Extractele de canabis sunt o parte importantă a industriei marijuanei în creștere rapidă, în special pe piețele medicale. Uleiul esențial de canabis, care este un concentrat al tuturor ingredientelor farmaceutice active din planta de marijuana, este o substanță dinamică ce poate fi transformată în numeroase forme pentru consumul utilizatorului. Ca punct de plecare, extractele pot fi transformate (cu un pic de cunoștințe de chimie de bază) în produse precum tincturi, plasturi transdermici, tablete efervescente, pulberi pentru băuturi, supozitoare și tablete orale, ca să nu mai vorbim de uleiurile standard pentru vaporizare și dabbing.
Există o varietate de solvenți adecvați pentru extragerea ingredientelor active din canabis – fiecare dintre aceștia având puncte forte, puncte slabe, cerințe de infrastructură de laborator și considerente legate de scalarea producției.
Această rubrică explorează extracția cu dioxid de carbon supercritic (SCCO2), inclusiv funcționalitatea sa, cerințele de laborator și ce caracteristici ar trebui luate în considerare în timpul selecției extractorului.
Valoare medicinală
Un loc logic pentru a începe o conversație despre extracția cu dioxid de carbon (sau orice tip de extracție, de altfel) este o scurtă prezentare generală a soluanților valoroși din punct de vedere medicinal care urmează să fie extrași din planta de canabis.
Două clase de substanțe din canabis primesc cea mai mare atenție în această industrie în creștere: canabinoidele și terpenele.
Au fost izolate cel puțin 113 canabinoide, iar aceste molecule au o greutate cuprinsă între 250 și 350amu (unități de masă atomică). Forma lor fizică poate fi lichidă sau solidă (în funcție de identitate), conțin o varietate de grupe funcționale și sunt nevolatile.
Terpenele sunt un grup mare și divers de compuși produși de plante și de unele animale. Acest grup de molecule este clasificat în funcție de numărul de unități izoprenice de bază. (Izoprenele sunt compuși organici obișnuiți produși de plante.) În plus, terpenele și amestecurile lor asociate sunt responsabile de aromele plăcute – sau neplăcute – emise de plante. Terpenele variază foarte mult în masă în funcție de numărul de atomi de carbon (sau de unități izoprenice), pot include o varietate de grupuri funcționale și sunt fizic lichide sau petroliere.
Flavonoidele și carotenoidele sunt, de asemenea, prezente în canabis. Deși nu sunt frecvent recunoscute ca fiind valoroase în industria canabisului, acestea sunt compuși bio-botanici bine cunoscuți în industriile nutriționale și medicale. Flavonoidele sunt compuși polifenolici care conferă extractelor de plante culorile lor aurii și maro. Există mai mult de 5.000 de flavonoide cunoscute, care variază în ceea ce privește greutatea moleculară și numărul de grupe funcționale. Aceștia sunt de obicei solizi în forma lor pură.
Carotenoidele sunt un grup de molecule importante din punct de vedere farmaceutic, cu peste 600 de constituenți cunoscuți. Aceștia tind să aibă o greutate moleculară foarte mare, conțin o varietate de grupe funcționale și sunt de culoare portocalie până la roșie.
În cele din urmă, numeroși acizi grași și clorofile pot fi extrași din materialul vegetal. Deși, în general, aceștia nu sunt considerați valoroși din punct de vedere medical în industria canabisului, există unele dovezi de bioactivitate în industria nutraceutică. Acizii grași au în mod obișnuit o lungime de 16 până la 20 de atomi de carbon, dar pot fi mult mai mari; au tendința de a se solidifica la temperatura camerei, iar nivelul de saturație (adică numărul de legături hidrogen-carbon) poate varia.
Clorofilele sunt moleculele mari responsabile de capacitatea unei plante de a produce zaharuri din lumina soarelui și apă. Clorofilele variază între 800 și 900amu și conferă extractelor de plante colorația lor verde spre negru. (Culoarea neagră apare atunci când clorofila este oxidată.)
_fmt.png)
Procesul CO2
Acum că am acoperit majoritatea soluanților extractibili din canabis, haideți să explorăm modul în care dioxidul de carbon funcționează ca solvent.
Înainte de a ne scufunda, o scurtă trecere în revistă a unor proprietăți fizice relevante ale dioxidului de carbon poate fi utilă. Dioxidul de carbon este un gaz la temperaturi și presiuni standard. Formează un lichid la presiuni mai mari de 5bar (adică 73psi), iar punctul său critic (granița vapori-lichid) este de 73bar (1060psi) la 33,1 grade Celsius.
