Cannabisextrakt är en viktig del av den snabbt växande marijuanaindustrin, särskilt på den medicinska marknaden. Den eteriska cannabisoljan, som är ett koncentrat av alla aktiva farmaceutiska ingredienser i marijuanaplantan, är ett dynamiskt ämne som kan omvandlas till många olika former för användarens konsumtion. Som utgångspunkt kan extrakt omvandlas (med lite grundläggande kemiskt kunnande) till produkter som tinkturer, transdermala plåster, sprudlande tabletter, dryckespulver, suppositorier och orala tabletter, för att inte tala om de vanliga oljorna för förångning och dabbing.
Det finns en mängd olika lämpliga lösningsmedel för att extrahera de aktiva ingredienserna från cannabis – var och en av dem har sina styrkor, svagheter, krav på laboratorieinfrastruktur och överväganden om produktionsskalering.
Denna kolumn utforskar superkritisk koldioxidextraktion (SCCO2), inklusive dess funktionalitet, laboratoriekrav och vilka egenskaper som bör beaktas vid val av extraktor.
Medicinskt värde
En logisk plats att börja ett samtal om koldioxidextraktion (eller någon annan typ av extraktion, för den delen) är en snabb översikt över de medicinskt värdefulla lösningsmedel som ska extraheras från cannabisplantan.
Två klasser av cannabissubstanser får mest uppmärksamhet i denna växande industri: cannabinoider och terpener.
Minst 113 cannabinoider har isolerats, och dessa molekyler har en vikt på mellan 250 och 350amu (atommasseenheter). Deras fysiska form kan vara flytande eller fast (beroende på identitet), innehåller en mängd olika funktionella grupper och är inte flyktiga.
Terpener är en stor och varierande grupp av föreningar som produceras av växter och vissa djur. Denna grupp av molekyler klassificeras efter antalet basisoprenenheter. (Isoprener är vanliga organiska föreningar som produceras av växter.) Dessutom är terpener och deras tillhörande blandningar ansvariga för de behagliga – eller obehagliga – aromer som växter avger. Terpener varierar kraftigt i massa baserat på antalet kolatomer (eller isoprenenheter), kan innehålla en mängd olika funktionella grupper och är fysiskt sett flytande eller olja.
Flavonoider och karotenoider finns också i cannabis. Även om de inte ofta erkänns som värdefulla inom cannabisindustrin är de välkända biobotaniska föreningar inom näringsindustrin och den medicinska industrin. Flavonoider är polyfenolföreningar som ger växtextrakt sina gyllene och bruna färger. Det finns mer än 5 000 kända flavonoider som varierar i molekylvikt och antal funktionella grupper. De är vanligtvis fasta i sin rena form.
Carotenoider är en grupp farmaceutiskt viktiga molekyler med mer än 600 kända beståndsdelar. De tenderar att ha mycket hög molekylvikt, innehåller en mängd olika funktionella grupper och är orange till röda i färgen.
För det sista kan många fettsyror och klorofyller extraheras från växtmaterial. Även om de i allmänhet inte betraktas som medicinskt värdefulla inom cannabisindustrin finns det vissa bevis för bioaktivitet inom den nutraceutiska industrin. Fettsyror är vanligen 16 till 20 kolväten långa, men kan vara mycket större; de tenderar att stelna vid rumstemperatur, och mättnadsgraden (dvs. antalet väte-kolväte-bindningar) kan variera.
Klorofyller är de stora molekyler som ansvarar för en växts förmåga att producera socker från solljus och vatten. Klorofyller varierar mellan 800 och 900amu och ger växtextrakt sin gröna till svarta färg. (Svart färgning uppstår när klorofyll oxideras.)
_fmt.png)
/figcaption>
CO2-processen
Nu när vi har behandlat majoriteten av de extraherbara lösningsämnena i cannabis ska vi utforska hur koldioxid fungerar som lösningsmedel.
För att dyka in kan en snabb genomgång av några relevanta fysiska egenskaper hos koldioxid vara till hjälp. Koldioxid är en gas vid standardtemperaturer och standardtryck. Den bildar en vätska vid tryck över 5 bar (dvs. 73 psi), och dess kritiska punkt (gränsen mellan ånga och vätska) är 73 bar (1060 psi) vid 33,1 grader Celsius.
