Hocheffiziente Extraktion von Cannabidiol (CBD) aus Cannabis
Ultraschallextraktoren von Hielscher entsprechen dem neuesten Stand der Technik für die zuverlässige und effiziente Extraktion von Hanf- und CBD-Ölen. Die Ultraschallbehandlung ist als besonders wirksames Extraktionsverfahren zur Freisetzung wertvoller Verbindungen aus Pflanzenmaterial bekannt. Im Vergleich zu anderen Extraktionsverfahren wie der Extraktion mit überkritischem CO2 überzeugt die Ultraschalltechnik durch höhere Effizienz, einfache Bedienung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten.
Ultraschallextraktion
Die Ultraschallextraktion ist ein bekanntes und seit Langem etabliertes Verfahren zur Gewinnung wertvoller Verbindungen aus Pflanzenmaterial. Daher ist die Beschallung das ideale Verfahren zur Herstellung hochwertiger CBD-Öle. Durch präzise steuerbare Ultraschallkavitation werden Pflanzenzellen perforiert und das Lösungsmittel in die Zelle gedrückt, wo es intrazelluläre Verbindungen wie Cannabinoide, Terpene, Flavonoide usw. aufnimmt.
Ein großer Vorteil der Ultraschallbehandlung ist der Temperaturbereich, in dem die Extraktion durchgeführt werden kann. Die Ultraschallextraktion ist mit heißem oder warmem Ethanol bis hin zu kryogenem Ethanol (-70°C) möglich. Dies ermöglicht die gezielte Isolierung der gewünschten Verbindungen. Die Beschallung in kryogenem Ethanol liefert hauptsächlich Cannabinoide und Terpene, während eine Extraktion mit warmem oder heißem Ethanol ein breites Spektrum sekundärer Pflanzenstoffe ergibt (z. B. Aldehyde, Ester, Ethyle, Ketone). Vollspektrumextrakte enthalten die Vielzahl an Cannabinoiden, Terpenen und anderen sekundären Pflanzenstoffen. Gemäß dem Entourage-Effekt wirken sekundäre Pflanzenstoffe (z. B. Cannabinoide) synergistisch und entfalten daher zusammen mit anderen pflanzlichen Verbindungen eine bessere Wirkung. Das bedeutet, dass ein CBD-Öl, das neben CBD weitere Cannabinoide, Terpene und sekundäre Pflanzenstoffe enthält, eine deutlich höhere therapeutische Wirkung hat als ein CBD-Öl, das ausschließlich CBD enthält. Die Extraktion von Chlorophyll wird jedoch vermieden, da es dem Extrakt einen unangenehmen Geschmack verleiht.
Schritt für Schritt
- Ultraschallextraktion: Die Ultraschallextraktion lässt sich einfach im Chargenbetrieb oder im kontinuierlichen Durchflussbetrieb durchführen – abhängig von Ihrem Prozessvolumen. Der Extraktionsprozess ist sehr schnell und liefert eine hohe Ausbeute an Wirkstoffen.
- Filtration: Filtern Sie das Gemisch aus Pflanzenmaterial und Flüssigkeit durch einen Papierfilter oder einen Filterbeutel, um die festen Pflanzenteile von der Flüssigkeit zu trennen.
- Verdampfung: Zur Trennung des CBD-Öls vom Lösungsmittel wird üblicherweise ein Rotationsverdampfer verwendet. Das Lösungsmittel, z. B. Ethanol, kann zurückgewonnen und wiederverwendet werden.
- Nanoemulgierung: Durch Beschallung lässt sich das gereinigte CBD-Öl zu einer stabilen Nanoemulsion mit hervorragender Bioverfügbarkeit verarbeiten.
