A kannabiszkivonatok fontos részét képezik a gyorsan növekvő marihuánaiparnak, különösen az orvosi piacokon. A kannabisz illóolaja, amely a marihuána növény összes aktív gyógyszerhatóanyagának koncentrátuma, egy dinamikus anyag, amely számos formába átalakítható a felhasználói fogyasztás érdekében. Kiindulópontként a kivonatok (némi alapvető kémiai tudással) átalakíthatók olyan termékekké, mint a tinktúrák, transzdermális tapaszok, pezsgőtabletták, italporok, kúpok és orális tabletták, nem is beszélve a szokásos párologtató és dabbing olajokról.
A kannabiszból történő hatóanyag-kivonáshoz számos alkalmas oldószer áll rendelkezésre – mindegyiknek megvannak az erősségei, gyengeségei, laboratóriumi infrastruktúra-követelményei és a gyártás méretezésével kapcsolatos megfontolások.
Ez a rovat a szuperkritikus szén-dioxid extrakciót (SCCO2) vizsgálja, beleértve annak működését, a laboratóriumi követelményeket és azt, hogy milyen jellemzőket kell figyelembe venni az extrakciós készülék kiválasztásakor.
Medicinális érték
A szén-dioxidos extrakcióról (vagy egyébként bármilyen típusú extrakcióról) szóló beszélgetés logikus kezdete a kannabisz növényből kinyerhető, gyógyászatilag értékes oldott anyagok gyors áttekintése.
A kannabisz anyagainak két osztálya kapja a legnagyobb figyelmet ebben a növekvő iparágban: a kannabinoidok és a terpének.
Mindössze 113 kannabinoidot izoláltak, és e molekulák tömege 250 és 350amu (atomi tömegegység) között mozog. Fizikai formájuk lehet folyékony vagy szilárd (az azonosságtól függően), különböző funkciós csoportokat tartalmaznak és nem illékonyak.
A terpének a növények és egyes állatok által termelt vegyületek nagy és változatos csoportját alkotják. Ezt a molekulacsoportot az izoprén bázisegységek száma alapján osztályozzák. (Az izoprének a növények által termelt gyakori szerves vegyületek.) Továbbá a terpének és a hozzájuk kapcsolódó keverékek felelősek a növények által kibocsátott kellemes – vagy kellemetlen – aromákért. A terpének tömege a szénatomok (vagy izoprénegységek) száma alapján széles skálán mozog, számos funkciós csoportot tartalmazhatnak, és fizikailag folyékonyak vagy olajszerűek.
A kannabiszban flavonoidok és karotinoidok is jelen vannak. Bár a kannabisziparban nem gyakran ismerik el őket értékesnek, a táplálkozási és az orvosi iparban jól ismert biobotanikai vegyületek. A flavonoidok polifenolos vegyületek, amelyek a növényi kivonatoknak arany és barna színt adnak. Több mint 5000 ismert flavonoid létezik, amelyek molekulatömegük és funkciós csoportjaik száma szerint változnak. Tiszta formában általában szilárd halmazállapotúak.
A karotinoidok a gyógyszerészetileg fontos molekulák egy csoportja, amelynek több mint 600 ismert összetevője van. Általában nagyon nagy molekulatömegűek, számos funkciós csoportot tartalmaznak és narancssárga vagy vörös színűek.
Végül számos zsírsav és klorofill kivonható növényi anyagból. Bár a kannabisziparban általában nem tartják őket gyógyászati szempontból értékesnek, a táplálkozástudományi iparban van némi bizonyíték a bioaktivitásukra. A zsírsavak általában 16-20 szénatom hosszúságúak, de lehetnek ennél jóval nagyobbak is; szobahőmérsékleten hajlamosak megszilárdulni, és a telítettségi szint (azaz a hidrogén-szén kötések száma) változhat.
A klorofillok azok a nagy molekulák, amelyek a növény azon képességéért felelősek, hogy a napfényből és vízből cukrokat tudjon előállítani. A klorofillok 800 és 900amu között mozognak, és a növényi kivonatoknak adják a zöldtől a feketéig terjedő színüket. (A fekete színeződés a klorofill oxidációjakor következik be.)
_fmt.png)
A CO2-folyamat
Most, miután a kannabiszban lévő kivonható oldott anyagok többségével foglalkoztunk, vizsgáljuk meg, hogyan működik oldószerként a szén-dioxid.
Mielőtt belevágnánk, hasznos lehet egy gyors áttekintés a szén-dioxid néhány lényeges fizikai tulajdonságáról. A szén-dioxid normál hőmérsékleten és nyomáson gáz. Folyadékot képez 5bar (azaz 73psi) feletti nyomáson, és a kritikus pontja (a gőz-folyadék határ) 73bar (1060psi) 33,1 Celsius fokon.
