Die Extraktionsverfahren der Cannabispflanze

Einleitung

Der Cannabisabsatz wächst und erfordert effiziente und kostengünstige Extraktions- und Raffinierungsprozesse. Es gibt heute viele Endprodukte auf dem Markt, vom Rohextrakt bis zum kristallinen oder reinen gelösten Stoff. Mit der Entwicklung von legalen Cannabismärkten in einigen Ländern, ist die Extraktionstechnologie deutlich fortgeschritten. Extrakte werden für medizinische Zubereitungen, zum direkten Gebrauch oder zur Vorbereitung von Lebensmitteln oder Getränken verwendet. In der Regel ist der extrahierte Extrakt ein hochkonzentriertes Öl mit einem hohen Gehalt an Cannabinoiden von 50% bis 99%. In diesem Fall enthalten die Extrakte normalerweise nur CBD. Die restlichen Substanzen werden abfiltriert. Es gibt jedoch Konzentrate, die eine vollständige Liste an Hanfkomponenten enthalten.[1]

Für die Herstellung von Cannabisprodukten werden Cannabinoide und andere Bestandteile aus den Blüten und Blättern zertifizierter Hanfpflanzen extrahiert. Ziel ist eine möglichst vollständige und vor allem schonende Freisetzung aller Inhaltsstoffe. Unabhängig von der verwendeten Extraktionsmethode muss das Lösungsmittel am Ende des Prozesses rückstandsfrei vom Extrakt abgetrennt werden.[2]

Die Extraktion ist der Prozess der Extraktion des Bauteils (Komponenten) aus Lösungen oder festen Materialien durch selektive Lösungsmittel (Extraktionsmittel).[3] Im Vergleich zu anderen Trennungsmethoden hat die Extraktion eine Reihe von Vorteilen: Einfachheit, Geschwindigkeit, Vielseitigkeit.[4]

Ein Extraktionsmittel ist ein organisches Lösungsmittel, das allein oder mit Reagenzien eine bestimmte Substanz aus der wässrigen Phase extrahiert. Als Extraktionsmittel können verschiedene polare und nichtpolare Lösungsmittel verwendet werden.[5] In der pharmazeutischen Produktion werden meist wässrige Lösungen von Ethanol in unterschiedlichen Konzentrationen als polare Lösungsmittel verwendet. Nicht-polare Extraktionsmittel sind deodorierte Pflanzenöle, Fette, Vaseline und flüssiges Paraffin, die infolge der Extraktion lipophile Verbindungen ansammeln.[6]

Derzeit ist eine der vielversprechendsten Extraktionsoptionen ein Zweiphasensystem von Extraktionsmitteln. Die Essenz dieses Verfahrens besteht darin, das Einsatzmaterial mit einer Mischung aus Lösungsmitteln, beispielsweise einer wässrigen Lösung von Ethanol und Pflanzenöl, zu behandeln.[7] Mit dieser Methode kann man hydrophile und lipophile bioaktive Substanzen von Pflanzenmaterialien extrahieren, wodurch ein grösseres Einsatzgebiet und eine erhöhte Wirksamkeit des Prozesses erzielt wird. Ausserdem können nach dem Verdampfen eines flüchtigen polaren Lösungsmittels Ölextrakte, die reich an biologisch aktiven Substanzen sind, erhalten werden.[8]

Methoden

Ethanol

Methode

Die Alkohol-Extraktion ist momentan die älteste und heute weltweit am weitesten verbreitete Methode, um CBD zu extrahieren.[9] CBD hat eine ausgezeichnete Löslichkeit in primären Alkoholen, wie Ethanol und Isopropanol. In früheren Zeiten waren Tinkturn aus Ethanol und Cannabis Teil der traditionellen Pharmakologie und wurden zur Linderung verschiedener Krankheiten verwendet.[10]

