Konopné extrakty jsou důležitou součástí rychle rostoucího marihuanového průmyslu, zejména na lékařských trzích. Konopný esenciální olej, který je koncentrátem všech účinných léčivých látek v rostlině marihuany, je dynamická látka, kterou lze přeměnit do mnoha forem pro spotřebu uživateli. Výchozím bodem jsou extrakty, které lze (s trochou základního chemického know-how) přeměnit na produkty, jako jsou tinktury, transdermální náplasti, šumivé tablety, nápojové prášky, čípky a perorální tablety, nemluvě o standardních olejích pro vaporizaci a dabing.
Pro extrakci účinných látek z konopí je k dispozici celá řada vhodných rozpouštědel – každé z nich má své silné a slabé stránky, požadavky na laboratorní infrastrukturu a aspekty související se škálováním výroby.
Tento sloupek se zabývá superkritickou extrakcí oxidem uhličitým (SCCO2), včetně její funkčnosti, laboratorních požadavků a toho, jaké vlastnosti je třeba zohlednit při výběru extraktoru.
Medicínská hodnota
Logickým začátkem rozhovoru o extrakci oxidem uhličitým (nebo o jakémkoli jiném typu extrakce) je rychlý přehled lékařsky cenných rozpuštěných látek, které lze z rostliny konopí extrahovat.
Dvěma třídám látek z konopí je v tomto rostoucím odvětví věnována největší pozornost: kanabinoidům a terpenům.
Bylo izolováno nejméně 113 kanabinoidů a tyto molekuly mají hmotnost od 250 do 350amu (jednotek atomové hmotnosti). Jejich fyzikální forma může být kapalná nebo pevná (v závislosti na identitě), obsahují různé funkční skupiny a nejsou těkavé.
Terpeny jsou velkou a rozmanitou skupinou sloučenin produkovaných rostlinami a některými živočichy. Tato skupina molekul se klasifikuje podle počtu základních izoprenových jednotek. (Izopreny jsou běžné organické sloučeniny produkované rostlinami.) Kromě toho jsou terpeny a jejich přidružené směsi zodpovědné za příjemné – nebo nepříjemné – aroma, které rostliny vydávají. Hmotnost terpenů se značně liší podle počtu atomů uhlíku (neboli isoprenových jednotek), mohou obsahovat různé funkční skupiny a fyzikálně jsou kapalné nebo olejovité.
V konopí jsou přítomny také flavonoidy a karotenoidy. Zatímco v konopném průmyslu nejsou často uznávány jako cenné, ve výživovém a lékařském průmyslu se jedná o dobře známé biobotanické sloučeniny. Flavonoidy jsou polyfenolické sloučeniny, které dodávají rostlinným extraktům zlatavou a hnědou barvu. Je známo více než 5 000 flavonoidů, které se liší molekulovou hmotností a počtem funkčních skupin. V čisté formě jsou obvykle pevné.
Karotenoidy jsou skupinou farmaceuticky významných molekul s více než 600 známými složkami. Mají obvykle velmi vysokou molekulovou hmotnost, obsahují řadu funkčních skupin a mají oranžovou až červenou barvu.
Nakonec lze z rostlinného materiálu extrahovat četné mastné kyseliny a chlorofyly. Ačkoli v konopném průmyslu nejsou obecně považovány za léčebně cenné, existují určité důkazy o jejich bioaktivitě v nutraceutickém průmyslu. Mastné kyseliny mají běžně 16 až 20 uhlíků, ale mohou být i mnohem větší; mají tendenci tuhnout při pokojové teplotě a úroveň nasycení (tj. počet vazeb mezi vodíkem a uhlíkem) se může lišit.
Chlorofyly jsou velké molekuly zodpovědné za schopnost rostlin vyrábět cukry ze slunečního světla a vody. Chlorofyly se pohybují v rozmezí 800 až 900amu a dodávají rostlinným výtažkům zelené až černé zbarvení. (K černému zbarvení dochází při oxidaci chlorofylu.)
_fmt.png)
Proces CO2
Teď, když jsme probrali většinu rozpustných látek extrahovatelných v konopí, prozkoumejme, jak funguje oxid uhličitý jako rozpouštědlo.
