Ekstrakty z konopi są ważną częścią szybko rozwijającego się przemysłu marihuany, zwłaszcza na rynkach medycznych. Olejek eteryczny z konopi, który jest koncentratem wszystkich aktywnych składników farmaceutycznych w roślinie marihuany, jest dynamiczną substancją, która może być przekształcona w wiele form do konsumpcji przez użytkownika. Na początek, ekstrakty można przekształcić (przy odrobinie podstawowej wiedzy chemicznej) w produkty takie jak nalewki, plastry transdermalne, tabletki musujące, proszki do picia, czopki i tabletki doustne, nie wspominając o standardowych olejkach do waporyzacji i dabbingu.
Do ekstrakcji składników aktywnych z konopi dostępnych jest wiele różnych rozpuszczalników – każdy z nich ma swoje mocne i słabe strony, wymagania dotyczące infrastruktury laboratoryjnej i aspekty związane ze skalowaniem produkcji.
Ta kolumna omawia ekstrakcję dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym (SCCO2), w tym jej funkcjonalność, wymagania laboratoryjne i cechy, które należy wziąć pod uwagę podczas wyboru ekstraktora.
Wartość lecznicza
Logicznym miejscem do rozpoczęcia rozmowy o ekstrakcji dwutlenkiem węgla (lub jakimkolwiek innym rodzaju ekstrakcji) jest szybki przegląd rozpuszczalników o wartości leczniczej, które można ekstrahować z roślin konopi.
Dwie klasy substancji pochodzących z konopi indyjskich cieszą się największym zainteresowaniem w tej rozwijającej się branży: kannabinoidy i terpeny.
Wyizolowano co najmniej 113 kannabinoidów, których masa wynosi od 250 do 350 amu (atomowych jednostek masy). Ich forma fizyczna może być płynna lub stała (w zależności od tożsamości), zawierają różne grupy funkcyjne i są nielotne.
Terpeny to duża i różnorodna grupa związków produkowanych przez rośliny i niektóre zwierzęta. Ta grupa cząsteczek jest klasyfikowana na podstawie liczby bazowych jednostek izoprenowych. (Izopreny są powszechnymi związkami organicznymi produkowanymi przez rośliny.) Ponadto, terpeny i związane z nimi mieszaniny są odpowiedzialne za przyjemne lub nieprzyjemne zapachy wydzielane przez rośliny. Terpeny różnią się masą w zależności od liczby atomów węgla (lub jednostek izoprenowych), mogą zawierać różne grupy funkcyjne i są fizycznie cieczą lub olejem.
Flawonoidy i karotenoidy są również obecne w konopiach. Chociaż nie są one często uznawane za wartościowe w przemyśle konopnym, są dobrze znanymi związkami biotanicznymi w przemyśle żywieniowym i medycznym. Flawonoidy to związki polifenolowe, które nadają ekstraktom roślinnym złoty i brązowy kolor. Istnieje ponad 5000 znanych flawonoidów, które różnią się masą cząsteczkową i liczbą grup funkcyjnych. Są one zazwyczaj stałe w czystej postaci.
Karotenoidy to grupa ważnych farmaceutycznie cząsteczek z ponad 600 znanymi składnikami. Mają one tendencję do bardzo dużej masy cząsteczkowej, zawierają różne grupy funkcyjne i mają kolor od pomarańczowego do czerwonego.
Wreszcie, liczne kwasy tłuszczowe i chlorofile mogą być ekstrahowane z materiału roślinnego. Chociaż nie są one powszechnie uważane za wartościowe z medycznego punktu widzenia w przemyśle konopnym, istnieją pewne dowody na ich bioaktywność w przemyśle nutraceutycznym. Kwasy tłuszczowe mają zwykle długość od 16 do 20 węgli, ale mogą być znacznie większe; mają tendencję do krzepnięcia w temperaturze pokojowej, a poziom nasycenia (tj. liczba wiązań wodór-węgiel) może się różnić.
Chlorofile są dużymi cząsteczkami odpowiedzialnymi za zdolność roślin do wytwarzania cukrów ze światła słonecznego i wody. Chlorofile mają zakres od 800 do 900 amu i nadają ekstraktom roślinnym zabarwienie od zielonego do czarnego. (Czarne zabarwienie występuje, gdy chlorofil jest utleniony.)
_fmt.png)
Proces CO2
Teraz, gdy omówiliśmy większość możliwych do wyekstrahowania rozpuszczalników w konopiach, zbadajmy, jak dwutlenek węgla działa jako rozpuszczalnik.
Przed przystąpieniem do pracy, szybki przegląd niektórych istotnych właściwości fizycznych dwutlenku węgla może być pomocny. Dwutlenek węgla jest gazem w standardowych temperaturach i ciśnieniu. Tworzy ciecz przy ciśnieniu powyżej 5bar (tj. 73psi), a jego punkt krytyczny (granica para-ciecz) wynosi 73bar (1060psi) w temperaturze 33,1 stopni Celsjusza.