Här kommer vi att beskriva koldioxidens lösningsmedelsegenskaper i dess superkritiska tillstånd – eftersom gastillståndet inte kan fungera som ett lösningsmedel och det flytande tillståndet inte är ett effektivt lösningsmedel vid cannabinoidextraktion.
Så, vilka egenskaper hos superkritisk koldioxid (SCCO2) gör den till ett effektivt lösningsmedel vid extraktion av cannabis? Superkritisk koldioxid – och alla superkritiska vätskor – har en vätskas densitet, gasens diffusionsförmåga och en låg viskositet (tjocklek). Förenklat uttryckt innebär detta att SCCO2 har: en hög kapacitet att bära upp mycket substans (dvs. den kan rymma mycket material), förmågan att tränga in i de minsta utrymmena (som en gas) och ett mycket litet flödesmotstånd. Dessutom kan dess polaritet och densitet manipuleras. Polarmanipulering kan åstadkommas genom tillsats av medlösningsmedel, t.ex. etanol. Manipulering av densiteten är den verkliga kraften hos superkritisk koldioxid som lösningsmedel. Medan andra lösningsmedel, t.ex. kolväten och etanol, är effektivare när det gäller att avlägsna cannabinoider och terpener från växtmaterialet, har SCCO2 den unika förmågan att rikta in sig på specifika fraktioner i modermaterialet (växtmaterialet) eller separera lösningsmedel. Dessa processer är möjliga eftersom SCCO2:s densitet är beroende av tryck- och temperaturparametrar.
Samverkan mellan lösningsmedel och koldioxid är lösningsmedelsspecifik. Varje lösta ämne i en blandning (dvs. det ursprungliga växtmaterialet) har en unik löslighetsprofil som är relaterad till SCCO2:s densitet; det finns en densitet där specifika lösta ämnen blir mycket lättlösliga i SCCO2. Detta kallas för övergångsfenomenet. Det kännetecknas av en exponentiell ökning av en lösningsmedels löslighet i SCCO2. Eftersom övergångspunkten är specifik för en viss lösning – om den kritiska densiteten är känd för vissa lösningsmedel – kan dessa lösningsmedel avlägsnas individuellt med hjälp av temperatur- och tryckgradienter.
Vi kan också betrakta detta övergångsfenomen ur ett annat perspektiv: Föreställ dig att du använder temperatur- och tryckinställningar som resulterar i att alla lösta ämnen extraheras från ditt matningsmaterial och sedan minskar densiteten nedströms från extraktionsplatsen. Denna process kallas retrograd löslighet och kan utnyttjas för att separera komponenterna i SCCO2/solutblandningen.
I huvudsak börjar denna process med SCCO2 med mycket hög densitet, följt av sekventiella trycklösheter som resulterar i konsekventa minskningar av SCCO2-densiteten under hela processen. Medan denna process pågår är vissa lösliga ämnen inte längre lösliga och samlas upp på särskilda platser (dvs. separationskärl).
Denna förmåga att rikta in sig på eller separera lösningsmedel från en blandning är den mest värdefulla egenskapen hos SCCO2-extraktion. Andra fördelaktiga egenskaper hos extraktion av koldioxid är att den i allmänhet betraktas som säker (dvs. höga exponeringsgränser), att den är relativt billig och att den finns tillgänglig i hög renhet från många källor.
Koldioxidsystemöverväganden
Så, vilka är de viktiga egenskaperna hos ett superkritiskt koldioxidextraktionssystem? Som tidigare nämnts är densiteten, som bestäms av tryck och värme, en fysisk egenskap hos SCCO2 som dikterar utvinningseffektivitet och separation. Därför är tre variabler av yttersta vikt:
- maximalt tryckvärde
- förmågan att mäta koldioxidens temperatur (inte kärlens yta) och
- hög effekt på värmare.
Dessa egenskaper är viktiga eftersom det är nödvändigt att uppnå höga tryck, leverera värmen på ett effektivt sätt och ha kännedom i realtid om koldioxidtemperaturen för att kunna skräddarsy densiteten på lämpligt sätt.
