Extratos de canábis são uma parte importante da indústria de maconha em rápido crescimento, especialmente nos mercados médicos. O óleo essencial de cannabis, que é um concentrado de todos os ingredientes farmacêuticos ativos da planta da maconha, é uma substância dinâmica que pode ser transformada em inúmeras formas para o consumo do usuário. Como ponto de partida, os extratos podem ser convertidos (com um pouco de conhecimento básico de química) em produtos como tinturas, adesivos transdérmicos, pastilhas efervescentes, pós para bebidas, supositórios e pastilhas orais, para não mencionar os óleos padrão de vaporização e dabbing.
Uma variedade de solventes adequados está disponível para extrair os ingredientes ativos da canábis – cada um deles tem pontos fortes, fracos, requisitos de infra-estrutura de laboratório e considerações de escala de produção.
Esta coluna explora a extracção supercrítica de dióxido de carbono (SCCO2), incluindo a sua funcionalidade, requisitos laboratoriais e quais as características que devem ser consideradas durante a selecção dos extractores.
Valor medicinal
Um lugar lógico para iniciar uma conversa sobre a extração de dióxido de carbono (ou qualquer tipo de extração, já agora) é uma rápida visão geral dos solutos medicamente valiosos a serem extraídos da planta de canábis.
Duas classes de substâncias de canábis recebem mais atenção nesta indústria em crescimento: canabinóides e terpenos.
Pelo menos 113 canabinóides foram isolados, e estas moléculas variam em peso de 250 a 350amu (unidades de massa atômica). Sua forma física pode ser líquida ou sólida (dependendo da identidade), contém uma variedade de grupos funcionais e não são voláteis.
Terpenos são um grupo grande e diversificado de compostos produzidos por plantas e alguns animais. Este grupo de moléculas é classificado pelo número de unidades de isopreno base. (Isoprenes são compostos orgânicos comuns produzidos pelas plantas.) Além disso, os terpenos e suas misturas associadas são responsáveis pelos prazeres – ou desagradáveis – aromas emitidos pelas plantas. Os terpenos variam muito em massa com base no número de átomos de carbono (ou unidades de isopreno), podem incluir uma variedade de grupos funcionais e são fisicamente líquidos ou oleosos.
Flavonóides e carotenóides também estão presentes na cannabis. Embora não sejam frequentemente reconhecidos como valiosos na indústria da canábis, são compostos bio-botânicos bem conhecidos nas indústrias nutricional e médica. Os flavonóides são compostos polifenólicos que dão aos extractos de plantas as suas cores douradas e castanhas. Existem mais de 5.000 flavonóides conhecidos que variam em peso molecular e número de grupos funcionais. Eles são geralmente sólidos em sua forma pura.
Carotenóides são um grupo de moléculas farmaceuticamente importantes com mais de 600 constituintes conhecidos. Eles tendem a ser de muito alto peso molecular, contêm uma variedade de grupos funcionais e são de cor alaranjada a vermelha.
Finalmente, numerosos ácidos gordos e clorofilas podem ser extraídos de material vegetal. Embora geralmente não sejam considerados como medicinalmente valiosos na indústria da cannabis, existem algumas evidências de bioactividade na indústria nutracêutica. Os ácidos gordos têm geralmente 16 a 20 carbonos, mas podem ser muito maiores; tendem a solidificar à temperatura ambiente, e o nível de saturação (ou seja, o número de ligações hidrogénio-carbono) pode variar.
Clorofilas são as moléculas grandes responsáveis pela capacidade de uma planta de produzir açúcares a partir da luz solar e da água. As clorofilas variam entre 800 e 900amu e dão aos extratos vegetais sua coloração de verde a preto. (A coloração negra ocorre quando a clorofila é oxidada.)
_fmt.png)
O Processo CO2
Agora que cobrimos a maioria dos solutos extraíveis em cannabis, vamos explorar como o dióxido de carbono funciona como um solvente.