W tym miejscu opiszemy właściwości rozpuszczające dwutlenku węgla w stanie nadkrytycznym – ponieważ stan gazowy nie może działać jako rozpuszczalnik, a stan ciekły nie jest wydajnym rozpuszczalnikiem w ekstrakcji kannabinoidów.
Więc, jakie cechy nadkrytycznego dwutlenku węgla (SCCO2) sprawiają, że jest on skutecznym rozpuszczalnikiem w ekstrakcji konopi? Nadkrytyczny dwutlenek węgla – i wszystkie ciecze w stanie nadkrytycznym – ma gęstość cieczy, dyfuzyjność gazu i niską lepkość (grubość). Mówiąc prościej, oznacza to, że SCCO2 ma: wysoką nośność (tj. może pomieścić dużą ilość materiału), zdolność przenikania do najmniejszych przestrzeni (jak gaz) i bardzo małe opory przepływu. Dodatkowo, jego polarność i gęstość mogą być manipulowane. Polaryzacja może być osiągnięta poprzez dodanie współrozpuszczalników, takich jak etanol. Manipulacja gęstością to prawdziwa moc dwutlenku węgla w stanie nadkrytycznym jako rozpuszczalnika. Podczas gdy inne rozpuszczalniki, takie jak węglowodory i etanol, są bardziej skuteczne w usuwaniu z materiału roślinnego kannabinoidów i terpenów, SCCO2 ma unikalną zdolność do ukierunkowania się na konkretne frakcje w materiale macierzystym (roślinnym) lub oddzielenia rozpuszczalników. Procesy te są możliwe, ponieważ gęstość SCCO2 jest zależna od parametrów ciśnienia i temperatury.
Interakcje rozpuszczalnik-dwutlenek węgla są specyficzne dla danego rozpuszczalnika. Każdy rozpuszczalnik w mieszaninie (np. macierzysty materiał roślinny) ma unikalny profil rozpuszczalności, który jest związany z gęstością SCCO2; istnieje gęstość, w której określone rozpuszczalniki stają się wysoce rozpuszczalne w SCCO2. Zjawisko to nazywane jest zjawiskiem krzyżowania. Charakteryzuje się ono wykładniczym wzrostem rozpuszczalności danego solutu w SCCO2. Ponieważ punkt zwrotny jest specyficzny dla danego rozpuszczalnika – jeśli znana jest gęstość krytyczna dla docelowych rozpuszczalników, mogą one być indywidualnie usuwane przy użyciu gradientów temperatury i ciśnienia.
Możemy również spojrzeć na to zjawisko z innej perspektywy: Wyobraźmy sobie, że stosujemy ustawienia temperatury i ciśnienia, które powodują ekstrakcję wszystkich rozpuszczalników z materiału wsadowego, a następnie zmniejszamy gęstość w dół od miejsca ekstrakcji. Proces ten nazywany jest rozpuszczalnością wsteczną i może być wykorzystany do rozdzielenia składników mieszaniny SCCO2/roztwór.
Podsumowując, proces ten rozpoczyna się od SCCO2 o bardzo wysokiej gęstości, po czym następuje sekwencyjne obniżanie ciśnienia, które skutkuje stałym zmniejszaniem gęstości SCCO2 w trakcie tego procesu. W trakcie tego procesu pewne rozpuszczalniki nie są już rozpuszczalne i są gromadzone w określonych miejscach (np. w zbiornikach separacyjnych).
Ta zdolność do ukierunkowania lub oddzielenia rozpuszczalników z mieszaniny jest najcenniejszą cechą ekstrakcji SCCO2. Inne korzystne cechy ekstrakcji dwutlenkiem węgla obejmują fakt, że jest on ogólnie uważany za bezpieczny (tj. wysokie limity ekspozycji), jest stosunkowo tani i dostępny w wysokiej czystości z wielu źródeł.
Uwagi dotyczące systemu dwutlenku węgla
Jakie są zatem ważne cechy systemu ekstrakcji dwutlenkiem węgla w stanie nadkrytycznym? Jak wcześniej wspomniano, gęstość, która jest określana przez ciśnienie i ciepło, jest jedną z właściwości fizycznych SCCO2, która dyktuje wydajność ekstrakcji i separacji. Dlatego też trzy zmienne mają największe znaczenie:
- maksymalne ciśnienie znamionowe
- możliwość pomiaru temperatury dwutlenku węgla (nie powierzchni naczyń) oraz
- grzałki o dużej mocy.
Cechy te są ważne, ponieważ konieczne jest uzyskanie wysokiego ciśnienia, dostarczenie ciepła w sposób efektywny i posiadanie wiedzy w czasie rzeczywistym o temperaturze dwutlenku węgla, aby odpowiednio dostosować gęstość.
