Los extractos de cannabis son una parte importante de la industria de la marihuana, que crece rápidamente, especialmente en los mercados médicos. El aceite esencial de cannabis, que es un concentrado de todos los ingredientes farmacéuticos activos de la planta de marihuana, es una sustancia dinámica que puede transformarse en numerosas formas para el consumo del usuario. Como punto de partida, los extractos pueden convertirse (con un poco de conocimientos básicos de química) en productos como tinturas, parches transdérmicos, tabletas efervescentes, polvos para beber, supositorios y tabletas orales, por no hablar de los aceites estándar para vaporizar y hacer dabbing.
Hay una variedad de disolventes adecuados para extraer los ingredientes activos del cannabis, cada uno de los cuales tiene puntos fuertes, puntos débiles, requisitos de infraestructura de laboratorio y consideraciones de escala de producción.
Esta columna explora la extracción con dióxido de carbono supercrítico (SCCO2), incluyendo su funcionalidad, los requisitos de laboratorio y las características que deben considerarse durante la selección del extractor.
Valor medicinal
Un lugar lógico para comenzar una conversación sobre la extracción de dióxido de carbono (o cualquier tipo de extracción, para el caso) es una rápida visión general de los solutos de valor medicinal que se pueden extraer de la planta de cannabis.
Dos clases de sustancias del cannabis son las que más atención reciben en esta creciente industria: los cannabinoides y los terpenos.
Se han aislado al menos 113 cannabinoides, y estas moléculas tienen un peso de entre 250 y 350amu (unidades de masa atómica). Su forma física puede ser líquida o sólida (dependiendo de la identidad), contienen una variedad de grupos funcionales y no son volátiles.
Los terpenos son un grupo amplio y diverso de compuestos producidos por las plantas y algunos animales. Este grupo de moléculas se clasifica por el número de unidades de isopreno base. (Los isoprenos son compuestos orgánicos comunes producidos por las plantas.) Además, los terpenos y sus mezclas asociadas son responsables de los agradables -o desagradables- aromas que desprenden las plantas. Los terpenos varían mucho en masa según el número de átomos de carbono (o unidades de isopreno), pueden incluir una variedad de grupos funcionales y son físicamente líquidos o aceites.
Los flavonoides y carotenoides también están presentes en el cannabis. Aunque no suelen ser reconocidos como valiosos en la industria del cannabis, son compuestos biobotánicos muy conocidos en las industrias nutricionales y médicas. Los flavonoides son compuestos polifenólicos que dan a los extractos de plantas sus colores dorados y marrones. Hay más de 5.000 flavonoides conocidos que varían en peso molecular y número de grupos funcionales. Suelen ser sólidos en su forma pura.
Los carotenoides son un grupo de moléculas de importancia farmacéutica con más de 600 componentes conocidos. Suelen tener un peso molecular muy elevado, contienen una variedad de grupos funcionales y son de color naranja a rojo.
Por último, se pueden extraer numerosos ácidos grasos y clorofilas del material vegetal. Aunque generalmente no se considera que tengan valor medicinal en la industria del cannabis, existen algunas pruebas de su bioactividad en la industria nutracéutica. Los ácidos grasos suelen tener entre 16 y 20 carbonos, pero pueden ser mucho más grandes; tienden a solidificarse a temperatura ambiente, y el nivel de saturación (es decir, el número de enlaces hidrógeno-carbono) puede variar.
Las clorofilas son las grandes moléculas responsables de la capacidad de una planta para producir azúcares a partir de la luz solar y el agua. Las clorofilas oscilan entre 800 y 900amu y dan a los extractos vegetales su coloración entre verde y negra. (La coloración negra se produce cuando la clorofila se oxida.)
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El proceso del CO2
Ahora que hemos cubierto la mayoría de los solutos extraíbles en el cannabis, vamos a explorar cómo funciona el dióxido de carbono como disolvente.
Antes de entrar en materia, puede ser útil un rápido repaso de algunas propiedades físicas relevantes del dióxido de carbono. El dióxido de carbono es un gas a temperaturas y presión estándar. Forma un líquido a presiones superiores a 5bar (es decir, 73psi), y su punto crítico (el límite entre vapor y líquido) es de 73bar (1060psi) a 33,1 grados Celsius.