Viele primäre Alkohole eignen sich für eine effiziente Extraktion von Cannabinoiden, aber Ethanol wird aufgrund seiner Verfügbarkeit und Verarbeitungssicherheit bevorzugt. Durch die Ethanol-Extraktion lässt sich ein Extrakt mit einem vollen Spektrum erzielen, der dank der synergistischen Aktivität von Phytocannabinoiden, hervorragende pharmakologische Wirkungen aufweisen kann.[11]

Ethanol enthält sowohl polare als auch unpolare Teile und kann hydrophile und hydrophobe Moleküle auflösen.[12] Die polare Gruppe von Ethanol löst hydrophile Verbindungen, wie Chlorophyll und Pigmente. Die nichtpolare Gruppe von Ethanol hingegen löst hydrophobe Komponenten arbeitet, wie Wachse oder Pflanzenlipide, Cannabinoide und Terpene.[13] Diese Eigenschaft macht Ethanol zu einer hervorragenden Wahl für diejenigen für die Vollspektrum-Extraktion.

Im Durchschnitt erzeugen die Cannabis-Knospen etwa 12,5 % Extrakt. Während der Extraktion müssen die Knospen vollständig bedeckt sein, das Verhältnis von Lösungsmittel zu Biomasse sollte etwa 20:1 oder mehr betragen. Dies beeinträchtigt die Praktikabilität und Skalierungsfähigkeit der Ethanol-Extraktion, da ein vergleichsweise grosses Lösungsmittelvolumen erforderlich ist.[14]

Protokoll

Alkohol, der zur Extraktion verwendet wird, ist üblicherweise Ethanol- oder Isopropylalkohol. Das Lösungsmittel wird mit pflanzlichem Material gesättigt, dann wird die Lösung mit den Komponenten des Extrakts aus der Mischung filtriert und der Alkohol durch Destillation entfernt. Der resultierende sogenannte Rohextrakt wird dann einer weiteren Destillation unterzogen zur Entfernung von Chlorophyll beispielsweise oder unerwünschten Cannabinoiden.[15] Das Ethanol-Extrakt hat eine helle bis dunkle Bernsteinfarbe.[16]

Anwendungsbeispiele

CBD-Öl hilft bei der Behandlung von Übelkeit, Erbrechen, Autismus, Diabetes, Multipler Sklerose, Epilepsie, Autoimmunerkrankungen wie Allergien und Asthma, Leber- und Hirnschäden, Entzündungen, Alzheimer, Schizophrenie oder Krebs und eignet sich auch zur Vorbeugung von häufigen Krankheiten.[17] Der THC-Gehalt im Produkt darf die gesetzliche Grenze von 0,2% nicht überschreiten. Die übrigen Cannabinoide können in beliebiger Menge enthalten sein.[18]

SFE

Methode

Die Behandlung von Heilfpflanzenrohstoffen mit Flüssiggasen und superkritischen Flüssigkeiten (SFE-Extraktion) gehört zu den vielversprechenden High-Tech- Methoden, die die Effizienz der Herstellung von Pflanzenextrakten und ihre Qualität erhöhen können.[19]

Zur Extraktion von biologisch aktiven Komplexen aus pflanzlichen Rohstoffen können verschiedene Extraktionsmittel verwendet werden, aber aktuell dominiert die Extraktion durch Kohlendioxid im superkritischen Zustand.[20] Bei der SFE-Extraktion werden Bedingungen hergestellt, unter denen Kohlendioxid den sogenannten «kritischen Punkt» überschreitet und den superkritischen Zustand erreicht. In diesem Zustand hat es gleichzeitig Eigenschaften von Gas und Flüssigkeiten. Wie eine Flüssigkeit weist es eine hohe Dichte auf und kann Materialien auflösen und trotzdem wie Gas in Materialien eindringen.[21] CO2 im superkritischen Zustand ist ideal für die chemische Extraktion, da es keine Denaturierung oder Beschädigung der extrahierten Substanzen verursacht. Nach der Extraktion kann CO2 leicht aus dem Material entfernt werden. Dazu genügt es, den Druck zu verringern. CO2 verdampft dann ohne den Rückstand aus dem Material und hinterlässt sauberes CBD-Öl ohne Verunreinigungen. Aus diesem Grund eignet sich dieses Verfahren besonders gut für Produkte mit medizinischer Verwendung, da es sicherstellen kann, dass das Endprodukt keinerlei Lösungsmittelrückstände enthält.[22]

