Ihr Leitfaden für die überkritische Extraktion

Cannabisextrakte sind ein wichtiger Bestandteil der schnell wachsenden Marihuanaindustrie, insbesondere auf dem medizinischen Markt. Das ätherische Öl von Cannabis, das ein Konzentrat aller pharmazeutischen Wirkstoffe der Marihuanapflanze ist, ist eine dynamische Substanz, die für den Konsum in zahlreiche Formen umgewandelt werden kann. Als Ausgangspunkt können Extrakte (mit ein wenig chemischem Grundwissen) in Produkte wie Tinkturen, transdermale Pflaster, Brausetabletten, Getränkepulver, Zäpfchen und Tabletten zum Einnehmen umgewandelt werden, ganz zu schweigen von den üblichen Ölen zum Verdampfen und Dabben.

Zur Extraktion der Wirkstoffe aus Cannabis steht eine Vielzahl geeigneter Lösungsmittel zur Verfügung, die alle ihre Stärken und Schwächen haben und Anforderungen an die Laborinfrastruktur und die Produktionsskalierung mit sich bringen.

In dieser Kolumne wird die überkritische Kohlendioxid-Extraktion (SCCO2) untersucht, einschließlich ihrer Funktionsweise, der Anforderungen an das Labor und der Merkmale, die bei der Auswahl des Extraktors berücksichtigt werden sollten.

Medizinischer Wert

Ein logischer Ausgangspunkt für ein Gespräch über die Kohlendioxid-Extraktion (oder jede andere Art der Extraktion) ist ein kurzer Überblick über die medizinisch wertvollen gelösten Stoffe, die aus der Cannabispflanze extrahiert werden.

Zwei Klassen von Cannabis-Substanzen erhalten die meiste Aufmerksamkeit in dieser wachsenden Industrie: Cannabinoide und Terpene.

Mindestens 113 Cannabinoide wurden isoliert, und diese Moleküle haben ein Gewicht von 250 bis 350amu (atomare Masseneinheiten). Ihre physikalische Form kann flüssig oder fest sein (je nach Identität), sie enthalten eine Vielzahl von funktionellen Gruppen und sind nicht flüchtig.

Terpene sind eine große und vielfältige Gruppe von Verbindungen, die von Pflanzen und einigen Tieren produziert werden. Diese Gruppe von Molekülen wird nach der Anzahl der Isopren-Basiseinheiten klassifiziert. (Isoprene sind häufige organische Verbindungen, die von Pflanzen produziert werden.) Außerdem sind Terpene und ihre Mischungen für die angenehmen oder unangenehmen Gerüche verantwortlich, die von Pflanzen ausgehen. Terpene variieren stark in ihrer Masse, basierend auf der Anzahl der Kohlenstoffatome (oder Isopren-Einheiten), können eine Vielzahl von funktionellen Gruppen enthalten und sind physisch flüssig oder Öl.

Flavonoide und Carotinoide sind ebenfalls in Cannabis enthalten. Während sie in der Cannabisindustrie häufig nicht als wertvoll erkannt werden, sind sie in der Ernährungs- und Medizinbranche als biobotanische Verbindungen bekannt. Flavonoide sind polyphenolische Verbindungen, die Pflanzenextrakten ihre goldenen und braunen Farben verleihen. Es gibt mehr als 5.000 bekannte Flavonoide, die sich im Molekulargewicht und in der Anzahl der funktionellen Gruppen unterscheiden. In ihrer reinen Form sind sie meist fest.

Carotinoide sind eine Gruppe von pharmazeutisch wichtigen Molekülen mit mehr als 600 bekannten Bestandteilen. Sie haben meist ein sehr hohes Molekulargewicht, enthalten eine Vielzahl von funktionellen Gruppen und sind orange bis rot gefärbt.