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Hohe Extraktionsrate
Ultraschallextraktoren von Hielscher lassen sich präzise auf optimale Extraktionsbedingungen einstellen – für die Gewinnung der größtmöglichen Menge in höchster Qualität aus Ihrem Rohmaterial (Cannabisblätter, Blüten, Stängel usw.). Die Ultraschallintensität ist entscheidend für die Extraktion pflanzlicher Inhaltsstoffe, etwa zur Gewinnung hochwertigen CBD-Öls aus Cannabis. Unsere Ultraschallgeräte UP400St, UIP500hdt, UIP1000hdt und UIP2000hdt sind mit einer präzisen Amplitudenregelung, einem Temperatursensor und einer Zeitsteuerung ausgestattet, damit Sie unter optimalen Bedingungen arbeiten können. Der Farb-Touchscreen und die Browsersteuerung ermöglichen eine einfache und zuverlässige Bedienung und Überwachung.
Ultraschallgestützte CBD-Extraktion aus Cannabis in einer 120L-Charge mit UIP2000hdT und Rührwerk
UP400St zur Extraktion von Cannabinoiden aus Cannabis
Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion
Ethanol wird häufig als Lösungsmittel zur Extraktion von Cannabinoiden verwendet. Die Ultraschallgeräte von Hielscher erweitern Ihre Auswahl an Lösungsmitteln erheblich: Wasser-Ethanol-Gemische, kryogenes Ethanol, Ethanol, hochprozentiger Alkohol, Glycerin usw.
Ethanol ist ein sehr beliebtes Lösungsmittel, da es sowohl polare (hydrophile) als auch unpolare (hydrophobe/lipophile) Substanzen löst. Auch Ethanol-Wasser-Gemische in unterschiedlichen Mischungsverhältnissen können für die Ultraschallextraktion verwendet werden. Zu den Vorteilen von Ethanol-Wasser-Gemischen zählen geringere Kosten (durch den geringeren Ethanolanteil) und eine höhere Sicherheit aufgrund der geringeren Entflammbarkeit. Die Ultraschallextraktion mit kryogenem Ethanol (ca. -70°C) liefert eine sehr hohe Ausbeute und Qualität.
Einfache und sichere Bedienung
Unsere Ultraschallgeräte sind auf optimale Benutzerfreundlichkeit ausgelegt, sodass sich unsere Ultraschallextraktoren einfach und sicher bedienen lassen. Wir unterstützen unsere Kunden gerne bei der Einrichtung und geben Empfehlungen zu Ultraschalleinstellungen und Prozessparametern. Wir bieten Ihnen das am besten geeignete Gerät – für die Chargen- und Inline-Verarbeitung.
Vorteile gegenüber der CO2 -Extraktion
Extraktoren für überkritisches CO2 sind in Anschaffung und Betrieb teuer. Die Durchführung der CO2 -Extraktion ist kompliziert und erfordert eine Fachkraft, die weiß, welche Drücke und Temperaturen geeignet sind, um die gewünschten Cannabinoide und Terpene zu gewinnen. Die hohen Drücke und Temperaturen tragen wesentlich zu den höheren Kosten gegenüber der konventionellen Flüssigextraktion bei. Im Vergleich dazu ist die Ultraschallextraktion in Anschaffung und Betrieb kostengünstig und liefert innerhalb weniger Minuten hohe Extraktausbeuten. Da die Beschallung bei Umgebungsdruck (oder leicht erhöhtem Druck) und niedrigen Temperaturen erfolgt, lässt sich die Ultraschallextraktion einfach und sicher durchführen. Ultraschallgeräte von Hielscher sind für ihre hohe Extraktionsrate, ihre Kompatibilität mit verschiedenen Lösungsmitteln, ihre einfache Bedienung und ihre lineare Skalierbarkeit anerkannt und werden deshalb bevorzugt eingesetzt.
Nanoemulsionen
Um eine hohe Bioverfügbarkeit und die bestmögliche Wirkung von CBD zu erzielen, sollten die CBD-Öltröpfchen in Nanoform verabreicht werden.
Der besondere Vorteil der Ultraschallgeräte von Hielscher liegt in ihrer vielseitigen Verwendbarkeit: Unsere Ultraschallsysteme können zur Cannabisextraktion UND zur Herstellung von Nanoemulsionen eingesetzt werden. Sie benötigen nur ein Gerät, um CBD aus Cannabis zu extrahieren und das CBD-Öl anschließend zu einer stabilen Nanoemulsion mit hoher Bioverfügbarkeit zu verarbeiten.