Aquí describiremos las propiedades disolventes del dióxido de carbono en su estado supercrítico, ya que el estado gaseoso no puede actuar como disolvente, y el estado líquido no es un disolvente eficiente en la extracción de cannabinoides.
Entonces, ¿qué características del dióxido de carbono supercrítico (SCCO2) lo convierten en un disolvente eficaz en la extracción de cannabis? El dióxido de carbono supercrítico -y todos los fluidos supercríticos- tiene la densidad de un líquido, la difusividad de un gas y una baja viscosidad (espesor). En términos más sencillos, esto significa que el SCCO2 tiene: una gran capacidad de transporte de sólidos (es decir, puede contener mucho material), la capacidad de penetrar en los espacios más pequeños (como un gas) y muy poca resistencia al flujo. Además, su polaridad y densidad pueden manipularse. La manipulación polar puede lograrse con la adición de co-solventes, como el etanol. La manipulación de la densidad es el verdadero poder del dióxido de carbono supercrítico como disolvente. Mientras que otros disolventes, como los hidrocarburos y el etanol, son más eficaces a la hora de despojar el material vegetal de sus cannabinoides y terpenos, el SCCO2 tiene la capacidad única de dirigirse a fracciones específicas del material original (de la planta) o de separar los solutos. Estos procesos son posibles porque la densidad del SCCO2 depende de los parámetros de presión y temperatura.
Las interacciones entre el soluto y el dióxido de carbono son específicas del soluto. Cada soluto en una mezcla (es decir, el material vegetal madre) tiene un perfil de solubilidad único que está relacionado con la densidad del SCCO2; existe una densidad en la que solutos específicos se vuelven altamente solubles en SCCO2. Esto se denomina fenómeno de cruce. Se caracteriza por un aumento exponencial de la solubilidad de un soluto en SCCO2. Dado que el punto de cruce es específico del soluto, si se conoce la densidad crítica de los solutos objetivo, pueden extraerse individualmente utilizando gradientes de temperatura y presión.
También podemos ver este fenómeno de cruce desde una perspectiva diferente: Imagínese que utiliza ajustes de temperatura y presión que dan como resultado la extracción de todos los solutos de su material de alimentación, y luego reduce la densidad aguas abajo del lugar de extracción. Este proceso se denomina solubilidad retrógrada y puede aprovecharse para separar los componentes de la mezcla SCCO2/soluto.
Esencialmente, este proceso comienza con SCCO2 a una densidad muy alta, seguido de despresurizaciones secuenciales que resultan en reducciones consistentes de la densidad de SCCO2 a lo largo de ese proceso. A medida que se produce este proceso, ciertos solutos dejan de ser solubles y se recogen en lugares específicos (es decir, en los recipientes de separación).
Esa capacidad de dirigir o separar los solutos de una mezcla es la característica más valiosa de la extracción de SCCO2. Otras características beneficiosas de las extracciones de dióxido de carbono incluyen el hecho de que generalmente se considera seguro (es decir, altos límites de exposición), es relativamente barato y está disponible en alta pureza de numerosas fuentes.
Consideraciones sobre el sistema de CO2
Entonces, ¿cuáles son las características importantes de un sistema de extracción de dióxido de carbono supercrítico? Como se mencionó anteriormente, la densidad, que está determinada por la presión y el calor, es una propiedad física del SCCO2 que dicta la eficiencia de la extracción y la separación. Por lo tanto, hay tres variables que son de suma importancia:
- la capacidad de presión máxima
- la capacidad de medir la temperatura del dióxido de carbono (no la superficie de los recipientes) y
- los calentadores de alta potencia.
- Entrada del extractor de 2.000 gramos
- Relación de retorno 0,18
- Dos extracciones al día
- Tiempo de ejecución de cinco días a la semana.
Estas características son importantes porque es necesario obtener altas presiones, suministrar el calor de manera eficiente y tener un conocimiento en tiempo real de las temperaturas del dióxido de carbono para adaptar la densidad adecuadamente.