Protokoll

Superkritisches CO2 wird gebildet, wenn die Druck- und Temperaturindikatoren den kritischen Punkt (bei einer Temperatur von mehr als 30,98°C und einem Druck von mehr als 73,75 bar) überschreiten. In diesem Zustand hat CO2 eine flüssige Dichte und Gasviskosität. Mit der Optimierung von Temperatur und Druck lassen sich in CO2-Systemen Extrakte mit einem kompletten Terpenprofil erhalten.

Aus 1 kg zerdrückten Rohstoffen lassen sich bei der CO2-Extraktion an einem Laborabzug bei einem Druck von 100 bar 0,3 bis 0,5 Liter hellbraune ölige Extrakte erzeugen.[23]

Anwendungsbeispiele

Nach dem Entfernen der Lösungsmittel verbleibt am Ende des Extraktionsprozesses ein Vollspektrum-Rohöl, das neben Cannabinoiden auch Pflanzenwachse, Lipide, Terpene und andere pflanzliche Substanzen wie Chlorophyll enthält.

Da die Cannabinoide in der Pflanze und damit im Rohöl als Carbonsäuren (THCA, CBDA usw.) vorhanden sind und eine verringerte therapeutische Aktivität aufweisen, werden sie während des Decarboxylierungsprozesses aktiviert: Über einen bestimmten Zeitraum werden sie auf eine gut definierte Temperatur erwärmt: Je höher die Temperatur, desto kürzer die Expositionsdauer. Die Decarboxylierung verbessert die Bioverfügbarkeit von Cannabinoiden – der Körper kann besser mit den Wirkstoffen interagieren.

Rohöl und decarboxylierte Rohöle werden durch Filtration oder Destillation raffiniert und teilweise in getrennte Fraktionen separiert. Beispielsweise wird ein als «Winterisierung» bezeichnetes Raffinierungsverfahren verwendet, um Wachse und Terpene von Öl zu trennen und aktive Bestandteile zu konzentrieren: Das Rohöl wird mit Alkohol gemischt und abgekühlt, was zur Kristallisation der Wachse führt, die anschliessend durch Filtration abgetrennt werden können.

Unabhängig von der verwendeten Methode, sei es Decarboxylierung, Destillation oder Winterisierung, spielt daher auch die Temperaturregelung eine entscheidende Rolle bei der Weiterverarbeitung des Rohöls.

Öl-Extraktion

Methode

Bei dieser Methode wird das Öl mit Hanfrohstoffen «imprägniert», die langsam ihre öllöslichen Bestandteile freisetzen. Die Ölgewinnung ist definiert als der Prozess der Trennung von Triglyceridlipiden von geernteter und konzentrierter Biomasse.[24]

Es gibt drei Hauptmethoden zum Extrahieren von Öl aus einem Samen oder Kern: mechanisch, chemisch oder enzymatisch.[25]

Protokoll

Die Ölrückgewinnung mit mechanischen Verdrängern oder Pressen ist die am häufigsten verwendete Methode. Diese Methode verwendet entweder eine manuelle Kolbenpresse oder eine motorgetriebene Schneckenpresse, um das Öl aus dem Rohmaterial zu quetschen. Eine Kolbenpresse kann etwa 60 bis 65 % des Öls extrahieren, während eine motorgetriebene Schneckenpresse etwa 68 bis 80 % des verfügbaren Öls extrahieren kann.[26] Aus einer mechanischen Presse extrahiertes Öl muss durch Filtration und Raffinierung weiterverarbeitet werden.

