Samstag, 14. Oktober 2017

CBD-Extraktion 

Promotion

 

Superkritische-CO2-Extraktion (Supercritical Fluid Extraction: SFE)

 

 

PhD, Eng. Beata Plutowska (übersetzt aus dem Englischen von Su)

 

Extrakte, welche mittels CO2 gewonnen werden, sind extrem rein. Im folgenden Artikel wollen wir euch daher die Vorteile und Funktionsweise der sogenannten SFE-Methode zur CBD-Extraktion, wie sie auch von CannabiGold verwendet wird, einmal näher vorstellen.

Die Öle von CannabiGold werden mittels der sogenannten SFE-Technik gewonnen.  Die Abkürzung FSE steht für den englischen Begriff: Supercritical Fluid Extraction. Bei dieser Methode werden Stoffe durch die Zuführung von superkritischem Kohlenstoffdioxid gelöst.  Theoretisch kann jeder Stoff in einen überkritischen Aggregatzustand überführt werden. In der Praxis sind dazu allerdings derart hohe Temperatur- und Druckbedingungen nötig, dass dies nur bei einigen Stoffen, darunter auch Kohlenstoffdioxid, gelingt.

 

Der überkritische Aggregatzustand wird auch als „vierter Aggregatzustand” bezeichnet. Aus der Schulzeit erinnert man sich noch an die drei klassischen Aggregatzustände – fest, flüssig und gasförmig. Der vierte Zustand findet kaum Erwähnung. Dies liegt mitunter daran, dass er nicht unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen zu finden ist und nur mit Zuhilfenahme von hochtechnologisierten Apparaten erreicht werden kann. Stark vereinfacht lässt sich sagen, dass der überkritische Aggregatzustand den Zustand zwischen gasförmig und flüssig beschreibt. Solch überkritische Fluide haben mit den Gasen das gute Durchdringungsvermögen gemein und sind gleichzeitig ein gutes Lösungsmittel, wie Flüssigkeit. Man kann zusammenfassend sagen, überkritische Fluide kombinieren das hohe Lösungsvermögen von Flüssigkeiten mit der niedrigen Viskosität von Gasen, weshalb sie besonders gute Extraktionsmittel sind [2].

 

Es ist vergleichsweise einfach Kohlenstoffdioxid in den überkritischen Zustand zu versetzen, da hierzu „nur” eine Temperatur  von über 31 °C und ein Druck von über 74 bar notwendig sind (zum Verständnis: 1 bar entspricht dem normalen Atmosphärendruck). Dies ist der große Vorteil von CO2 und bei Weitem nicht der Einzige. Die Effizienz bei der Extraktion kann als zweiter Vorteil genannt werden – hat CO2 das Extraktionswerk vollbracht, so diffundiert es rückstandslos aus dem Extrakt heraus. Folglich – anders als bei der Extraktion mittels flüssiger Lösungsmittel – ist bei der Extraktion durch überkritisches CO2 kein mühsames Herauslösen des Lösungsmittels nötig, was sich ansonsten nicht selten qualitätsmindernd auf das Endprodukt auswirkt [4].  Zudem ist CO2 nicht toxisch für Menschen, was auch nicht für alle anderen flüssigen Lösungsmittel gilt. Es enthält auch keine Verunreinigungen und Reststoffe, wie sie in organischen Lösungsmitteln vorkommen (wie zum Beispiel Petroleum, Ether und Alkohol). Diese Beimengungen verbleiben nach der Extraktion im Endprodukt und werden dort oftmals konzentriert, selbst nach der Destillation des Extraktes. Diese Eigenschaft ist von besonderer Bedeutung, wenn man sich einmal vor Augen führt, dass große Mengen an Lösungsmitteln bei der Extraktion benötigt werden. Es sind bis zu 20 Liter pro Kilogramm Trockenmasse nötig. Dies führt dazu, dass bei einer 99,5-prozentigen Reinheit des verwendeten Lösungsmittels, bei einer Menge von 20 Litern, am Ende des Extraktionsprozesses 100 Gramm Verunreinigungen mit teils unerwünschten Eigenschaften im Endprodukt verbleiben. Auch wenn nur eine geringe Menge an Rückständen im Extrakt verbleiben, ist dies jedoch noch zu viel.