Schließlich können zahlreiche Fettsäuren und Chlorophylle aus Pflanzenmaterial extrahiert werden. Obwohl sie in der Cannabisindustrie im Allgemeinen nicht als medizinisch wertvoll angesehen werden, gibt es einige Hinweise auf ihre Bioaktivität in der Nutraceutical-Industrie. Fettsäuren sind in der Regel 16 bis 20 Kohlenstoffatome lang, können aber auch viel länger sein; sie neigen dazu, sich bei Raumtemperatur zu verfestigen, und der Sättigungsgrad (d. h. die Anzahl der Wasserstoff-Kohlenstoff-Bindungen) kann variieren.

Chlorophylle sind die großen Moleküle, die für die Fähigkeit einer Pflanze verantwortlich sind, aus Sonnenlicht und Wasser Zucker zu produzieren. Chlorophylle liegen zwischen 800 und 900amu und verleihen Pflanzenextrakten ihre grüne bis schwarze Färbung. (Eine schwarze Färbung entsteht, wenn Chlorophyll oxidiert wird.)

Der CO2-Prozess

Nachdem wir nun den Großteil der extrahierbaren gelösten Stoffe in Cannabis behandelt haben, wollen wir nun untersuchen, wie Kohlendioxid als Lösungsmittel funktioniert.

Bevor wir eintauchen, kann ein kurzer Überblick über einige wichtige physikalische Eigenschaften von Kohlendioxid hilfreich sein. Kohlendioxid ist bei Standardtemperaturen und -druck ein Gas. Bei einem Druck von mehr als 5 bar wird es flüssig, und sein kritischer Punkt (die Dampf-Flüssigkeits-Grenze) liegt bei 73 bar (1060 psi) und 33,1 Grad Celsius.

Hier werden wir die Lösungsmitteleigenschaften von Kohlendioxid in seinem überkritischen Zustand beschreiben – denn der gasförmige Zustand kann nicht als Lösungsmittel dienen, und der flüssige Zustand ist kein effizientes Lösungsmittel bei der Cannabinoidextraktion.

Welche Eigenschaften von überkritischem Kohlendioxid (SCCO2) machen es also zu einem wirksamen Lösungsmittel für die Extraktion von Cannabis? Überkritisches Kohlendioxid – und alle überkritischen Fluide – haben die Dichte einer Flüssigkeit, die Diffusionsfähigkeit eines Gases und eine geringe Viskosität (Dicke). Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass SCCO2 über eine hohe Lösungskapazität (d. h. es kann viel Material aufnehmen), die Fähigkeit, in kleinste Räume einzudringen (wie ein Gas) und einen sehr geringen Strömungswiderstand verfügt. Darüber hinaus lassen sich Polarität und Dichte manipulieren. Die Polarität lässt sich durch die Zugabe von Co-Lösungsmitteln wie Ethanol beeinflussen. Die Beeinflussung der Dichte ist die eigentliche Stärke von überkritischem Kohlendioxid als Lösungsmittel. Während andere Lösungsmittel wie Kohlenwasserstoffe und Ethanol das Pflanzenmaterial effizienter von seinen Cannabinoiden und Terpenen befreien, besitzt SCCO2 die einzigartige Fähigkeit, bestimmte Fraktionen des Ausgangsmaterials (der Pflanze) oder einzelne gelöste Stoffe gezielt zu entfernen. Diese Prozesse sind möglich, weil die Dichte von SCCO2 von Druck- und Temperaturparametern abhängig ist.

Die Wechselwirkungen zwischen gelösten Stoffen und Kohlendioxid sind lösungsspezifisch. Jeder gelöste Stoff in einem Gemisch (d. h. das pflanzliche Ausgangsmaterial) hat ein einzigartiges Löslichkeitsprofil, das mit der Dichte des SCCO2 zusammenhängt; es gibt eine Dichte, bei der bestimmte gelöste Stoffe in SCCO2 gut löslich werden. Dies wird als Crossover-Phänomen bezeichnet. Es ist gekennzeichnet durch einen exponentiellen Anstieg der Löslichkeit eines gelösten Stoffes in SCCO2. Da der Crossover-Punkt lösungsspezifisch ist – wenn die kritische Dichte für die Ziellösungsstoffe bekannt ist -, können sie durch Temperatur- und Druckgradienten individuell entfernt werden.

