Cannabisextracten vormen een belangrijk onderdeel van de snel groeiende marihuana-industrie, vooral op de medische markten. De essentiële olie van cannabis, een concentraat van alle actieve farmaceutische ingrediënten in de marihuanaplant, is een dynamische substantie die kan worden omgezet in talloze vormen voor gebruikersconsumptie. Als uitgangspunt kunnen extracten (met een beetje chemische basiskennis) worden omgezet in producten als tincturen, transdermale pleisters, bruistabletten, drinkpoeders, zetpillen en orale tabletten, om nog maar te zwijgen van de standaard oliën voor verdampen en deppen.
Er zijn diverse geschikte oplosmiddelen beschikbaar voor het extraheren van de werkzame bestanddelen uit cannabis – elk daarvan heeft zijn sterke en zwakke punten, eisen aan de laboratoriuminfrastructuur en overwegingen voor het opschalen van de productie.
In deze column wordt ingegaan op superkritische kooldioxide-extractie (SCCO2), inclusief de functionaliteit ervan, de laboratoriumvereisten en de kenmerken waarmee rekening moet worden gehouden bij de selectie van extractoren.
Medicinale waarde
Een logische plaats om een gesprek over kooldioxide-extractie (of welk type extractie dan ook) te beginnen, is een snel overzicht van de medicinaal waardevolle stoffen die uit de cannabisplant kunnen worden geëxtraheerd.
Twee klassen van cannabissubstanties krijgen de meeste aandacht in deze groeiende industrie: cannabinoïden en terpenen.
Er zijn minstens 113 cannabinoïden geïsoleerd, en deze moleculen variëren in gewicht van 250 tot 350amu (atomaire massa eenheden). Hun fysische vorm kan vloeibaar of vast zijn (afhankelijk van de identiteit), zij bevatten een verscheidenheid aan functionele groepen en zijn niet vluchtig.
Terpenen zijn een grote en diverse groep verbindingen die door planten en sommige dieren worden geproduceerd. Deze groep moleculen wordt ingedeeld naar het aantal basis-isopreeneenheden. (Isopreen is een veel voorkomende organische verbinding die door planten wordt geproduceerd.) Bovendien zijn terpenen en de mengsels daarvan verantwoordelijk voor de aangename of onaangename aroma’s die planten afgeven. Terpenen variëren sterk in massa op basis van het aantal koolstofatomen (of isopreeneenheden), kunnen een verscheidenheid aan functionele groepen bevatten en zijn fysisch vloeibaar of olieachtig.
Flavonoïden en carotenoïden zijn ook aanwezig in cannabis. Hoewel ze niet vaak worden erkend als waardevol in de cannabisindustrie, zijn het bekende bio-botanische verbindingen in de voedings- en medische industrie. Flavonoïden zijn polyfenolische verbindingen die plantenextracten hun gouden en bruine kleur geven. Er zijn meer dan 5.000 flavonoïden bekend, die variëren in molecuulgewicht en aantal functionele groepen. Ze zijn meestal vast in hun pure vorm.
Carotenoïden zijn een groep van farmaceutisch belangrijke moleculen met meer dan 600 bekende bestanddelen. Zij hebben meestal een zeer hoog molecuulgewicht, bevatten een verscheidenheid aan functionele groepen en zijn oranje tot rood van kleur.
Ten slotte kunnen talrijke vetzuren en chlorofylen uit plantaardig materiaal worden geëxtraheerd. Hoewel deze in de cannabisindustrie over het algemeen niet als medicinaal waardevol worden beschouwd, is er enig bewijs voor bioactiviteit in de nutraceutische industrie. Vetzuren zijn gewoonlijk 16 tot 20 koolwaterstoffen lang, maar kunnen veel groter zijn; ze hebben de neiging te stollen bij kamertemperatuur, en de verzadigingsgraad (d.w.z. het aantal waterstof-koolstofverbindingen) kan variëren.
Chlorofylen zijn de grote moleculen die verantwoordelijk zijn voor het vermogen van een plant om suikers te produceren uit zonlicht en water. Chlorofylen liggen tussen 800 en 900amu en geven plantenextracten hun groene tot zwarte kleur. (De zwarte kleur ontstaat wanneer chlorofyl wordt geoxideerd.)
_fmt.png)
Het CO2-proces
Nu we het merendeel van de extraheerbare oplosmiddelen in cannabis hebben behandeld, gaan we eens kijken hoe kooldioxide als oplosmiddel functioneert.
Voordat we er induiken, kan een kort overzicht van enkele relevante fysische eigenschappen van kooldioxide nuttig zijn. Kooldioxide is een gas bij standaardtemperatuur en -druk. Het vormt een vloeistof bij drukken boven 5 bar (d.w.z. 73 psi), en het kritieke punt (de grens tussen damp en vloeistof) ligt bij 73 bar (1060 psi) bij 33,1 graden Celsius.
