip der kapazitiven Trocknung) beim Verlassen des Werkzeugs zur Strukturzerstörung durch Wasserdampfentwicklung führen, sowie zu einer vollständigen, nicht gewünschten Übertrocknung. Dieses Verhältnis ist der Figur 4 zu entnehmen. Übertrocknete Produkte neigen aber aufgrund des spröden Verhaltens zu kontraproduktiver Staubbildung.
Eine Kühlung ist wegen des sehr geringen Wärmedurchgangskoeffizienten zwischen Kühlmedium und Produktstrom kaum oder nur unterstützend möglich, so dass insgesamt festzustellen ist, dass die herkömmliche Anlage mit dem Schneckenförderer sich für eine Kammerdruckerzeugung von bis zu 700 bar nicht eignet. Zwar lassen sich geringere Vordrücke mit einem Schneckenförderer erzeugen (200 bar oder weniger) jedoch ist das Parameterfeld was die Rezepturen, das Füllvermögen oder sehr kleine zu erzeugende Faserdurchmesser betrifft begrenzt. Die Verwendung einer Pumpe (insbesondere einer mechanischer Pumpe), zur Erzeugung des zweiten erhöhten Drucks überwindet die genannten Schwierigkeiten und gestattet die Erzeugung von optimierten Produkten bei wirtschaftlich akzeptablen Massenströmen und in besonders verschleißarmer Betriebsweise. Eine solche Pumpe ist bei der dargestellten Ausführungsform die Zahnradpumpe 7, und der Schneckenförderer 1 speist diese Pumpe.
Zahnradpumpen sind hydrostatische Verdrängerpumpen und arbeiten nach dem Prinzip der volumetrisch abgeschlossenen Förderung. Durch dieses Prinzip können sehr hohe Drücke bei der Förderung viskoser Massen mit moderaten Temperaturanstiegen erzeugt werden. Das Material sollte der Pumpe (leicht) durckbehaftet zugeführt werden, damit ein 100 %-iger Füllgrad erreicht wird, und ein Schneckenförderer eignet sich sehr gut für die Erzeugung dieses Vordrucks.
Flüssigkeitsähnliche Materialien wie Pasten, Breie, Teige lassen sich ähnlich wie Flüssigkeiten durch Viskositäten charakterisieren. Nun sind Tabakmaterialien Feststoffe, die aber nach einer Wasservermeng ung, Temperaturanhebung und Scherung meistens auch pseudoplastische Fließeigenschaften erhalten und damit in einer Verdrängerpumpe förderbar werden. Diese Grundfließeigenschaften werden im Schneckenförderer erzeugt. Eine typische Fließkurve eines plastifizierten Tabakmaterials ist der Figur 5 zu entnehmen, und die Erfindung nutzt also diese Pseudo- Viskosität, um das Tabakmaterial zu fördern und unter Druck zu setzen, obwohl aber tatsächlich nicht ein homogener Brei erzeugt wird, wie beispielsweise bei der Tabakfolienherstellung.
Das in der Figur 1 gezeigte Werkzeug 23 hat in Achsenrichtung aufeinander zu- oder wegbewegbare Spaltwände, die einen Scherspalt bilden. Dabei sind die beiden Werkzeugteile (Innenkegel 19 und Außenkegel 21) auf einander zu vorgespannt, und die in der Zeichnung angedeutete Profilierung ist die Grundlage für die Formgebung und Beeinflussung der sich am Umfang bildenden Tabakfasern. Eine Rotation der beiden Werkzeugteile gegeneinander kann zwar durchgeführt werden (wie beim Stand der Technik gemäß der DE 10 2004 059 388 A1), sie ist überraschenderweise aber nicht notwendig. Aus dieser Erkenntnis gibt sich, dass erstmals die Möglichkeit besteht, Matrizen, statische Düsen und ähnliches als Werkzeug zu benutzen, da eine befürchtete Verstopfung und damit verbundene Druckanstiege (Reduktion der freien Querschnitte) beherrschbar werden.