Wir können dieses Crossover-Phänomen auch aus einer anderen Perspektive betrachten: Stellen Sie sich vor, Sie verwenden Temperatur- und Druckeinstellungen, die dazu führen, dass alle gelösten Stoffe aus Ihrem Ausgangsmaterial extrahiert werden, und verringern dann die Dichte stromabwärts der Extraktionsstelle. Dieser Prozess wird als retrograde Löslichkeit bezeichnet und kann genutzt werden, um die Komponenten des SCCO2/Lösungsgemischs zu trennen.

Im Wesentlichen beginnt dieser Prozess mit einer sehr hohen SCCO2-Dichte, gefolgt von aufeinander folgenden Druckentlastungen, die zu einer konstanten Verringerung der SCCO2-Dichte während des gesamten Prozesses führen. Während dieses Prozesses sind bestimmte gelöste Stoffe nicht mehr löslich und werden an bestimmten Stellen (d. h. in Abscheidegefäßen) gesammelt.

Diese Fähigkeit, gelöste Stoffe gezielt aus einem Gemisch abzutrennen, ist das wertvollste Merkmal der SCCO2-Extraktion. Zu den weiteren vorteilhaften Merkmalen der Kohlendioxid-Extraktion gehört die Tatsache, dass Kohlendioxid im Allgemeinen als sicher gilt (d. h. hohe Expositionsgrenzwerte), dass es relativ billig ist und dass es in hoher Reinheit aus zahlreichen Quellen erhältlich ist.

CO2-Systembetrachtungen

Welche Merkmale sind also für ein überkritisches Kohlendioxid-Extraktionssystem wichtig? Wie bereits erwähnt, ist die Dichte, die durch Druck und Wärme bestimmt wird, eine physikalische Eigenschaft von SCCO2, die die Effizienz der Extraktion und Trennung bestimmt. Daher sind drei Variablen von größter Bedeutung:

1. Maximaler Nenndruck
2. die Möglichkeit, die Temperatur des Kohlendioxids zu messen (nicht die Oberfläche der Gefäße) und
3. Heizgeräte mit hoher Wattzahl.

Diese Merkmale sind wichtig, weil es notwendig ist, hohe Drücke zu erzielen, die Wärme effizient zuzuführen und die Kohlendioxidtemperaturen in Echtzeit zu kennen, um die Dichte entsprechend anzupassen.

Eine Extraktionsanlage sollte auch über ein Pumpen-/Durchflussüberwachungssystem verfügen, das die Masse des Kohlendioxids auswertet, die in den Extraktionsbehälter gefördert wird. Außerdem sollte die Pumpe in der Lage sein, hohe Durchflussraten an das Ausgangsmaterial im Extraktionsgefäß zu liefern. Denn eine wichtige Berechnungsvariable zur Optimierung eines überkritischen Kohlendioxid-Extraktors ist das Verhältnis der während der Extraktion verwendeten Kohlendioxidmasse zur Masse des Ausgangsmaterials – ein Verhältnis von 50 oder mehr ist in der Regel erforderlich, um eine 90- bis 95-prozentige Vollständigkeit der Extraktion zu erreichen.

Schließlich sind Abscheidegefäße mit hohen maximalen Druckwerten äußerst wichtig, da sie dem Techniker die Möglichkeit geben, bei der Entwicklung von Abscheideprotokollen (d. h. bei der Produktentwicklung) eine Vielzahl von Drücken zu verwenden.

Ein Nachteil der SCCO2-Extraktion ist, dass zahlreiche Wachse und Fettsäuren auch in überkritischem Kohlendioxid löslich sind. Aus Sicht der Herstellung ist dies ein wichtiger Punkt, da diese Stoffe während des Raffinationsprozesses vor der Produktentwicklung entfernt werden müssen. Dies wird durch ein Verfahren namens Winterisierung erreicht, das die unterschiedliche Löslichkeit von Wachsen und Cannabinoiden in einem Lösungsmittel bei niedrigen Temperaturen (d. h. -30 Grad Celsius oder weniger) ausnutzt.