Hier worden de oplosbaarheideigenschappen van kooldioxide in superkritische toestand beschreven, omdat de gasvormige toestand niet als oplosmiddel kan fungeren, en de vloeibare toestand geen efficiënt oplosmiddel is bij cannabinoïderextractie.
Dus, welke eigenschappen van superkritisch kooldioxide (SCCO2) maken het tot een efficiënt oplosmiddel bij de extractie van cannabis? Superkritisch kooldioxide – en alle superkritische vloeistoffen – hebben de dichtheid van een vloeistof, de diffusie van een gas en een lage viscositeit (dikte). Eenvoudiger gezegd betekent dit dat SCCO2: een groot oplossend vermogen heeft (d.w.z. het kan veel materiaal bevatten), het vermogen om door te dringen tot in de kleinste ruimten (zoals een gas) en zeer weinig stromingsweerstand. Bovendien kunnen de polariteit en de dichtheid worden gemanipuleerd. Polaire manipulatie kan worden bereikt door de toevoeging van co-oplosmiddelen, zoals ethanol. Manipulatie van de dichtheid is de ware kracht van superkritisch kooldioxide als oplosmiddel. Terwijl andere oplosmiddelen, zoals koolwaterstoffen en ethanol, efficiënter zijn in het strippen van plantmateriaal van hun cannabinoïden en terpenen, heeft SCCO2 de unieke mogelijkheid om zich te richten op specifieke fracties in het uitgangsmateriaal (plantmateriaal) of op afzonderlijke oplosmiddelen. Deze processen zijn mogelijk omdat de dichtheid van SCCO2 afhankelijk is van druk- en temperatuurparameters.
De interacties tussen oplosmiddel en kooldioxide zijn oplosmiddelspecifiek. Elk oplosmiddel in een mengsel (d.w.z. het plantaardige uitgangsmateriaal) heeft een uniek oplosbaarheidsprofiel dat gerelateerd is aan de dichtheid van het SCCO2; er bestaat een dichtheid waarbij specifieke oplosmiddelen zeer goed oplosbaar worden in SCCO2. Dit wordt het cross-overfenomeen genoemd. Het wordt gekenmerkt door een exponentiële toename van de oplosbaarheid van een solide in SCCO2. Omdat het crossover-punt oplosmiddel-specifiek is-als de kritische dichtheid bekend is voor doeloplosmiddelen, kunnen ze individueel worden verwijderd door gebruik te maken van temperatuur- en drukgradiënten.
We kunnen dit crossover-fenomeen ook vanuit een ander perspectief bekijken: Stel je voor dat je temperatuur- en drukinstellingen gebruikt die resulteren in de extractie van alle opgeloste stoffen uit je voedermiddel, en vervolgens de dichtheid stroomafwaarts van de extractielocatie verlaagt. Dit proces wordt retrograde oplosbaarheid genoemd en kan worden benut om de componenten van het SCCO2/solutemengsel te scheiden.
In essentie begint dit proces met SCCO2 met een zeer hoge dichtheid, gevolgd door opeenvolgende drukverlagingen die resulteren in consistente verlagingen van de SCCO2-dichtheid gedurende dat proces. Terwijl dit proces zich voltrekt, zijn bepaalde opgeloste stoffen niet langer oplosbaar en worden zij verzameld op specifieke locaties (d.w.z. scheidingsvaten).
Dit vermogen om oplosmiddelen uit een mengsel te halen of te scheiden is de meest waardevolle eigenschap van SCCO2-extractie. Andere gunstige kenmerken van kooldioxide-extractie zijn het feit dat het over het algemeen als veilig wordt beschouwd (d.w.z. hoge blootstellingsgrenzen), dat het relatief goedkoop is, en dat het in hoge zuiverheid verkrijgbaar is bij talrijke bronnen.
CO2-systeemoverwegingen
Dus, wat zijn de belangrijke kenmerken van een superkritisch kooldioxide-extractiesysteem? Zoals eerder vermeld, is de dichtheid, die wordt bepaald door druk en warmte, een van de fysische eigenschappen van SCCO2 die bepalend is voor de extractie-efficiëntie en de scheiding. Daarom zijn drie variabelen van het grootste belang:
- maximale druk
- de mogelijkheid om de temperatuur van het kooldioxide te meten (niet het oppervlak van de vaten) en
- hoge wattage verwarmers.
Deze eigenschappen zijn belangrijk omdat het noodzakelijk is om hoge drukken te verkrijgen, de warmte op een efficiënte manier af te geven en een real-time kennis van de kooldioxidetemperaturen te hebben om de dichtheid op de juiste manier af te stemmen.