Aici vom descrie proprietățile de solvent ale dioxidului de carbon în starea sa supercritică – deoarece starea gazoasă nu poate acționa ca solvent, iar starea lichidă nu este un solvent eficient în extracția canabinoidelor.
Așadar, ce caracteristici ale dioxidului de carbon supercritic (SCCO2) îl fac un solvent eficient în extracția canabisului? Dioxidul de carbon supercritic – și toate fluidele supercritice – au densitatea unui lichid, difuzivitatea unui gaz și o vâscozitate (grosime) scăzută. În termeni mai simpli, acest lucru înseamnă că SCCO2 are: o capacitate mare de transport de substanțe solide (adică poate reține o cantitate mare de material), capacitatea de a pătrunde în cele mai mici spații (ca un gaz) și o rezistență foarte mică la curgere. În plus, polaritatea și densitatea sa pot fi manipulate. Manipularea polară poate fi realizată prin adăugarea de co-solvenți, cum ar fi etanolul. Manipularea densității reprezintă adevărata putere a dioxidului de carbon supercritic ca solvent. În timp ce alți solvenți, cum ar fi hidrocarburile și etanolul, sunt mai eficienți în ceea ce privește eliminarea canabinoizilor și terpenelor din materialul vegetal, SCCO2 are capacitatea unică de a viza fracțiuni specifice din materialul parental (plantă) sau de a separa soluturi. Aceste procese sunt posibile deoarece densitatea SCCO2 este dependentă de parametrii de presiune și temperatură.
Interacțiunile solut – dioxid de carbon sunt specifice solutului. Fiecare solut dintr-un amestec (adică materialul vegetal părinte) are un profil unic de solubilitate care este legat de densitatea SCCO2; există o densitate în care soluturi specifici devin foarte solubili în SCCO2. Acest lucru se numește fenomenul de crossover. Acesta este caracterizat de o creștere exponențială a solubilității unui solut în SCCO2. Deoarece punctul de încrucișare este specific fiecărui solut – dacă se cunoaște densitatea critică pentru soluții țintă, aceștia pot fi eliminați individual prin utilizarea gradienților de temperatură și presiune.
De asemenea, putem privi acest fenomen de crossover dintr-o altă perspectivă: Imaginați-vă că folosiți setări de temperatură și presiune care au ca rezultat extragerea tuturor soluților din materialul de alimentare, apoi reducerea densității în aval de locul de extracție. Acest proces se numește solubilitate retrogradă și poate fi exploatat pentru a separa componentele amestecului SCCO2/solut.
În esență, acest proces începe cu SCCO2 la o densitate foarte mare, urmat de depresurizări secvențiale care au ca rezultat reduceri consistente ale densității SCCO2 de-a lungul acestui proces. Pe măsură ce acest proces are loc, anumiți soluturi nu mai sunt solubili și sunt colectați în locații specifice (de exemplu, vase de separare).
Această capacitate de a ținti sau de a separa soluții dintr-un amestec este cea mai valoroasă caracteristică a extracției SCCO2. Alte caracteristici benefice ale extracțiilor de dioxid de carbon includ faptul că acesta este în general considerat sigur (de exemplu, limite de expunere ridicate), este relativ ieftin și este disponibil într-o puritate ridicată din numeroase surse.
Considerații privind sistemul CO2
Așadar, care sunt caracteristicile importante ale unui sistem de extracție cu dioxid de carbon supercritic? După cum s-a menționat anterior, densitatea, care este determinată de presiune și căldură, este una dintre proprietățile fizice ale SCCO2 care dictează eficiența extracției și separarea. Prin urmare, trei variabile sunt de cea mai mare importanță:
- presiunea nominală maximă
- capacitatea de a măsura temperatura dioxidului de carbon (nu suprafața vaselor) și
- încălzitoare de mare putere.
Aceste caracteristici sunt importante deoarece este necesar să se obțină presiuni ridicate, să se furnizeze căldura într-un mod eficient și să se cunoască în timp real temperaturile dioxidului de carbon pentru a adapta densitatea în mod corespunzător.