Bei der chemischen Extraktion (Lösungsmittelextraktion) wird eine gelöste Komponente mit einem flüssigen Lösungsmittel aus einem Feststoff entfernt.[27] Dies wird als Auslaugen oder Fest-Flüssig-Extraktion bezeichnet. Die Löslichkeit des Materials nimmt mit zunehmender Temperatur zu. Das Rühren des Lösungsmittels erhöht die Diffusion der Wirbel und erhöht daher den Materialtransfer von der Oberfläche zu den Partikeln. Das chemische Ölextraktionsverfahren hat sich aufgrund der hohen Ölausbeute und der stabilen Leistung als sehr effektiv erwiesen. Allerdings hat diese Methode negative Auswirkungen auf die Umwelt, da sie Abwasser erzeugt, einen höheren spezifischen Energieverbrauch aufweist und höhere Emissionen flüchtiger organischer Verbindungen verursacht.

Die wässrige enzymatische Ölextraktion (AEOE) ist eine fortschrittliche Methode zur Extraktion von Öl aus Pflanzenmaterialien. Die Hauptvorteile dieses Verfahrens sind seine Umweltfreundlichkeit und das Fehlen schädlicher oder flüchtiger organischer Verbindungen.[28] Bei der enzymatischen Extraktion werden geeignete Enzyme verwendet, um Öl aus vorbehandelten Samen zu extrahieren. Eine Kombination der enzymatischen Extraktion mit der Ultraschallbehandlung hat die besten Ergebnisse bei der Extraktion von Öl aus Samen gezeigt. Der Hauptnachteil dieses Ölförderprozesses ist seine hohe Arbeitsintensität.[29]

Anwendungsbeispiele

Der Anwendungsbereich dieses Cannabisextrakts ist im Allgemeinen der gleiche wie der oben beschriebene. Der Hauptnachteil besteht darin, dass das Öl nicht leicht zu entfernen ist, was bedeutet, dass die Konzentration an Cannabinoiden im resultierenden Produkt relativ niedrig bleibt und es unmöglich ist, unerwünschte Komponenten wie THC selektiv zu entfernen.[30] Pflanzenöle sind im Vergleich zu dem oben genannten CO2 oder Ethanol ausserdem relativ teure und unwirksame Lösungsmittel.

Vergleich der Methoden

Das Hauptverfahren, um natürliche Cannabinoide zu extrahieren, arbeitet mit Ethylalkohol.[31] Alternativ nutzen traditionelle Methoden der flüssigen Extraktion die superkritische Flüssigkeitsabsaugung. Diese Methode ermöglicht eine vollständigere Extraktion der Zielsubstanzen ohne Zerstörung instabiler natürlicher Komplexe.[32] Viele Produzenten präferieren daher die Methode der superkritischen Flüssigkeitsabsaugung (SFE).[33]

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Ausbeute und Einfachheit der Extraktion des Materials.[34] Durch Ändern von Druck- und Temperaturparametern kann der Extraktor selektiver und genauer auf den spezifischen Gehalt des Extrakts und des Gehalts anderer Substanzen, wie Wachse oder Fette im Endprodukt eingestellt werden.[35] Darüber hinaus kann das zur Extraktion verwendete CO2 anschliessend wieder verwendet werden, was die Produktionskosten senkt.[36] Andererseits erfordert diese Extraktionsmethode Spezialausstattung, die viel Platz benötigt und mit hohen Anschaffungskosten verbunden ist. Als weiterer Nachteil muss in Betracht gezogen werden, dass einige nützliche Substanzen nicht im Extraktionsprozess gelöst werden und somit nicht im Endprodukt enthalten sind. Terpene beispielsweise müssen seperat extrahiert und zum Endprodukt hinzugefügt werden.

Winterisierung

Die Winterisierung ist ein Verfahren, bei dem Lösungsmittel und niedrige Temperaturen verwendet werden, um Lipide und andere gewünschte ölige Verbindungen von Wachsen zu trennen.[37]

Die Winterisierung ist eine in der Biotechnologie übliche Methode zur Ölraffination. Bei der Winterisierung wird eine Substanz mit Ethanol (Alkohol) gemischt und anschliessend etwa 24 Stunden lang in einen Gefrierschrank gestellt. Das Gemisch kristallisiert in dieser Zeit zu Fetten und Wachsen aus. Die tiefgekühlte Flüssigkeit wird dann durch einen Filter geleitet, wobei Fette und Wachse auf dem Filterpapier zurückbleiben. Das Ethanolgemisch wird filtriert und dann eingedampft (Ethanolrückgewinnung), was zu einem reinen und Cannabidiol-reichen Hanföl führt.[38]