Eksporter powinien być również wyposażony w system monitorowania pompy/przepływu, który ocenia masę dwutlenku węgla dostarczanego do zbiornika ekstrakcyjnego. Dodatkowo, pompa powinna mieć możliwość dostarczania dużych prędkości przepływu do materiału macierzystego w zbiorniku ekstrakcyjnym. Wynika to z faktu, że ważną zmienną obliczeniową dla optymalizacji ekstraktora na nadkrytyczny dwutlenek węgla jest stosunek masy dwutlenku węgla zużywanego podczas ekstrakcji do masy materiału macierzystego – aby osiągnąć 90-95-procentową kompletność ekstrakcji, zwykle konieczny jest stosunek 50 lub większy.
Na koniec, zbiorniki do separacji z wysokimi wartościami ciśnienia maksymalnego są niezwykle ważne, ponieważ dają technikowi możliwość stosowania różnych ciśnień podczas opracowywania protokołów separacji (tj. opracowywania produktu).
Wadą ekstrakcji SCCO2 jest to, że liczne woski i kwasy tłuszczowe są również rozpuszczalne w nadkrytycznym dwutlenku węgla. Z punktu widzenia produkcji jest to ważny punkt, ponieważ materiały te muszą być usunięte w procesie rafinacji przed opracowaniem produktu. Osiąga się to dzięki procesowi zwanemu zimowaniem, który wykorzystuje różną rozpuszczalność wosków i kannabinoidów w rozpuszczalniku w niskich temperaturach (tj. -30 stopni Celsjusza lub niżej).
Proces zimowania często stanowi najwolniejszą część procesu rafinacji, jeśli infrastruktura nie odpowiada szybkości produkcji ekstraktora. Standardowy protokół wykorzystuje lejek i bibułę filtracyjną w połączeniu z próżnią. W zależności od objętości proces ten może trwać od czterech do ośmiu godzin. Ponadto musi być powtarzany wielokrotnie, aby uwzględnić rozpuszczanie się wosków z powrotem w etanolu podczas przedłużającego się procesu filtrowania. Jednak nadmiarowość i długość tego procesu można obejść stosując niskociśnieniowe techniki filtracji kasetowej, które pozwalają na szybkie przetwarzanie dużych ilości zimowanego materiału przy jednoczesnej kontroli temperatury.
Kolejnym zagadnieniem jest odzysk rozpuszczalnika, który następuje po procesie zimowania. Ważne jest, aby wielkość urządzeń do odzyskiwania rozpuszczalników była dostosowana do szybkości produkcji zimowania/filtrowania. Najczęściej do odzyskiwania rozpuszczalnika z zimowania stosuje się systemy odparowywania obrotowego. Ważne jest również skalowanie tego systemu tak, aby odpowiadał on wielkości produkcji i szybkości ekstrakcji na etapie odzyskiwania rozpuszczalnika przed zimowaniem.
Aby przedstawić te uwagi w odpowiedniej perspektywie, poniżej znajduje się przykład systemu produkcyjnego, po którym następuje identyfikacja wąskiego gardła.
Po pierwsze, konieczne jest określenie założeń:
- wkład ekstraktora 2000 gramów
- stosunek zwrotu 0,18
- dwie ekstrakcje dziennie
- czas pracy pięć dni w tygodniu.
Przy tych założeniach produkcja na cykl wynosi 360 gramów dziennie i 3600 gramów tygodniowo. Dlatego całkowita objętość materiału do przefiltrowania wynosi 36 litrów przy stosunku 10:1 rozpuszczalnika zimującego do ekstraktu.
Materiał ten można przefiltrować w ciągu 34 minut za pomocą nadciśnieniowego systemu filtracyjnego o wydajności 125 litrów wody na godzinę i takiej samej objętości rozpuszczalnika do przemywania wosków. Ostateczna objętość do odzyskania rozpuszczalnika wynosi 72 litry, które można odzyskać w ciągu czterech i pół godziny za pomocą wyparki obrotowej zdolnej do przetwarzania 16 litrów na godzinę. Oceniając te liczby można stwierdzić, że posiadany sprzęt do przetwarzania końcowego jest w stanie rafinować ekstrakt o wartości tygodniowej w czasie około pięciu godzin. Zatem parametry ekstrakcji lub ekstraktor są wąskim gardłem w opisanym systemie produkcyjnym.
Pomimo, że ta analiza w pewnym sensie nadmiernie upraszcza proces, stanowi ona przykład tego, jak ważne jest planowanie całego systemu produkcyjnego, aby sprostać produkcji na każdym etapie, ponieważ kapitał może być lepiej wykorzystany do uzyskania systemu o wyższej całkowitej wydajności. Niezrównoważone systemy mogą spowodować, że sprzęt produkcyjny będzie stał bezczynnie przez pewien czas, co nie jest optymalnym wykorzystaniem kapitału, pracy lub sprzętu.
Mark June-Wells, Ph.D., jest głównym właścicielem Sativum Consulting Group i doktorem botaniki/ekologii roślin (Rutgers University).