Než se do toho ponoříme, může být užitečný rychlý přehled některých důležitých fyzikálních vlastností oxidu uhličitého. Oxid uhličitý je při standardní teplotě a tlaku plyn. Při tlaku nad 5bar (tj. 73psi) tvoří kapalinu a jeho kritický bod (hranice páry a kapaliny) je 73bar (1060psi) při 33,1 stupních Celsia.
Na tomto místě popíšeme vlastnosti rozpouštědla oxidu uhličitého v jeho nadkritickém stavu – protože plynný stav nemůže fungovat jako rozpouštědlo a kapalný stav není účinným rozpouštědlem při extrakci kanabinoidů.
Jaké vlastnosti superkritického oxidu uhličitého (SCCO2) z něj tedy činí účinné rozpouštědlo při extrakci konopí? Superkritický oxid uhličitý – a všechny superkritické kapaliny – má hustotu kapaliny, difuzivitu plynu a nízkou viskozitu (hustotu). Zjednodušeně to znamená, že SCCO2 má: vysokou nosnost roztoku (tj. pojme velké množství materiálu), schopnost pronikat do nejmenších prostor (jako plyn) a velmi malý odpor při proudění. Navíc lze manipulovat s jeho polaritou a hustotou. Polární manipulace lze dosáhnout přidáním spolurozpouštědel, například ethanolu. Manipulace s hustotou je skutečnou silou superkritického oxidu uhličitého jako rozpouštědla. Zatímco jiná rozpouštědla, jako jsou uhlovodíky a ethanol, jsou účinnější při zbavování rostlinného materiálu kanabinoidů a terpenů, SCCO2 má jedinečnou schopnost zaměřit se na specifické frakce ve výchozím (rostlinném) materiálu nebo oddělit rozpuštěné látky. Tyto procesy jsou možné, protože hustota SCCO2 závisí na parametrech tlaku a teploty.
Interakce mezi rozpuštěnými látkami a oxidem uhličitým jsou specifické pro jednotlivé rozpuštěné látky. Každá rozpuštěná látka ve směsi (tj. v mateřském rostlinném materiálu) má jedinečný profil rozpustnosti, který souvisí s hustotou SCCO2; existuje hustota, při níž se specifické rozpuštěné látky stávají v SCCO2 vysoce rozpustnými. Tento jev se nazývá crossover fenomén. Je charakterizován exponenciálním nárůstem rozpustnosti rozpuštěné látky v SCCO2. Protože bod crossoveru je specifický pro konkrétní rozpuštěnou látku – pokud je známa kritická hustota cílových rozpuštěných látek, lze je individuálně odstranit pomocí teplotních a tlakových gradientů.
Na tento jev crossoveru se můžeme dívat také z jiného úhlu pohledu: Představte si, že použijete nastavení teploty a tlaku, které vede k extrakci všech rozpuštěných látek z vašeho vstupního materiálu, a poté snížíte hustotu za místem extrakce. Tento proces se nazývá retrográdní rozpustnost a lze jej využít k oddělení složek směsi SCCO2/rozpuštěných látek.
V podstatě tento proces začíná s SCCO2 o velmi vysoké hustotě, po němž následuje postupné snižování tlaku, které vede ke konzistentnímu snižování hustoty SCCO2 v průběhu celého tohoto procesu. Jak tento proces probíhá, některé rozpuštěné látky již nejsou rozpustné a jsou shromažďovány na určitých místech (tj. v separačních nádobách).
Tato schopnost cílit nebo oddělovat rozpuštěné látky ze směsi je nejcennější vlastností extrakce SCCO2. Mezi další výhodné vlastnosti extrakce oxidem uhličitým patří skutečnost, že je obecně považován za bezpečný (tj. vysoké expoziční limity), je relativně levný a je dostupný ve vysoké čistotě z mnoha zdrojů.
Úvahy o systému CO2
Jaké jsou tedy důležité vlastnosti systému superkritické extrakce oxidem uhličitým? Jak již bylo uvedeno, hustota, která je určena tlakem a teplem, je jednou z fyzikálních vlastností SCCO2, která určuje účinnost extrakce a separace. Proto jsou nesmírně důležité tři proměnné:
- maximální jmenovitý tlak
- možnost měřit teplotu oxidu uhličitého (nikoli povrch nádob) a
- výkonné ohřívače.
Tyto vlastnosti jsou důležité, protože je nutné dosáhnout vysokých tlaků, dodávat teplo účinným způsobem a mít v reálném čase znalosti o teplotách oxidu uhličitého, aby bylo možné vhodně přizpůsobit hustotu.
