Ultraschallextraktion von CBD aus der Hanfpflanze
- Die Pflanze Cannabis Sativa kann in zwei Arten unterschieden werden: Marihuana und Hanf.
- Ultraschall ist die überlegene Methode zur Extraktion und Isolierung von Cannabinoiden aus Marihuana und Hanf.
Ultraschallextraktion von Cannabinoiden
Die Ultraschall-Extraktionstechnologie ist hocheffizient, um die Wirkstoffe (z.B. Cannabinoide (CBDTHC, CBG), Ätherische Öle, Terpene etc.) aus Pflanzenmaterial wie Knospen, Blättern und Stängel zu extrahieren.
Die Ultraschallextraktion übertrifft die herkömmlichen Extraktionsverfahren aufgrund verschiedener Vorteile:
Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) ist als prozessintensivierende Technik bekannt, die den Stoffaustausch verbessert und höhere Ausbeuten an bioaktiven Verbindungen wie Cannabinoiden, Terpenen usw. freisetzt.
Bei der Ultraschallextraktion werden hochwertige Extrakte gewonnen, da zur Freisetzung der Cannabinoide keine scharfen, giftigen Lösungsmittel verwendet werden müssen. Die Ultraschallextraktion kann beispielsweise mit Wasser, einem Wasser-Alkohol-Gemisch, Alkohol oder Öl (Olive, Kokosnuss) als Lösungsmittel durchgeführt werden. Dies macht die ultraschallgestützte Extraktion (UAE) deutlich umweltfreundlicher.
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Die milden Extraktionsbedingungen der Ultraschallbehandlung führen zu einem Extrakt, der die gleichen, aber verstärkten Eigenschaften des Rohmaterials (z.B. Hanf, Marihuana) bietet - mit überlegener gesundheitlicher Wirkung, Geschmack und Geruch.
Hielscher Ultraschallextraktoren können präzise gesteuert werden. Durch die volle Kontrolle über die Prozessparameter wie Intensität und Temperatur kann eine außergewöhnlich hohe Extraktqualität erzielt werden. Da es sich bei der Beschallung um ein nicht-thermisches Verfahren handelt, wird ein thermischer Abbau von hitzeempfindlichen Bestandteilen vermieden. Extraktionstemperaturen zwischen 0-60°C sind optimal für hochwertige Extrakte.
Ein weiterer Vorteil der Ultraschallextraktion ist der schnelle Prozess: Der gesamte Extraktionsprozess dauert nur wenige Minuten, um die Cannabinoide aus den Pflanzenzellen freizusetzen, während andere Extraktionsverfahren Stunden oder sogar Tage für die Verarbeitung benötigen.
Sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten sind im Vergleich zu alternativen Extraktoren, z. B. superkritischen CO2-Extraktoren, minimal. Ultraschallextraktionssysteme bieten einen sehr schnellen RoI.
UP400St zur Extraktion von Cannabinoiden aus Hanf
- Hochwertige Extrakte
- vollständigere Extraktion
- Hohe Extraktionsrate
- Vollspektrum-Extrakt
- Verwendung verschiedener Lösungsmittel
- nicht toxisch
- Nicht-thermische (kalte) Methode
- Schneller Extraktionsprozess
- Sicher und einfach zu bedienen
- lineare Skalierbarkeit
Hanf vs. Marihuana
Cannabis ist eine Pflanzenfamilie, die man in folgende Kategorien einteilen kann C. Indica und C. Sativa. Hanf und Marihuana sind Arten der Cannabis Sativa-Pflanze.
Beim Vergleich von Hanf und Marihuana gibt es einen großen Unterschied; während Hanf eine sehr geringe Konzentration an THC (0,3% oder weniger) enthält, ist THC in Marihuana mit Konzentrationen zwischen 15% und 40% reichlich vorhanden.
Deshalb wurde Hanf bis vor kurzem vor allem für industrielle Zwecke angebaut. Heutzutage wird Hanf auch wegen seines CBD-Gehalts geschätzt. CBD ist ein nicht-psychoaktives Cannabinoid, das entzündungshemmende, anxiolytische Eigenschaften hat. Marihuana wird hauptsächlich wegen seines THC-Gehalts angebaut. THC ist dafür bekannt den sogenannten "High"-Effekt zu bewirken und wird zur Entspannung konsumiert sowie für medizinische Zwecke eingesetzt.
Hanföl und CBD, das wichtigste Cannabinoid im Hanf, machen nicht "high" und sind vielversprechende Substanzen, welche verabreicht werden, um Angstzuständen, chronischen Entzündungen, Autoimmunerkrankungen, Schmerzen, Kopfschmerzen und Migräne, Magen-Darm-Erkrankungen und andere Beschwerden zu lindern.
Der Sonotrodenschallkopf UP400St ist ein beliebter Ultraschallextraktor für die Isolierung von CBD, THC, CBG, CBN, anderen Canabinoiden sowie Terpenen aus Hanf und Marihuana.
Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren
Hielscher Ultrasonics bietet kleine, mittelgroße und industrielle Ultraschallprozessoren, welche rund um die Uhr (24/7) unter Volllast betrieben werden können. In Abhängigkeit von Ihrem Rohstoff und Ihrem Prozessvolumen können wir Ihnen ein auf Ihre Bedürfnisse zugeschnittenes Ultraschall-Extraktionssystem anbieten. Sie können zwischen Batch- und kontinuierlicher Extraktion wählen. Ein späteres Scale-up auf größere Prozesskapazitäten ist problemlos möglich, da Ultraschallprozesse linear skaliert werden können.