Durch die fast ohne Temperaturerhöhung stattfindende Kompression wird eine Entkopplung von Arbeitstemperatur und Arbeitsdruck erreicht. Damit ist es möglich, die bereits als vorteilhaft erkannten Arbeitstemperaturen von 60 bis 1800C bei Enddrücken von 200 bis 700 bar leicht einzustellen und damit die gefürchtete Faserzerstörung durch zu intensive Dampfentwicklung zu vermeiden. Ferner ist anzumerken, dass der spezifische Leistungsbedarf einer Pumpe bzw. einer Verdrängerpumpe aufgrund des geringen Temperaturanstiegs ebenfalls geringer ist.
Durch die große Verdichtung des Tabakmaterials wird natürlich die Tabakdichte weiter erhöht. Die kontrollierte Flash-Verdampfung bei der Entspannung auf atmosphären Druck reversiert aber die Verdichtung und führt zu einem lockeren Schnitttabak. Überraschenderweise ist diese Expansion und Wiederherstellung der natürlichen Füllfähigkeit auch bei der erfindungsgemäßen, ungewöhnlich großen Verdichtung des Tabakmaterials noch möglich.
Die Kombination von Schneckenförderer und Pumpe, insbesondere Verdrängerpumpe, kann auch dabei helfen, unvermeidbaren Verschleiß zu kompensieren. Wie bereits ausgeführt, ist das Förderverhalten des Schneckenförderers vom Verschleißzustand, vom Enddruck und von den Materialeigenschaften abhängig. Es ist durch die vorliegende erfinderische Ausgestaltung möglich, den notwendigen Druck zur Durchströmung des Werkzeuges unterschiedlich zwischen Schneckenförderer und Verdrängerpumpe zu verteilen. Bei einer Verschlechterung des Verschleißbildes kann beispielsweise der Enddruck des Schneckenförderers reduziert werden, wobei dann die Verdrängerpumpe automatisch die notwendige Druckerhöhung zur Durchströmung des Werkzeuges einbringt. Ein solches Verhalten ist in der Betriebskurve der Figur 6 dargestellt. Hierzu werden auch die Messungen mit den Sensoren 15, 17 in Figur 1 vorgenommen.
Positive Auswirkungen der vorliegenden Erfindung bezüglich des Vorrichtungsbetriebes und des Massenstroms werden noch durch die im Folgenden aufgeführten Versuche belegt:
Versuch 1 :
Bei diesem Versuch wird der Einfluss auf den Verschleiß bei unterschiedlicher Druckverteilung (Schneckenförderer/Zahnradpumpe) und gleichem Enddruck studiert. Eine Rezeptur, bestehend aus 70 % Winnowings + 30 % Tabakstaub wird in der Apparatur gemäß Figur 1 mit folgenden Parametern behandelt:
* Korrektur der Tabakfeuchte bei der Messung Ergebnis Versuch 1 :
Aufgrund des geringen Betriebsdruckes, sowie der geringeren Betriebstemperatur im Schneckenförderer ist der Verschleiß, ermittelt in Betriebsstunden bis zum Abbruch der Förderung, ca. halbiert worden. Damit ergibt sich eine längere Standzeit der Vorrichtung. Natürlich wird aufgrund des geringeren Scherenergieeintrages die Austrittsfeuchte erhöht, da die Temperaturbeladung geringer ist.
Versuch 2:
Bei diesem Versuch werden Durchsatzerhöhungen und die damit in Verbindung stehende Druckerhöhung vor Formgebungswerkzeug studiert.