En extraktor bör också ha ett pump-/flödesövervakningssystem som utvärderar massan koldioxid som levereras till extraktionskärlet. Dessutom bör den pumpen ha förmågan att leverera höga flöden till modermaterialet i extraktionskärlet. Detta beror på att en viktig beräknad variabel för att optimera en superkritisk koldioxidextraktor är förhållandet mellan den koldioxidmassa som används under extraktionen och massan av modermaterialet – ett förhållande på 50 eller mer är vanligen nödvändigt för att uppnå 90-95 procent fullständig extraktion.
För det sista är separationskärl med högt maximalt tryck extremt viktiga eftersom de ger teknikern möjlighet att använda en mängd olika tryck vid utveckling av separationsprotokoll (dvs. produktutveckling).
En brist med SCCO2-extraktion är att många vaxer och fettsyror också är lösliga i superkritisk koldioxid. Ur ett tillverkningsperspektiv är detta en viktig punkt eftersom dessa material måste avlägsnas under förädlingsprocessen före produktutveckling. Detta uppnås genom en process som kallas vinterisering, som drar nytta av den olika lösligheten hos vaxer och cannabinoider i ett lösningsmedel vid låga temperaturer (dvs. -30 grader Celsius eller lägre).
Vinteriseringsprocessen utgör ofta den långsammaste delen av förädlingsprocessen om infrastrukturen inte matchar extraktorns produktionstakt. I standardprotokollet används en tratt och ett filterpapper tillsammans med ett vakuum. Beroende på volym kan denna process ta mellan fyra och åtta timmar. Dessutom måste den upprepas flera gånger för att ta hänsyn till upplösningen av vaxer tillbaka till etanol under den utdragna filtreringsprocessen. Denna process kan dock undvikas genom användning av lågtryckspatronfiltertekniker som kan bearbeta stora volymer av övervintrat material på ett snabbt sätt samtidigt som man kontrollerar temperaturen.
Nästa aspekt är den återvinning av lösningsmedel som följer på vinteriseringsprocessen. Det är viktigt att dimensionera lösningsmedelsåtervinningsenheterna så att de motsvarar produktionstakten för vinterisering/filtrering. Vanligtvis används roterande avdunstningssystem för att återvinna lösningsmedlet för vinterisering. Det är också viktigt att skala detta system så att det motsvarar produktions- och extraktionshastigheterna för det steg som föregår lösningsmedelsåtervinningen.
För att sätta dessa anteckningar i perspektiv följer här ett exempel på ett produktionssystem följt av en identifiering av flaskhalsen.
Först är det nödvändigt att lägga ut antagandena:
- extraktorinmatning på 2 000 gram
- returförhållande 0,18
- två extraktioner per dag
- fem dagar i veckan körtid.
Med dessa antaganden är produktionen per körning 360 gram per dag och 3 600 gram per vecka. Därför skulle den totala volymen material som ska filtreras vara 36 liter med ett förhållande 10:1 mellan övervintringslösningsmedel och extrakt.
Detta material kan filtreras på 34 minuter med ett filtreringssystem med positivt tryck som klarar ett vattenflöde på 125 liter per timme och en lika stor volym lösningsmedel för att tvätta vaxerna. Den slutliga volymen för återvinning av lösningsmedel är 72 liter, som kan återvinnas på fyra och en halv timme med en roterande förångare som kan behandla 16 liter per timme. Om man utvärderar dessa siffror kan man dra slutsatsen att din utrustning för efterbehandling kan förädla en veckas extrakt på ungefär fem timmar. Därför är dina extraktionsparametrar eller extraktorn flaskhalsen i det beskrivna produktionssystemet.
Men även om denna analys på vissa sätt förenklar processen, visar den hur viktigt det är att planera det totala produktionssystemet så att det motsvarar produktionen i varje steg, eftersom kapitalet kan utnyttjas bättre för att få ett system med en högre total produktion. Obalanserade system kan leda till att tillverkningsutrustning står stilla under perioder, vilket inte är en optimal användning av kapital, arbetskraft eller utrustning.
Mark June-Wells, Ph.D. är huvudägare av Sativum Consulting Group och har en doktorsexamen i botanik/växtekologi (Rutgers University).