 

Betrachtet man beispielsweise zum Vergleich die Extraktion mittels Ethanol, stößt man auf eine der typischen Verunreinigungen, welche in Ethanol gefunden wird: Benzol. Da Benzol krebserregend ist, wird es selbst kaum als Extraktionsmittel eingesetzt. Es findet aber vielfache Verwendung bei der Produktion organischer Lösungsmittel, welche in Laboren und Industrieextraktionsanlagen zum Einsatz kommen. Folglich werden in vielen Lösungsmitteln Benzolrückstände gefunden (nicht nur in Ethanol, sondern auch in Methanol, Isopropanol, Hexan und Aceton). Daher ist die Pharmaindustrie verpflichtet Benzolgehalte in Arzneistoffen zu messen, welche mittels Ethanol und anderer Lösungsmittel extrahiert werden [5]. Man kann nur schätzen, wie viele der Produzenten, welche Ethanol zur Extraktion ihrer  CBD-Präparate verwenden, diese dann auch tatsächlich auf Benzol testen lassen …

 

Extrakte, welche mittels CO2 gewonnen werden, sind extrem rein. Die Superkritische-CO2-Extraktion löst zudem kaum mögliche Kontaminationen aus der Pflanze, wie es herkömmliche andere Lösungsmittel tun [6]. Dies ist besonders im Hinblick auf die Verwendung von Hanf zur Rekultivierung und Reinigung von Böden zu beachten – bedeutet dies ja nichts anderes, als dass Hanfpflanzen Schwermetalle aus dem Boden herausziehen und anreichern (auch auf unkontaminierten Böden). Zum Glück löst CO2 keine Schwermetalle, daher ist dann auch das Endprodukt frei von diesen – selbst wenn eine Pflanze mit Schwermetallen belastet gewesen ist.

Auch garantiert die CO2-Extraktion eine mikrobielle Reinheit [2]. Durch den hohen Druck und die hohe CO2-Konzentration werden alle mikrobiellen Anhaftungen am Pflanzenmaterial beseitigt. Unter diesen Voraussetzungen wird die Hygiene des Materials auch während der darauffolgenden Produktionsschritte (wie das Verpacken, oder anderer Weiterverarbeitungsmethoden) garantiert. Das Produkt bleibt somit mikrobiologisch rein.

 

Die Superkritische-CO2-Extraktion garantiert eine natürliche Zusammensetzung des Extraktes und führt zu keiner Degradation der wertvollen Inhaltsstoffe. Dies ist hauptsächlich darauf zurückzuführen, dass bei der Methode keine hohen Temperaturen zum Einsatz kommen, wie dies bei vielen anderen flüssigen Extraktionsverfahren der Fall ist (vor allem wenn amateurhafte, simple Methoden, wie beispielsweise eine Destillation oder Verdampfungsverfahren durch Erhitzung, mit im Spiel sind). Somit kommt es auch zu keinem thermischen Abbau – also zu keiner Denaturierung des Extraktes durch Hitzeeinwirkung [7]. Besagter thermischer Abbau führt zu mehr als nur einer Farbveränderung des Endproduktes von Gold (was die natürliche Farbe der Cannabinoide darstellt) zu Braun oder gar Schwarz. Was wirklich passiert, ist für unser Auge unsichtbar – und wirklich desaströs: Oxidations-, Isomerisierungs- und Polymerisationsprozesse, die durch die erhöhten Temperaturen in Gang gebracht werden, können zum Abbau vieler wertvoller Komponenten des Extraktes führen. Und es kann noch schlimmer kommen, denn diese Prozesse sind dazu in der Lage nützliche Bestandteile in gesundheitsschädliche zu verwandeln. Nimmt man als Beispiel Terpene, können diese, einmal oxidiert, irritierende allergienauslösende und entzündungsfördernde Eigenschaften erwerben [8]. Natürlich kann man die SFE-Technik auch unter hohen Temperaturen ausführen (was in diesem Fall Temperaturen von über 31°C bedeutet), aber selbst in diesem Fall führt das zu keinerlei Oxidationsprozessen, was an dem simplen Fakt liegt, dass kein Sauerstoff präsent ist, sondern nur reines und komplett reaktionsträges Kohlenstoffdioxid.

 

Die SFE-Methode kann zu den „grünen Technologien” gezählt werden, da sie umweltfreundlich ist. Erstens, anders als bei der Flüssigextraktion, entstehen keine toxischen Abfälle, welche ins Wasser, den Boden sowie die Luft gelangen und so unsere Umwelt verschmutzen – außerdem ist das Extraktionssystem derart konstruiert, dass das Kohlenstoffdioxid in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert, weshalb auch der Verbrauch dieses wesentlichen Bestandteils während des Prozesses minimiert wird [9].

 

Die SFE-Methode ist Teil einer ganzen Reihe an innovativen Technologien, die mit der Verwendung superkritischer Fluide verbunden sind. Dank der vielen Vorteile dieser Techniken finden sie Einzug in immer mehr Industriebereichen, einschließlich der Lebensmittelbehandlung und der Medizin. Dies geschieht teilweise aufgrund der Tatsache, dass superkritisches CO2 neben der Extraktions- und Trenntechnik auch ein perfektes Begleitmedium für verschiedene chemische Reaktionen, Mikronisierung, Kristallisation, Imprägnation und viele weitere Verfahren darstellt; mein persönliches Lieblingsverfahren ist hier die Superkritische-Flüssigkeitschromatografie (SFC).