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Hochleistungs-Ultraschallsysteme von Labor und Technikum bis hin zum industriellen Maßstab.
Hochleistungs-Ultraschallextraktoren
Hielscher Ultrasonics liefert Ultraschallextraktionsanlagen für die Cannabisextraktion und die Emulgierung von Nanoformulierungen.
Neben ihrer präzisen Steuerbarkeit und Benutzerfreundlichkeit sind alle unsere Ultraschallgeräte für den 24/7-Betrieb ausgelegt. Unsere Systeme können niedrige bis sehr hohe Amplituden erzeugen. Für die Extraktion von Cannabinoiden und Terpenen bieten wir spezielle Ultraschallsonotroden (auch Ultraschallstäbe oder Ultraschallfinger genannt) an, die für die schonende Isolierung hochwertiger Wirkstoffe optimiert sind. Alle unsere Systeme können zur Extraktion und zur anschließenden Emulgierung von Cannabinoiden eingesetzt werden.
Die Robustheit der Ultraschallanlagen von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Kontaktieren Sie uns noch heute! Wir empfehlen Ihnen gerne die für Ihre Extraktionsanforderungen am besten geeignete Ultraschallanlage!
- Hochwertige Extrakte
- Vollständigere Extraktion
- Hohe Extraktionsrate
- Vollspektrumextrakt
- Einsatz verschiedener Lösungsmittel
- Nicht toxisch
- Nichtthermisches (kaltes) Verfahren
- Schneller Extraktionsprozess
- Sicher und einfach zu bedienen
- Lineare Skalierbarkeit
Literatur / Quellen
- Casiraghi A., Gentile A., Selmin F., Gennari C.G.M., Casagni E., Roda G., Pallotti G., Rovellini P., Minghetti P. (2022): Ultrasound-Assisted Extraction of Cannabinoids from Cannabis Sativa for Medicinal Purpose. Pharmaceutics. 14(12), 2022.
- Espinoza-Silva, Clara, Pascual, Erika, Delgadillo, Yacnehs, Flores, Omar R., Artica, Luis M., Marmolejo, Doris and Baños-Medina, Lilian (2023): Optimization of extraction using surface response methodology and quantification of cannabinoids in female inflorescences of marijuana (Cannabis sativa L.) at three altitudinal floors of Peru. Open Agriculture, Vol. 8, No. 1, 2023.
- Brenneisen R. (2007): Chemistry and Analysis of Phytocannabinoids and Other Cannabis Constituents. In: ElSohly M.A. (eds) Marijuana and the Cannabinoids. Forensic Science and Medicine.
Wissenswertes
Vorteile der Ultraschallextraktion
Die Ultraschallextraktion beruht auf dem Prinzip der akustischen Kavitation. Kavitation entsteht durch Hochleistungsultraschall in einer Flüssigkeit und ist durch mechanische Effekte mit hoher Energiedichte gekennzeichnet, die an sogenannten Hotspots auftreten.
Ultraschallextraktion – Kavitationseffekte
Wenn Leistungsultraschallwellen in eine Flüssigkeit eingekoppelt werden (z. B. in eine Suspension aus Pflanzenmaterial in einem Lösungsmittel), breiten sich die Ultraschallwellen in der Flüssigkeit aus und erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckzyklen. Während der Niederdruckzyklen entstehen winzige Vakuumbläschen (sogenannte Kavitationsblasen), die über mehrere Druckzyklen hinweg wachsen. Ab einer bestimmten Größe, wenn die Blasen keine weitere Energie aufnehmen können, implodieren sie während eines Hochdruckzyklus heftig. Die Blasenimplosion ist durch starke Kavitationskräfte gekennzeichnet, darunter Mikroturbulenzen und Flüssigkeitsströmungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 100m/s. Diese kavitationsbedingten Schereffekte werden auch als sonomechanische Effekte bezeichnet. Die Ultraschallextraktion bioaktiver Moleküle wird hauptsächlich durch sonomechanische Effekte bewirkt:
Die außergewöhnlichen Bedingungen der Ultraschallkavitation perforieren und/oder zerstören Zellwände und Membranen und ermöglichen ein stärkeres Eindringen des Lösungsmittels in die Probe. Die Ultraschallextraktion ermöglicht daher eine sehr schnelle Isolierung von Verbindungen – mit kürzeren Prozesszeiten, höheren Ausbeuten und niedrigeren Temperaturen als konventionelle Extraktionsverfahren. Als schonende (sono-)mechanische Behandlung verhindert die Ultraschallextraktion den thermischen Abbau bioaktiver Verbindungen und ist anderen Verfahren wie der konventionellen Lösungsmittelextraktion, der Hydrodestillation oder der Soxhlet-Extraktion überlegen, die bekanntermaßen hitzeempfindliche Moleküle zerstören. Diese Vorteile machen die Ultraschallextraktion zum bevorzugten Verfahren für die Freisetzung temperaturempfindlicher Wirkstoffe aus Pflanzenmaterial.