Antes de mergulharmos, uma rápida revisão de algumas propriedades físicas relevantes do dióxido de carbono pode ser útil. O dióxido de carbono é um gás a temperaturas e pressões normais. Ele forma um líquido a pressões acima de 5bar (ou seja, 73psi), e seu ponto crítico (o limite vapor-líquido) é 73bar (1060psi) a 33,1 graus Celsius.
Aqui, vamos descrever as propriedades do dióxido de carbono como solvente no seu estado supercrítico – porque o estado gasoso não pode agir como solvente, e o estado líquido não é um solvente eficiente na extração de canabinóides.
Então, quais características do dióxido de carbono supercrítico (SCCO2) o tornam um solvente eficaz na extração de canábis? O dióxido de carbono supercrítico – e todos os fluidos supercríticos – têm a densidade de um líquido, a difusividade de um gás e uma baixa viscosidade (espessura). Em termos mais simples, isto significa que o SCCO2 tem: uma capacidade de transporte elevada (ou seja, pode conter muito material), a capacidade de penetrar nos espaços mais pequenos (como um gás) e muito pouca resistência ao fluxo. Além disso, a sua polaridade e densidade podem ser manipuladas. A manipulação polar pode ser obtida com a adição de co-solventes, como o etanol. A manipulação da densidade é o verdadeiro poder do dióxido de carbono supercrítico como solvente. Enquanto outros solventes como os hidrocarbonetos e o etanol são mais eficientes na remoção de material vegetal dos seus canabinóides e terpenos, SCCO2 tem a capacidade única de visar frações específicas no material de origem (planta) ou solutos separados. Esses processos são possíveis porque a densidade SCCO2 depende dos parâmetros de pressão e temperatura.
As interações soluto-dióxido de carbono são específicas do soluto. Cada soluto em uma mistura (ou seja, o material da planta mãe) tem um perfil de solubilidade único que está relacionado com a densidade do SCCO2; existe uma densidade onde solutos específicos se tornam altamente solúveis em SCCO2. Isto é chamado fenômeno de crossover. É caracterizado por um aumento exponencial da solubilidade de um soluto em SCCO2. Como o ponto de cruzamento é específico do soluto – se a densidade crítica é conhecida para os solutos alvo, eles podem ser removidos individualmente usando gradientes de temperatura e pressão.
Podemos também ver este fenómeno de crossover a partir de uma perspectiva diferente: Imagine usar configurações de temperatura e pressão que resultam na extração de todos os solutos do seu material de alimentação, reduzindo depois a densidade a jusante do local de extração. Este processo é chamado de solubilidade retrógrada e pode ser aproveitado para separar os componentes da mistura SCCO2/soluto.
Essencialmente, este processo começa com SCCO2 a uma densidade muito alta, seguido por despressurizações sequenciais que resultam em reduções consistentes na densidade de SCCO2 ao longo desse processo. Como esse processo está ocorrendo, certos solutos não são mais solúveis e são coletados em locais específicos (ou seja, vasos de separação).
Que a capacidade de visar ou separar os solutos de uma mistura é a característica mais valiosa da extração de SCCO2. Outras características benéficas da extração de dióxido de carbono incluem o fato de ser geralmente considerada segura (ou seja, altos limites de exposição), é relativamente barata, e está disponível em alta pureza a partir de numerosas fontes.
CO2 Considerações sobre o sistema
Então, quais são as características importantes de um sistema supercrítico de extração de dióxido de carbono? Como mencionado anteriormente, a densidade, que é determinada pela pressão e calor, é uma propriedade física da SCCO2 que dita a eficiência de extração e separação. Portanto, três variáveis são da maior importância:
- pressão máxima
- a capacidade de medir a temperatura do dióxido de carbono (não a superfície dos vasos) e
- aquecedores de alta potência.
Estas características são importantes porque é necessário obter altas pressões, fornecer o calor de forma eficiente e ter um conhecimento em tempo real das temperaturas do dióxido de carbono para adequar a densidade adequadamente.