 

Die oben stehende Abbildung zeigt ein vereinfachtes Diagramm der grundlegenden Bestandteile eines Superkritischen-CO2-Extraktionssystems.

 

 

Bei der einfachsten Version eines Superkritischen-CO2-Extraktionssystems wird flüssiges Kohlenstoffdioxid (dieses wird beispielsweise in einem Tank oder Zylinder aufbewahrt) in eine Pumpe geleitet, welche den nötigen Druck im Extraktor – der das Pflanzenmaterial enthält – aufbaut. Gleichzeitig wird der Extraktor auf die festgelegte Überkritische Temperatur erhitzt.  Sobald das Kohlenstoffdioxid den superkritischen Zustand erreicht, beginnt der Extraktionsprozess. Das Kohlenstoffdioxyd zirkuliert und alle Stoffe, die es aus dem Pflanzenmaterial herauslöst, gelangen in den Separator – ein Tank hinter dem Extraktor. Dies ist möglich, da die physikalischen Bedingungen im Separator andere sind als in der Extraktionskammer, und das CO2 aus dem superkritischen Zustand plötzlich wieder in den gasförmigen übertritt. Da Gase keine Kapazitäten besitzen, um das Extrakt gelöst zu halten, werden jegliche gelösten Stoffe beim Übertritt in die Gasform sofort ausgefällt. Der Kreislauf wird geschlossen, wenn das Gas im sogenannten Kühler wieder in den flüssigen Zustand überführt wird. Der flüssige Kohlenstoff geht zurück in die Pumpe und wird dann wieder in den Extraktor sowie den Separator geleitet – und so weiter und so weiter. Dies wird so lange wiederholt, bis alle gewünschten Bestandteile aus dem Pflanzenmaterial gelöst sind. Natürlich stellt die Abbildung nur die grundlegendsten Prinzipien dieser Technologie dar. Je nach Anwendungsgebiet sind SFE-Installationen sehr viel komplexer und können für vielerlei Anwendungen genutzt werden [11].

 

Im CannabiGold Produktionsprozess werden alle Möglichkeiten, die die SFE-Technik bietet, voll ausgenutzt. Daher hat CannabiGold einen speziell zugeschnittenen Produktionsprozess für jeden Extrakt entwickelt. In anderen Worten bedeutet dies, dass ein 5%-Extrakt unter etwas anderen Bedingungen hergestellt wird als ein 20%-Produkt. Die niedrigere Konzentration wird also nicht einfach durch ein Verwässern einer konzentrierteren und unter stets gleichen Produktionsprozessen entstandenen Paste erreicht.

 

Quellenangaben:

[1] Capuzzo A., Maffei M.E., Occhipinti A. Supercritical fluid extraction of plant flavors and fragrances. Molecules 18 (2013) 7194-7238.

[2] Perrut M. What is a supercritical fluid? http://www.separex.fr/download/category/1-supercritical-fluids-and-applications.html

[3] Brunner G. Supercritical fluids: technology and application to food processing. Journal of Food Engineering 67 (2005) 21-33.

[4] Reverchon E., De Marco I. Supercritical fluid extraction and fractionation of natural matter. Journal of Supercritical Fluids 38 (2006) 146-166.

[5] Vicente N. CEP submission: How to prepare a new aplication? 2010 EDQM, Council fo Europe

[6] Xu L., Zhan X., Zeng Z., Chen R., Li H., Xie T., Wang S. Recent advances on supercritical fluid extraction of essential oils. African Journal of Pharmacy and Pharmacology 5 (2011) 1196-1211.

[7] Sovova H., Stateva R.P. Supercritical fluid extraction from vegetable materials. Rev Chem Eng 27 (2011) 79-156.

[8] Turek C., Stintzing F. C. Stability of essentail oils: a review. Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 12 (2013) 40-53.

[9] de Melo M.M.R., Silvestre A.J.D., Silva C.M. Supercritical fluid extraction of vegetable matrices: Applications, trends and future perspectives of a convincing green technology. The Journal of Supercritical Fluids 92 (2014) 115-176.

[10] Marentis R., Hsu J.T. Supercritical fluid extraction of nutraceutical products. 4th Brazilian Meeting on Supercritical Fluids EBFS 2001

[11] Pourmortazavi S.M., Hajimirsadeghi S.S. Supercritical fluid extraction in plant essential and volatile oil analysis. Journal of Chromatography A 1163 (2007) 2-24.

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