Daher ist die Ultraschallextraktion das bevorzugte Verfahren, um bioaktive Moleküle wie Polyphenole, Terpene, ätherische Öle und Cannabinoide aus Pflanzenmaterial zu extrahieren.
Die außergewöhnlichen Bedingungen der Ultraschallkavitation perforieren und/oder zerstören Zellwände und Membranen und ermöglichen ein stärkeres Eindringen des Lösungsmittels in die Probe. Die Ultraschallextraktion ermöglicht daher eine sehr schnelle Isolierung von Verbindungen – mit kürzeren Prozesszeiten, höheren Ausbeuten und niedrigeren Temperaturen als konventionelle Extraktionsverfahren. Als schonende mechanische Behandlung verhindert die Ultraschallextraktion den thermischen Abbau bioaktiver Verbindungen und ist anderen Verfahren wie der konventionellen Lösungsmittelextraktion, der Hydrodestillation oder der Soxhlet-Extraktion überlegen, die bekanntermaßen hitzeempfindliche Moleküle zerstören. Diese Vorteile machen die Ultraschallextraktion zum bevorzugten Verfahren für die Freisetzung temperaturempfindlicher Wirkstoffe aus Pflanzenmaterial.
Ultraschallextraktion aus Pflanzenzellen: Der mikroskopische Querschnitt (TS) zeigt den Wirkmechanismus bei der Ultraschallextraktion aus Zellen (Vergrößerung 2000x) [Quelle: Vilkhu et al. 2011]
Cannabinoide
Cannabinoide sind natürlich vorkommende Verbindungen in der Pflanze Cannabis sativa. Die Cannabispflanze enthält über 480 verschiedene Verbindungen. Cannabis (auch Marihuana genannt) ist eine außerordentlich wirksame Heilpflanze. Von der großen Vielfalt therapeutisch wirksamer Verbindungen werden 85 sekundäre Pflanzenstoffe als Cannabinoide bezeichnet (und weitere könnten noch entdeckt werden). CBD und THC (Tetrahydrocannabinol / Δ9-THC) sind die bekanntesten Cannabinoide. Das wichtigste Unterscheidungsmerkmal ist, dass CBD nicht psychotrop wirkt, während THC psychoaktive Wirkungen zeigt.
Cannabinoide werden zu Genusszwecken und aus medizinischen Gründen konsumiert.
Pharmakokinetische Daten zu CBD:
Bioverfügbarkeit – oral: 13–19%, inhalativ: 11–45% (Mittelwert 31%)
Eliminationshalbwertszeit: 9 Stunden
In den USA sind CBD-Produkte mit weniger als .03% THC, die aus Samen oder Stängeln von Industriehanf gewonnen werden, nach Bundesrecht legal und können in allen Bundesstaaten unabhängig von deren Marihuana-Gesetzen legal erworben werden.