Un extractor también debe tener un sistema de monitorización de la bomba/caudal que evalúe la masa de dióxido de carbono que se entrega al recipiente de extracción. Además, esa bomba debe tener la capacidad de suministrar altos caudales al material madre en el recipiente de extracción. Esto se debe a que una variable calculada importante para optimizar un extractor de dióxido de carbono supercrítico es la proporción de la masa de dióxido de carbono utilizada durante la extracción con respecto a la masa del material principal; por lo general, se necesita una proporción de 50 o más para alcanzar una extracción completa del 90 al 95 por ciento.
Por último, los recipientes de separación con altos índices de presión máxima son extremadamente importantes porque dan al técnico la capacidad de utilizar una variedad de presiones en el desarrollo de protocolos de separación (es decir, desarrollo de productos).
Un inconveniente de la extracción con SCCO2 es que numerosas ceras y ácidos grasos también son solubles en dióxido de carbono supercrítico. Desde el punto de vista de la fabricación, este es un punto importante porque esos materiales deben ser eliminados durante el proceso de refinamiento antes del desarrollo del producto. Esto se consigue mediante un proceso llamado winterización, que aprovecha la diferente solubilidad de las ceras y los cannabinoides en un disolvente a bajas temperaturas (es decir, a -30 grados Celsius o menos).
El proceso de hibernación representa con frecuencia la parte más lenta del proceso de refinamiento si la infraestructura no se ajusta al ritmo de producción del extractor. El protocolo estándar utiliza un embudo y papel de filtro junto con un vacío. Dependiendo del volumen, este proceso puede durar entre cuatro y ocho horas. Además, debe repetirse varias veces para tener en cuenta la disolución de las ceras en etanol durante el prolongado proceso de filtrado. Sin embargo, la redundancia y la duración de este proceso pueden evitarse mediante el uso de técnicas de filtrado con cartuchos de baja presión que pueden procesar grandes volúmenes de material invernado de manera expedita mientras se controla la temperatura.
La siguiente consideración es la recuperación de disolventes que sigue al proceso de hibernación. Es importante dimensionar sus unidades de recuperación de disolventes para que coincidan con sus índices de producción de hibernación/filtrado. Lo más habitual es que se utilicen sistemas de evaporación rotativa para recuperar el disolvente de hibernación. También es importante escalar este sistema para que coincida con sus tasas de producción y extracción de la etapa de recuperación de disolventes.
Para poner estas notas en perspectiva, he aquí un ejemplo de un sistema de producción seguido de una identificación del cuello de botella.
En primer lugar, es necesario exponer los supuestos:
Con esos supuestos, la salida por ejecución es de 360 gramos al día y 3.600 gramos a la semana. Por lo tanto, el volumen total de material a filtrar sería de 36 litros con una proporción de 10:1 de disolvente de hibernación y extracto.
Ese material se puede filtrar en 34 minutos con un sistema de filtración de presión positiva capaz de un flujo acuoso de 125 litros por hora y un volumen igual de disolvente para lavar las ceras. El volumen final para la recuperación del disolvente es de 72 litros, que pueden recuperarse en cuatro horas y media con un evaporador rotatorio capaz de procesar 16 litros por hora. La evaluación de estos números sugiere que su equipo de posprocesamiento es capaz de refinar el extracto de una semana en aproximadamente cinco horas. Por lo tanto, sus parámetros de extracción o el extractor son el cuello de botella en el sistema de producción descrito.
Aunque este análisis simplifica en exceso el proceso en algunos aspectos, ejemplifica la importancia de planificar su sistema de producción total para cumplir con la producción en cada etapa, ya que el capital podría aprovecharse mejor para obtener un sistema con una mayor producción global. Los sistemas desequilibrados pueden hacer que los equipos de fabricación permanezcan inactivos durante periodos de tiempo, lo que no constituye un uso óptimo del capital, la mano de obra o los equipos.
Mark June-Wells, Ph.D. es propietario principal de Sativum Consulting Group y doctor en botánica/ecología vegetal (Universidad de Rutgers).