Extraktor by měl mít také systém monitorování čerpadla/průtoku, který vyhodnocuje hmotnost oxidu uhličitého dodávaného do extrakční nádoby. Toto čerpadlo by navíc mělo mít schopnost dodávat vysoké průtoky do výchozího materiálu v extrakční nádobě. Důležitou vypočtenou veličinou pro optimalizaci nadkritického extraktoru oxidu uhličitého je totiž poměr hmotnosti oxidu uhličitého použitého během extrakce k hmotnosti výchozího materiálu – k dosažení 90- až 95procentní úplnosti extrakce je obvykle nutný poměr 50 nebo více.
Nakonec separační nádoby s vysokým maximálním tlakem jsou nesmírně důležité, protože dávají technikovi možnost používat při vývoji separačních protokolů (tj. při vývoji produktu) různé tlaky.
Nedostatkem extrakce SCCO2 je, že řada vosků a mastných kyselin je rozpustná i v superkritickém oxidu uhličitém. Z hlediska výroby je to důležitý bod, protože tyto materiály je třeba odstranit během procesu rafinace před vývojem výrobku. Toho se dosahuje procesem zvaným winterizace, který využívá rozdílné rozpustnosti vosků a kanabinoidů v rozpouštědle při nízkých teplotách (tj. -30 stupňů Celsia nebo nižších).
Proces zimování často představuje nejpomalejší část procesu rafinace, pokud infrastruktura neodpovídá rychlosti výroby extraktoru. Standardní protokol používá nálevku a filtrační papír v součinnosti s vakuem. V závislosti na objemu může tento proces trvat čtyři až osm hodin. Navíc se musí několikrát opakovat, aby se zohlednilo rozpouštění vosků zpět do ethanolu během zdlouhavého procesu filtrace. Nadbytečnost a délku tohoto procesu však lze obejít použitím technik nízkotlakých kazetových filtrů, které mohou zpracovat velké objemy zimovaného materiálu rychlým způsobem při kontrole teploty.
Dalším aspektem je regenerace rozpouštědel, která následuje po procesu zazimování. Je důležité dimenzovat jednotky pro regeneraci rozpouštědel tak, aby odpovídaly rychlosti výroby při zimování/filtraci. Nejčastěji se k regeneraci vašeho zazimovacího rozpouštědla používají rotační odpařovací systémy. Je také důležité tento systém dimenzovat tak, aby odpovídal vašim výrobním a extrakčním rychlostem v kroku regenerace před rozpouštědlem.
Pro přiblížení těchto poznámek uvádíme příklad výrobního systému s následnou identifikací úzkého místa.
Nejprve je nutné stanovit předpoklady:
- vstup extraktoru 2 000 gramů
- redukční poměr 0,18
- dvě extrakce denně
- pětidenní doba provozu týdně.
Při těchto předpokladech je výstup na jeden provoz 360 gramů denně a 3 600 gramů týdně. Celkový objem filtrovaného materiálu by tedy činil 36 litrů při poměru zimního rozpouštědla k extraktu 10:1.
Tento materiál lze přefiltrovat za 34 minut pomocí přetlakového filtračního systému, který je schopen zajistit průtok vody 125 litrů za hodinu, a stejného objemu rozpouštědla k vymytí vosků. Konečný objem pro získání rozpouštědla je 72 litrů, které lze získat za čtyři a půl hodiny pomocí rotační odparky schopné zpracovat 16 litrů za hodinu. Z vyhodnocení těchto čísel vyplývá, že vaše zařízení pro následné zpracování je schopno rafinovat týdenní extrakt zhruba za pět hodin. Úzkým místem popsaného výrobního systému jsou tedy vaše parametry extrakce nebo extraktor.
Ačkoli tato analýza proces v některých ohledech příliš zjednodušuje, je příkladem důležitosti plánování vašeho celkového výrobního systému tak, aby splňoval výstup v každé fázi, protože kapitál by mohl být lépe využit k získání systému s vyšším celkovým výstupem. Nevyvážené systémy mohou způsobit, že výrobní zařízení bude po určitou dobu ležet ladem, což není optimální využití kapitálu, pracovní síly ani zařízení.
Mark June-Wells, Ph.D., je hlavním vlastníkem společnosti Sativum Consulting Group a doktorem botaniky/ekologie rostlin (Rutgers University).