Die Winterisierung ist ein in der Cannabisindustrie üblicher Prozess, um unerwünschte Verbindungen aus Cannabisölextrakten zu entfernen.[39] Sie erfolgt häufig nach einer superkritischen CO2-Extraktion zur Herstellung von Cannabisöl für Vape Pens und Kapseln. Denn superkritische Systeme setzen bei Verwendung ohne Inline-Fraktionierung eine Substanz mit erdnussbutterähnlicher Konsistenz frei.[40] Diese Substanz besteht aus Fetten, Ölen und Wachsen. Ein als Winterisierung bezeichnetes Verfahren kann dann verwendet werden, um Fette und Wachse zu entfernen, wobei nur das CBD-Öl übrig bleibt.[41]

 

[1] vgl. Hazekamp, A. (2007). "Cannabis; extracting the medicine." URL: https://www.researchgate.net/publication/28649272_Cannabis_extracting_the_medicine.

[2] Ebd.

[3] Ebd. S. 233f.

[4] Ebd. S. 234.

[5] Ebd. S. 236.

[6] Ebd. S. 236f.

[7] Ebd. S. 238.

[8] Ebd. S. 238f.

[9] vgl. Rosenthal, E. (2014). "Beyond Buds: Marijuana Extracts — Hash, Vaping, Dabbing, Edibles & Medicines"; Quick Trading Company: Oakland, CA, USA.

[10] Ebd.

[11] Ebd.

[12] Ebd. S. 247.

[13] vgl. Fellermeier, M.; Eisenreich, W.; Bacher, A.; Zenk, M. (2001). S. 1597f.

[14] Ebd. S. 1598.

[15] vgl. Fellermeier, M.; Eisenreich, W.; Bacher, A.; Zenk, M. (2001). S. 1599f.

[16] vgl. Rosenthal, E. (2014).

[17] vgl. Rosenthal, E. (2014).

[18] vgl. Fellermeier, M.; Eisenreich, W.; Bacher, A.; Zenk, M. (2001). S. 1601.

[19] vgl. Sánchez-Camargo, A. P.; Mendiola, J. A.; Ibáñez, E.; Herrero, M. (2014): "Supercritical Fluid Extraction", Elsevier.

[20] Ebd.

[21] Ebd.

[22] Ebd.

[23] Ebd.

[24] vgl. Kurz, P. & Stock, N. (2013). S. 269.

[25] Ebd. S. 271.

[26] vgl. Chemat, F.; Vian M.; Cravotto, G. (2012). S. 8623.

[27] Ebd. S. 8623f.

[28] vgl. Rosenthal, E. (2014).

[29] Ebd.

[30] vgl.

[31] vgl. Turton, R.; Bailie, R. C.; Whiting, W. B. et al. (2015). "“Analysis, synthesis, and design of chemical processes", Fourth edition. Boston: Prentice Hall. S. 113.

[32] Ebd. S. 115.

[33] vgl. Gallo-Molina, A.; Castro-Vargas, H.; Garzon Mendez, W.; Ramírez, J.; Monroy, Z.; King, J.; Parada, F. (2019).

[34] Ebd.

[35] Ebd.

[36] vgl. Turton, R.; Bailie, R. C.; Whiting, W. B. et al. (2015). S. 119.

[37] S. Puri (1980). "Winterization of oils and fats". AOCS. URL: https://aocs.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1007/BF02687675

[38] Ebd. S. 609.

[39] Ebd.

[40] Ebd.

[41] vgl. Abe, M.; Komatsu, H.; Yamagiwa, K.; Tajima, H. (2018). "Evaluation of the separation of saturated fatty acid methyl esters obtained from additive winterization using a nonionic surfactant". Fuel. 214. S. 608.

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