Eine Rezeptur, bestehend aus 70 % Winnowings + 30 % Tabakstaub wird in der Apparatur gemäß Figur 1 mit folgenden Parametern behandelt:
* Korrektur der Tabakfeuchte bei der Messung Ergebnis Versuch 2:
Der Massenstrom konnte aufgrund des zusätzlichen Druckeintrages durch die Zahnradpumpe mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung um ca. 60 % erhöht und dadurch eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit erreicht werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial, bei dem
- ein Tabak-Ausgangsmaterial erwärmt und in einer Verfahrensstufe auf einen ersten erhöhten Druck gebracht wird;
- das Tabakmaterial in einer nachfolgenden Verfahrensstufe auf einen zweiten erhöhten Druck gepumpt wird, der höher ist als der erste erhöhte Druck, und bei dem
- das erwärmte und unter Druck gesetzte Tabakmaterial entspannt und durch ein Formgebungswerkzeug (23) geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Pumpen des Tabakmaterials auf den zweiten erhöhten Druck ohne wesentliche Erhöhung der Temperatur des Materials erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Tabak-Ausgangsmaterial in der ersten Verfahrensstufe auf eine Temperatur von 60 bis 18O0C, insbesondere 100 bis 14O0C1 speziell 110 bis 1300C erwärmt wird und auf einen Druck von 1 bis 200 bar, insbesondere 1 bis 100 bar, speziell 1 bis 50 bar gebracht wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das Tabak- Ausgangsmaterial in der zweiten Verfahrensstufe auf einen Druck von 100 bis 700 bar, insbesondere 200 bis 700 bar, speziell auf einen Druck von mehr als 200 bar bis 700 bar gebracht wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Entspannung des Tabakmaterials beim Durchgang durch das Formgebungswerkzeug auf atmosphärischen Druck erfolgt, insbesondere durch eine kontrollierte Flash- Verdampfung.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Tabakmaterial in der zweiten Verfahrensstufe durch eine Verdrängerpumpe, insbesondere durch eine Zahnradpumpe (7) geführt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Tabakmaterial beim Durchgang durch das Formgebungswerkzeug (23) faserförmig geformt, insbesondere zerfasert wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem das Tabakmaterial durch einen Auslassspalt, einen Scherspalt, eine Matrize oder eine Düse als Formgebungswerkzeug geführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem das Tabak- Ausgangsmaterial in der ersten Verfahrensstufe mechanisch unter Druck gesetzt wird, insbesondere mechanisch mittels einer Förderschnecke bzw. Stopfschnecke (5) unter Druck gesetzt wird, die das Material gegen den Auslass eines beheizbaren Schneckenförderers presst.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem das zerkleinerte, druckzerfaserte Tabakmaterial
- unmittelbar der Weiterverarbeitung als Rauchartikelmaterial zugeführt wird, oder
- einer Klassifizierung unterzogen wird, wobei die bei der Klassifizierung ausgesonderten Materialien nochmals dem Verfahren unterzogen werden und der nicht ausgesonderte Rest unmittelbar der Weiterverarbeitung als Rauchartikelmaterial zugeführt wird.
11. Vorrichtung zur Herstellung von zerkleinertem Tabakmaterial mit einer beheizbaren Druckkammer (1), die einen Tabakmaterial-Einlass, einen Tabakmaterial-Auslass und eine Fördereinrichtung (5), zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass und zur Erhöhung des Druckes des Materials auf einen ersten erhöhten Druck, aufweist, und mit einem Formgebungswerkzeug (23), durch welches das erwärmte und unter Druck gesetzte Tabakmaterial geführt und entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Druckkammer (1) und dem Formgebungswerkzeug (23) eine mechanische Pumpe (7) eingebracht ist, die das Tabakmaterial auf einen zweiten erhöhten Druck pumpt, der höher ist als der erste erhöhte Druck.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Pumpe eine hydrostatische Verdrängerpumpe, insbesondere eine Zahnradpumpe (7) ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug (23) das Tabakmaterial faserförmig formt, insbesondere zerfasert.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungswerkzeug einen Auslassspalt, einen Scherspalt, eine Matrize oder eine Düse aufweist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammer einen beheizbaren Schneckenförderer (1) bildet bzw. umfasst, insbesondere eine Stopfschnecke (5) aufweist, die als Fördereinrichtung zum Fördern des Tabakmaterials vom Einlass zum Auslass dient.
16. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zur faserförmigen Herstellung von Tabakmaterial, insbesondere zum Zerfasern von Tabakmaterial.
17. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15 zur Herstellung von Feinschnitt-Tabakmaterial, insbesondere für den Einsatz bei der Selbstverfertigung von Zigaretten.
18. Verwendung nach Anspruch 16 oder 17, wobei eines oder mehrere der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10 durchgeführt wird bzw. werden.
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