Een extractor moet ook een pomp/flow-monitoringsysteem hebben dat de massa kooldioxide evalueert die aan het extractievat wordt geleverd. Bovendien moet die pomp een hoog debiet aan het moedermateriaal in het extractievat kunnen leveren. Een belangrijke berekende variabele voor het optimaliseren van een superkritische kooldioxide-extractor is namelijk de verhouding tussen de massa kooldioxide die tijdens de extractie wordt gebruikt en de massa van het moedermateriaal – een verhouding van 50 of meer is gewoonlijk nodig om een extractieresultaat van 90 tot 95% te bereiken.
Ten slotte zijn scheidingsvaten met een hoge maximale druk uiterst belangrijk, omdat zij de technicus de mogelijkheid bieden bij de ontwikkeling van scheidingsprotocollen (d.w.z. productontwikkelingsprotocollen) een verscheidenheid aan drukken te gebruiken.
Een tekortkoming van SCCO2-extractie is dat veel wassen en vetzuren ook oplosbaar zijn in superkritisch kooldioxide. Vanuit het oogpunt van de productie is dit een belangrijk punt, omdat deze stoffen tijdens het raffinageproces vóór de productontwikkeling moeten worden verwijderd. Dit wordt bereikt door middel van een proces dat “winterization” wordt genoemd, waarbij wordt geprofiteerd van de verschillende oplosbaarheid van wassen en cannabinoïden in een oplosmiddel bij lage temperaturen (d.w.z. -30 graden Celsius of lager).
Het winterisatieproces is vaak het traagste deel van het raffinageproces als de infrastructuur niet is afgestemd op de productiesnelheid van de extractor. Het standaardprotocol maakt gebruik van een trechter en filterpapier in combinatie met een vacuüm. Afhankelijk van het volume kan dit proces vier tot acht uur in beslag nemen. Bovendien moet het meerdere malen worden herhaald om rekening te houden met het oplossen van de wassen in ethanol tijdens het langdurige filterproces. De redundantie en de duur van dit proces kunnen echter worden omzeild door het gebruik van lagedruk-patroonfiltertechnieken waarmee grote volumes overwinterd materiaal snel kunnen worden verwerkt, terwijl de temperatuur onder controle blijft.
De volgende overweging is de terugwinning van oplosmiddelen na het winterklaar maken. Het is van belang dat de grootte van de eenheden voor de terugwinning van oplosmiddelen is afgestemd op de productiesnelheid van het overwinteren/filteren. Meestal worden roterende verdampingssystemen gebruikt voor het terugwinnen van het overwinteringsoplosmiddel. Het is ook van belang dat de schaal van dit systeem wordt afgestemd op de productie- en extractiesnelheden van de voorbehandelingsstap.
Om deze opmerkingen in perspectief te plaatsen, volgt hier een voorbeeld van een productiesysteem, gevolgd door een identificatie van het knelpunt.
Eerst moeten de veronderstellingen worden uiteengezet:
- extractorinput van 2.000 gram
- return ratio 0,18
- twee extracties per dag
- vijf dagen per week draaitijd.
Met deze veronderstellingen is de output per run 360 gram per dag en 3.600 gram per week. Het totale volume van het te filtreren materiaal zou dus 36 liter bedragen bij een verhouding van 10:1 tussen winteroplosmiddel en extract.
Dit materiaal kan in 34 minuten worden gefilterd met een overdrukfiltratiesysteem dat een waterstroom van 125 liter per uur aankan en een even groot volume oplosmiddel om de wassen te wassen. Het uiteindelijke volume voor de terugwinning van oplosmiddel is 72 liter, dat in viereneenhalf uur kan worden teruggewonnen met een roterende verdamper die 16 liter per uur kan verwerken. Deze getallen suggereren dat uw nabewerkingsapparatuur in staat is om in ongeveer vijf uur een week extract te raffineren. Uw extractieparameters of de extractor zijn dus de bottleneck in het beschreven productiesysteem.
Hoewel deze analyse het proces in sommige opzichten oversimplificeert, illustreert zij wel het belang van het plannen van uw totale productiesysteem om te voldoen aan de output in elke fase, omdat kapitaal wellicht beter kan worden aangewend om een systeem met een hogere totale output te verkrijgen. Onevenwichtige systemen kunnen ertoe leiden dat productie-apparatuur voor periodes van tijd ongebruikt blijft, wat geen optimaal gebruik van kapitaal, arbeid of apparatuur is.
Mark June-Wells, Ph.D. is hoofdeigenaar van Sativum Consulting Group en doctor in de plantkunde/plantecologie (Rutgers University).