Um extrator também deve ter um sistema de monitoramento de bomba/fluxo que avalie a massa de dióxido de carbono a ser entregue ao vaso de extração. Além disso, essa bomba deve ter a capacidade de fornecer altas taxas de fluxo para o material de origem no vaso de extração. Isto porque uma variável importante calculada para otimizar um extrator de dióxido de carbono supercrítico é a razão entre a massa de dióxido de carbono usada durante a extração e a massa do material de origem – uma razão de 50 ou mais é normalmente necessária para atingir 90 por cento a 95 por cento de completude de extração.
Finalmente, vasos de separação com altas classificações de pressão máxima são extremamente importantes porque dão ao técnico a capacidade de usar uma variedade de pressões no desenvolvimento de protocolos de separação (ou seja, desenvolvimento de produto).
Uma falha da extração de SCCO2 é que numerosas ceras e ácidos graxos também são solúveis em dióxido de carbono supercrítico. Do ponto de vista da fabricação, este é um ponto importante porque esses materiais precisam ser removidos durante o processo de refinamento antes do desenvolvimento do produto. Isto é conseguido através de um processo chamado winterization, que aproveita a diferente solubilidade das ceras e canabinóides em um solvente a baixas temperaturas (ou seja, -30 graus Celsius ou menos).
O processo de invernada frequentemente representa a parte mais lenta do processo de refinamento se a infra-estrutura não corresponder à taxa de produção dos extratores. O protocolo padrão utiliza um funil e papel filtro em conjunto com um vácuo. Dependendo do volume, este processo pode levar de quatro a oito horas. Além disso, deve ser repetido várias vezes para contabilizar a dissolução das ceras de volta ao etanol durante o prolongado processo de filtração. No entanto, a redundância e a duração deste processo pode ser contornada através do uso de técnicas de filtragem por cartucho de baixa pressão que podem processar grandes volumes de material invernado de forma expedita, enquanto se controla a temperatura.
A próxima consideração é a recuperação do solvente que segue o processo de winterização. É importante dimensionar suas unidades de recuperação de solvente de acordo com suas taxas de produção de winterizing/filtragem. Mais comumente, sistemas de evaporação rotativos são usados para recuperar seu solvente de invernada. Também é importante dimensionar este sistema para atender às suas taxas de produção e extração das etapas de recuperação pré-solvente.
Para colocar estas notas em perspectiva, aqui está um exemplo de um sistema de produção seguido por uma identificação do gargalo de engarrafamento.
Primeiro, é necessário estabelecer as suposições:
- entrada do extrator de 2.000 gramas
- relação de retorno 0,18
- duas extrações por dia
- cincove dias por semana de execução.
Com essas suposições, a saída por execução é de 360 gramas por dia e 3.600 gramas por semana. Portanto, o volume total de material a ser filtrado seria de 36 litros com uma proporção de 10:1 de solvente de inverno para extração.
Esse material pode ser filtrado em 34 minutos com um sistema de filtração por pressão positiva capaz de um fluxo aquoso de 125 litros por hora e um volume igual de solvente para lavar as ceras. O volume final para a recuperação do solvente é de 72 litros, que podem ser recuperados em quatro horas e meia com um evaporador rotativo capaz de processar 16 litros por hora. A avaliação destes números sugere que seu equipamento de pós-processamento é capaz de refinar uma semana de extrato em aproximadamente cinco horas. Portanto, os seus parâmetros de extração ou o extrator são o gargalo no sistema de produção descrito.
Embora esta análise simplifique demais o processo de alguma forma, ela exemplifica a importância de planejar seu sistema de produção total para atender a produção em cada etapa, pois o capital pode ser melhor aproveitado para obter um sistema com uma produção total maior. Sistemas desequilibrados podem fazer com que o equipamento de produção fique ocioso por períodos de tempo, o que não é um uso ideal de capital, mão-de-obra ou equipamento.
Mark June-Wells, Ph.D. é o principal proprietário do Sativum Consulting Group e Ph.D. em botânica/ecologia de plantas (Rutgers University).