Itt a szén-dioxid oldószer-tulajdonságait a szuperkritikus állapotában írjuk le – mivel a gázállapot nem képes oldószerként viselkedni, és a folyékony állapot nem hatékony oldószer a kannabinoidok kivonásában.
A szuperkritikus szén-dioxid (SCCO2) milyen tulajdonságai teszik hatékony oldószerré a kannabisz extrakciójában? A szuperkritikus szén-dioxid – és minden szuperkritikus folyadék – a folyadék sűrűségével, a gáz diffúziós képességével és alacsony viszkozitásával (vastagságával) rendelkezik. Egyszerűbben fogalmazva ez azt jelenti, hogy az SCCO2 rendelkezik: nagy oldószerhordozó kapacitással (azaz sok anyagot képes megtartani), a legkisebb terekbe is képes behatolni (mint egy gáz) és nagyon kis áramlási ellenállással. Ezenkívül a polaritása és sűrűsége manipulálható. A poláris manipuláció társoldószerek, például etanol hozzáadásával érhető el. A sűrűség manipulálása a szuperkritikus szén-dioxid, mint oldószer igazi ereje. Míg más oldószerek, például a szénhidrogének és az etanol hatékonyabban távolítják el a növényi anyagból a kannabinoidokat és terpéneket, az SCCO2 egyedülálló módon képes az alapanyag (növény) meghatározott frakcióit vagy az oldott anyagokat elkülöníteni. Ezek a folyamatok azért lehetségesek, mert az SCCO2 sűrűsége a nyomás- és hőmérsékleti paraméterektől függ.
Az oldott anyag-szén-dioxid kölcsönhatások oldott anyagspecifikusak. A keverékben (azaz a növényi alapanyagban) minden egyes oldott anyagnak egyedi oldhatósági profilja van, amely az SCCO2 sűrűségével függ össze; létezik egy olyan sűrűség, ahol bizonyos oldott anyagok nagymértékben oldódnak az SCCO2-ben. Ezt nevezzük átmenet jelenségnek. Jellemzője az oldott anyag SCCO2-ben való oldhatóságának exponenciális növekedése. Mivel az átlépési pont oldott anyagspecifikus – ha a kritikus sűrűség ismert a céloldott anyagokra vonatkozóan -, a hőmérséklet- és nyomásgradiensek alkalmazásával egyedileg eltávolíthatók.
Ezt az átmenet jelenségét más szemszögből is szemlélhetjük: Képzeljük el, hogy olyan hőmérséklet- és nyomásbeállításokat használunk, amelyek az összes oldott anyag kivonását eredményezik a betáplált anyagból, majd a kivonási helytől lefelé csökkentjük a sűrűséget. Ezt a folyamatot retrográd oldódásnak nevezzük, és kihasználható az SCCO2/oldott anyag keverék összetevőinek szétválasztására.
Lényegében ez a folyamat nagyon nagy sűrűségű SCCO2-vel kezdődik, amelyet egymást követő nyomáscsökkentések követnek, amelyek az SCCO2 sűrűségének folyamatos csökkenését eredményezik a folyamat során. Miközben ez a folyamat végbemegy, bizonyos oldott anyagok már nem oldódnak, és meghatározott helyeken (pl. elválasztóedényekben) összegyűlnek.
A SCCO2 extrakció legértékesebb tulajdonsága, hogy az oldott anyagokat célzottan lehet kiválasztani vagy elkülöníteni a keverékből. A szén-dioxid extrakciók további előnyös tulajdonságai közé tartozik, hogy általában biztonságosnak tekintik (azaz magas expozíciós határértékek), viszonylag olcsó, és nagy tisztaságban számos forrásból elérhető.
CO2 rendszerrel kapcsolatos megfontolások
Melyek tehát a szuperkritikus szén-dioxid extrakciós rendszer fontos jellemzői? Mint korábban említettük, a nyomás és a hő által meghatározott sűrűség az SCCO2 egyik fizikai tulajdonsága, amely meghatározza az extrakció hatékonyságát és az elválasztást. Ezért három változó rendkívül fontos:
- maximális nyomásérték
- a szén-dioxid hőmérsékletének (nem az edények felszínének) mérésére való képesség és
- nagy teljesítményű fűtőberendezések.
Ezek a jellemzők azért fontosak, mert nagy nyomást kell elérni, hatékonyan kell szállítani a hőt, és valós időben kell ismerni a szén-dioxid hőmérsékletét a sűrűség megfelelő alakításához.