Der Winterisierungsprozess stellt häufig den langsamsten Teil des Raffinationsprozesses dar, wenn die Infrastruktur nicht mit der Produktionsrate des Extraktors übereinstimmt. Das Standardprotokoll verwendet einen Trichter und Filterpapier in Verbindung mit einem Vakuum. Je nach Volumen kann dieser Prozess zwischen vier und acht Stunden dauern. Außerdem muss er mehrfach wiederholt werden, um die Auflösung der Wachse in Ethanol während des langwierigen Filtrationsprozesses zu berücksichtigen. Die Redundanz und die Dauer dieses Prozesses können jedoch durch den Einsatz von Niederdruck-Patronenfiltertechniken umgangen werden, die große Mengen an winterisiertem Material zügig und unter Kontrolle der Temperatur verarbeiten können.

Der nächste Punkt ist die Lösungsmittelrückgewinnung, die auf den Winterisierungsprozess folgt. Es ist wichtig, die Lösungsmittelrückgewinnungsanlagen so zu dimensionieren, dass sie den Produktionsraten der Winterisierung/Filterung entsprechen. In den meisten Fällen werden Rotationsverdampfungssysteme zur Rückgewinnung des Winterisierungslösungsmittels verwendet. Es ist auch wichtig, dieses System so zu dimensionieren, dass es den Produktions- und Extraktionsraten der Vorlösungsmittelrückgewinnung entspricht.

Um diese Hinweise zu verdeutlichen, hier ein Beispiel für ein Produktionssystem, gefolgt von einer Identifizierung des Engpasses.

Zunächst müssen die Annahmen dargelegt werden:

1. Extraktor-Input von 2.000 Gramm
2. Rücklaufverhältnis 0,18
3. zwei Extraktionen pro Tag
4. fünf Tage pro Woche Laufzeit.

Mit diesen Annahmen beträgt der Output pro Lauf 360 Gramm pro Tag und 3.600 Gramm pro Woche. Das Gesamtvolumen des zu filternden Materials würde demnach 36 Liter betragen, bei einem Verhältnis von 10:1 von Überwinterungslösungsmittel zu Extrakt.

Dieses Material kann in 34 Minuten mit einem Überdruck-Filtrationssystem gefiltert werden, das einen wässrigen Durchfluss von 125 Litern pro Stunde und ein gleiches Volumen an Lösungsmittel zum Waschen der Wachse ermöglicht. Das Endvolumen für die Lösungsmittelrückgewinnung beträgt 72 Liter, die in viereinhalb Stunden mit einem Rotationsverdampfer, der 16 Liter pro Stunde verarbeiten kann, zurückgewonnen werden können. Die Auswertung dieser Zahlen lässt darauf schließen, dass Ihre Nachbearbeitungsanlage in der Lage ist, den Extrakt einer Woche in etwa fünf Stunden aufzubereiten. Daher sind Ihre Extraktionsparameter oder der Extraktor der Engpass in dem beschriebenen Produktionssystem.

Auch wenn diese Analyse den Prozess in gewisser Weise vereinfacht, verdeutlicht sie doch, wie wichtig es ist, das gesamte Produktionssystem so zu planen, dass es den Anforderungen der einzelnen Stufen gerecht wird, da das Kapital besser eingesetzt werden kann, um ein System mit einer höheren Gesamtleistung zu erhalten. Unausgewogene Systeme können dazu führen, dass Produktionsanlagen über einen längeren Zeitraum ungenutzt bleiben, was keine optimale Nutzung von Kapital, Arbeitskräften oder Anlagen darstellt.

Mark June-Wells, Ph.D., ist Haupteigentümer der Sativum Consulting Group und promovierte in Botanik/Pflanzenökologie (Rutgers University).