Pharmakokinetische Daten zu THC:
Bioverfügbarkeit – oral: 6–20%, inhalativ: 10–35%
Eliminationshalbwertszeit: 1,6–59 Stunden, 25–36 Stunden (oral verabreichtes Dronabinol)
Nanoformulierungen
Nano-Cannabinoide sind Cannabisöle, die zu einer nanoskaligen Öl-in-Wasser-Emulsion formuliert werden. Diese bietet eine hohe Bioverfügbarkeit (schnellere Aufnahme und verstärkte gesundheitliche Wirkungen) und kann daher in geringerer Dosierung verabreicht werden. Darüber hinaus lassen sich Cannabis-Nanoemulsionen einfach in medizinische Produkte, Getränke, Lebensmittel und kosmetische Produkte (z. B. Cremes, Lotionen) einarbeiten. Da Nanoemulsionen häufig durchscheinend sind, können sie leicht in andere Produkte eingearbeitet werden, ohne deren Erscheinungsbild zu verändern.
Für eine hochwertige Nanoemulsion sind die Tröpfchengröße und der Polydispersitätsindex (PDI) wichtige Faktoren, die die Stabilität der Nanoemulsion erheblich beeinflussen. Ein hoher Polydispersitätsindex weist auf das Vorhandensein großer Tröpfchen hin, die die Emulsion durch Koaleszenz und Ostwald-Reifung destabilisieren. Kleine Tröpfchen mit einer engen Größenverteilung sind daher ein wichtiger Faktor für die Stabilität und eine längere Haltbarkeit der Nano- oder Mikroemulsion.
Cannabis-Nanoemulsionen: Für Hanföl- oder CBD-Nanoemulsionen wird das Hanföl bzw. CBD-Öl in ein hochwertiges Öl in Lebensmittelqualität eingemischt. Typische Pflanzenöle sind MCT-Öl, Kokosöl, Avocadoöl, Olivenöl, Leinöl, Süßmandelöl und Walnussöl. Als Emulgatoren (Tenside, Netzmittel, Stabilisatoren) wurden Polysorbat 80, Lecithin, Quillaja-Saponine, Sojalecithin und Seifenrinde erfolgreich eingesetzt. Zusätzlich können Xanthan, Pektin oder Molkenprotein zugegeben werden, um die Rheologie und die Emulsionsstabilität zu verbessern.
CO2 -Extraktion
Die CO2 -Extraktion kann auf zwei Arten durchgeführt werden: als überkritische und als unterkritische Extraktion. Wenn CO2 als Lösungsmittel eingesetzt wird, weist es je nach Fluidzustand unterschiedliche Eigenschaften auf. Unterkritisches CO2 bezeichnet CO2 in einem Zustand bei Temperaturen zwischen 5–10°C (278,15–283,15K, 41–50°F) und einem Druck zwischen 800–1500psi (54,43–102,06atm, 5,51–10,24MPa). Bei dieser Temperatur und diesem Druck verhält sich CO2 wie ein dickflüssiges Fluid. Werden Temperatur und Druck erhöht und überschreiten sie die kritische Temperatur (304,25 K, 31,10°C, 87,98°F) und den kritischen Druck (72,9atm, 7,39MPa, 1.071psi), breitet sich das CO2 im Behälter wie ein Gas aus, besitzt jedoch eine flüssigkeitsähnliche Dichte. Dies wird als überkritisches Kohlendioxid bezeichnet (sCO2 oder SC-CO2).
Die unterkritische CO2 -Extraktion erfolgt bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck und benötigt daher mehr Zeit. Die unterkritische CO2 -Extraktion liefert geringere Ausbeuten und kann möglicherweise einige Terpene und Öle erhalten. Bei der überkritischen CO2 -Extraktion werden höhere Temperaturen und höhere Drücke eingesetzt, wodurch Terpene und andere sekundäre Pflanzenstoffe geschädigt werden können. Bei der überkritischen CO2 -Extraktion ist ein nachgeschalteter Prozess – die sogenannte Winterisierung – erforderlich, um unerwünschte Verbindungen wie Lipide und Chlorophyll zu entfernen. Bei der Winterisierung wird der Rohextrakt in Ethanol eingefroren, um die reinen Cannabinoide und Terpene von anderen, bei der Extraktion mitextrahierten Nebenprodukten zu trennen.