Egy elszívónak rendelkeznie kell egy szivattyú/áramlásfigyelő rendszerrel is, amely értékeli az elszívóedénybe szállított szén-dioxid tömegét. Ezenkívül a szivattyúnak képesnek kell lennie arra, hogy nagy áramlási sebességet biztosítson az extrakciós edényben lévő alapanyaghoz. Ennek oka, hogy a szuperkritikus szén-dioxid extrakciós berendezés optimalizálásának fontos számított változója az extrakció során felhasznált szén-dioxid tömegének és az alapanyag tömegének aránya – általában 50 vagy annál nagyobb arány szükséges a 90-95 százalékos teljes extrakció eléréséhez.
Végezetül a nagy maximális nyomásértékkel rendelkező elválasztóedények rendkívül fontosak, mert ezek lehetővé teszik a technikus számára, hogy az elválasztási (azaz termékfejlesztési) protokollok kidolgozása során különböző nyomásokat használhasson.
A SCCO2 extrakció hiányossága, hogy számos viasz és zsírsav is oldódik szuperkritikus szén-dioxidban. Gyártási szempontból ez fontos szempont, mivel ezeket az anyagokat a termékfejlesztés előtt a finomítási folyamat során el kell távolítani. Ezt a téliesítésnek nevezett eljárással érik el, amely kihasználja a viaszok és kannabinoidok eltérő oldhatóságát az oldószerben alacsony hőmérsékleten (azaz -30 Celsius-fokon vagy annál alacsonyabb hőmérsékleten).
A téliesítési folyamat gyakran a finomítási folyamat leglassabb részét jelenti, ha az infrastruktúra nem felel meg az extraháló termelési sebességének. A szabványos protokoll tölcsért és szűrőpapírt használ vákuummal együtt. A mennyiségtől függően ez a folyamat négy és nyolc óra között lehet. Ráadásul többször meg kell ismételni, hogy a hosszadalmas szűrési folyamat során a viaszok visszaoldódjanak az etanolba. Az eljárás redundanciája és hossza azonban megkerülhető az alacsony nyomású patronszűrő technikák alkalmazásával, amelyek nagy mennyiségű téliesített anyagot képesek gyors módon feldolgozni, miközben a hőmérsékletet szabályozzák.
A következő szempont a téliesítési folyamatot követő oldószer-visszanyerés. Fontos, hogy az oldószer-visszanyerő egységeket úgy méretezze, hogy azok megfeleljenek a téliesítés/szűrés termelési sebességének. Leggyakrabban rotációs elpárologtató rendszereket használnak a téliesítő oldószer visszanyerésére. Fontos, hogy ezt a rendszert is úgy méretezzük, hogy megfeleljen az oldószer visszanyerése előtti lépés gyártási és extrakciós sebességének.
Azért, hogy ezeket a megjegyzéseket perspektívába helyezzük, itt egy példa egy termelési rendszerre, amelyet a szűk keresztmetszet azonosítása követ.
Először is le kell fektetni a feltételezéseket:
- a extrakciós bemenet 2000 gramm
- a visszatérési arány 0,18
- két extrakció naponta
- heti ötnapos üzemidő.
Ezekkel a feltételezésekkel a futásonkénti termelés 360 gramm naponta és 3600 gramm hetente. Ezért a szűrendő anyag teljes térfogata 36 liter lenne, a téliesítő oldószer és az extraktum 10:1 arányával.
Ez az anyag 34 perc alatt szűrhető egy olyan túlnyomásos szűrőrendszerrel, amely óránként 125 liter vizes áramlásra képes, és ugyanekkora mennyiségű oldószerrel a viaszok kimosására. Az oldószer visszanyeréséhez szükséges végső térfogat 72 liter, amely négy és fél óra alatt nyerhető vissza egy óránként 16 liter feldolgozására képes rotációs elpárologtatóval. E számok kiértékelése azt sugallja, hogy az Ön utófeldolgozó berendezése nagyjából öt óra alatt képes egy hétnyi kivonat finomítására. Ezért az Ön extrakciós paraméterei vagy az extrakciós berendezés a szűk keresztmetszet a leírt termelési rendszerben.
Míg ez az elemzés bizonyos szempontból túlzottan leegyszerűsíti a folyamatot, jól példázza annak fontosságát, hogy a teljes termelési rendszerét úgy tervezze meg, hogy megfeleljen az egyes szakaszok teljesítményének, mert a tőke jobban kihasználható egy nagyobb összteljesítményű rendszer elérése érdekében. A kiegyensúlyozatlan rendszerek miatt a gyártóberendezések bizonyos ideig üresen állhatnak, ami nem optimális felhasználása a tőkének, a munkaerőnek vagy a berendezéseknek.
Mark June-Wells, Ph.D. a Sativum Consulting Group fő tulajdonosa és a botanika/növényökológia doktora (Rutgers University).