Un extractor ar trebui să aibă, de asemenea, un sistem de monitorizare a pompei/debitului care să evalueze masa de dioxid de carbon livrată în vasul de extracție. În plus, pompa respectivă ar trebui să aibă capacitatea de a furniza debite mari către materialul de bază din vasul de extracție. Acest lucru se datorează faptului că o variabilă calculată importantă pentru optimizarea unui extractor cu dioxid de carbon supercritic este raportul dintre masa de dioxid de carbon utilizată în timpul extracției și masa materialului de bază – un raport de 50 sau mai mare este de obicei necesar pentru a atinge un grad de extracție complet de 90-95%.
În cele din urmă, recipientele de separare cu presiuni maxime ridicate sunt extrem de importante, deoarece acestea oferă tehnicianului posibilitatea de a utiliza o varietate de presiuni în dezvoltarea protocoalelor de separare (adică dezvoltarea produsului).
Un neajuns al extracției cu SCCO2 este acela că numeroase ceruri și acizi grași sunt, de asemenea, solubile în dioxid de carbon supercritic. Din perspectiva fabricării, acesta este un aspect important, deoarece aceste materiale trebuie eliminate în timpul procesului de rafinare înainte de dezvoltarea produsului. Acest lucru se realizează printr-un proces numit winterizare, care profită de solubilitatea diferită a cerii și a canabinoizilor într-un solvent la temperaturi scăzute (de exemplu, -30 grade Celsius sau mai puțin).
Procesul de iernare reprezintă frecvent cea mai lentă parte a procesului de rafinare, dacă infrastructura nu se potrivește cu rata de producție a extractorului. Protocolul standard utilizează o pâlnie și o hârtie de filtru în concert cu un vid. În funcție de volum, acest proces poate dura între patru și opt ore. În plus, trebuie repetat de mai multe ori pentru a ține cont de dizolvarea cerii înapoi în etanol în timpul procesului prelungit de filtrare. Cu toate acestea, redundanța și durata acestui proces pot fi ocolite prin utilizarea tehnicilor de filtrare cu cartuș cu presiune redusă, care pot prelucra rapid volume mari de material winterizat, controlând în același timp temperatura.
Următorul aspect de luat în considerare este recuperarea solvenților care urmează procesului de ierarhizare. Este important să vă dimensionați unitățile de recuperare a solvenților pentru a se potrivi cu ratele de producție de iernare/filtrare. Cel mai frecvent, sistemele de evaporare rotativă sunt utilizate pentru a vă recupera solventul de iernare. De asemenea, este important să dimensionați acest sistem pentru a se potrivi cu ratele de producție și de extracție ale etapei de recuperare a pre-solventului.
Pentru a pune aceste note în perspectivă, iată un exemplu de sistem de producție urmat de o identificare a gâtului de îmbulzeală.
În primul rând, este necesar să se stabilească ipotezele:
- Intrare de extracție de 2.000 de grame
- Raportul de retur 0,18
- Două extracții pe zi
- Cinci zile pe săptămână timp de funcționare.
Cu aceste ipoteze, producția pe funcționare este de 360 de grame pe zi și de 3.600 de grame pe săptămână. Prin urmare, volumul total de material care urmează să fie filtrat ar fi de 36 de litri cu un raport de 10:1 între solventul de iernare și extract.
Acest material poate fi filtrat în 34 de minute cu un sistem de filtrare cu presiune pozitivă capabil să asigure un debit de apă de 125 de litri pe oră și un volum egal de solvent pentru spălarea cerii. Volumul final pentru recuperarea solventului este de 72 de litri, care poate fi recuperat în patru ore și jumătate cu un evaporator rotativ capabil să proceseze 16 litri pe oră. Evaluarea acestor cifre sugerează că echipamentul dumneavoastră de postprocesare este capabil să rafineze un extract de o săptămână în aproximativ cinci ore. Prin urmare, parametrii dvs. de extracție sau extractorul reprezintă gâtul de îmbulzeală în sistemul de producție descris.
Chiar dacă această analiză simplifică prea mult procesul în unele privințe, ea exemplifică importanța planificării sistemului dvs. total de producție pentru a satisface producția în fiecare etapă, deoarece capitalul ar putea fi mai bine valorificat pentru a obține un sistem cu o producție globală mai mare. Sistemele dezechilibrate pot face ca echipamentele de producție să rămână nefolosite pentru perioade de timp, ceea ce nu reprezintă o utilizare optimă a capitalului, a forței de muncă sau a echipamentelor.
Mark June-Wells, Ph.D., este proprietarul principal al Sativum Consulting Group și doctor în botanică/ecologie vegetală (Rutgers University).