Hielscher Pilot- und Industriesysteme können sehr hohe Amplituden liefern – die Amplituden von bis zu 200µm zuverlässig und kontinuierlich im 24/7-Betrieb fahren können. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Hielscher-Sonotroden ermöglicht den Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Als langjähriger Hersteller von Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren ist Hielscher Ihr zuverlässiger Partner für anspruchsvolle Extraktionen. Wir beraten und unterstützen unsere Kunden mit unserem Wissen und begleiten sie von der Machbarkeitsprüfung bis zur industriellen Installation.
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Installation des Hielscher UIP4000hdT, eines 4kW-Ultraschallextraktors, für die industrielle Gewinnung.
Literatur / Literaturhinweise
- 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.
- Uzma Altaf, A Rouf, Varsha Kanojia, Qudsiya Ayaz, Imtiyaz Zargar (2018): Ultrasound treatment: A novel processing technique for food preservation. The Pharma Innovation Journal 2018; 7(2): 234-241.
- Renata Vardanega, Diego T. Santos, M. Angela A. Meireles (2014): Intensification of bioactive compounds extraction from medicinal plants using ultrasonic irradiation. Pharmacogn Rev. 2014 Jul-Dec; 8(16): 88–95.
Wissenswertes
Die Ultraschallextraktion hat sich zur effektivsten und benutzerfreundlichsten Technik für die Extraktion von bioaktiven Verbindungen aus Pflanzenmaterial entwickelt. Das prominenteste Beispiel für eine erfolgreiche Extraktion ist die Isolierung von CBD und anderen Cannabinoiden aus Cannabis- und Hanfpflanzen.
Ultraschall vs. konventionelle Extraktionsverfahren
Das Einweichen in Ethanol ist eine einfache Methode, die allerdings sehr zeitaufwendig ist. Zudem ist die Prozesskapazität begrenzt und Lösungsmittel- und Energiekosten sind hoch. Restlösungsmittel im Endprodukt beeinträchtigen die Produktqualität und damit das Ziel, ein hochwertiges Extrakt herzustellen.
Die Extraktion mit einem geschlossenen Kohlenwasserstoffsystem erfordert den Einsatz fossiler Brennstoffe, so dass krebserregende Stoffe wie Benzol im Endprodukt zu finden sind.
Überkritische CO2-Extraktionssysteme sind sowohl hinsichtlich der Investitionskosten als auch des Energieverbrauchs hoch. Überkritische CO2-Extraktionsanlagen erfordern gut geschultes Personal, da der Betrieb der unter hohem Druck stehenden CO2-Systeme gefährlich ist. Wenn CO2 entweicht, kann dies zum Erstickungstod der anwesenden Arbeiter führen.
Die kritische Wasserextraktion ist eine umweltfreundliche Alternative, die langsam ist und nur einen kleinen Teil der bioaktiven Verbindungen freisetzt.
Ultraschall-Extraktion
Die Ultraschallextraktion ist eine intensivierende Extraktionstechnik, die in Kombination mit folgenden Verfahren eingesetzt werden kann: mit Wasser (lösungsmittelfrei) sowie mit Lösungsmittel wie Ethanol, Ethanol-Wasser, Glycerin, Methanol, Pflanzenölen oder anderen Lösungsmitteln der Wahl. Die Ultraschallextraktion fördert den Stoffaustausch, so dass Extraktausbeuten von 95-99% erzielt werden können. . Die Ultraschallextraktion lässt sich leicht skalieren und liefert hochwertige Extrakte.
Ein kleines Ultraschallextraktionsgerät wie das UP400St (400 W) ist in der Lage, eine Charge von bis zu 10 l innerhalb von 5-15 Minuten zu verarbeiten (abhängig von Prozessparametern wie Rohmaterial (frisch oder getrocknet; Knospen, Blätter, Stängel), Lösungsmittel, Temperatur).
Das 2 kW starke Ultraschallextraktionsgerät UIP2000hdT kann als Inline-System betrieben werden. Im Durchflussmodus verarbeitet der UIP2000hdT problemlos 200 bis 800L/h (ebenfalls abhängig von den Prozessparametern).
Die Investitionskosten für einen Ultraschallprozessor sind im Vergleich zu einem CO2-Extraktor gering. Auch die Energiekosten für den Betrieb sind vernachlässigbar. Ultraschallextraktoren sind sehr sicher im Betrieb, leicht zu reinigen und erfordern nur sehr wenig Wartung.
Cannabis
Die bioaktiven Verbindungen der Cannabispflanze (Hanf und Marihuana) haben in der jüngeren Vergangenheit viel Aufmerksamkeit erregt. Insbesondere für das Cannabinoid Cannabidiol (CBD) wurden viele gesundheitliche Vorteile nachgewiesen, die von krebsbekämpfenden und entzündungshemmenden Eigenschaften bis hin zu schmerzlindernden und antidepressiven Wirkungen reichen. Neben Cannabidiol enthält die Cannabispflanze zahlreiche andere Cannabinoide wie THC (Tetrahydrocannabinol), Cannabinol (CBN), Cannabigerol (CBG), Cannabichromen (CBC) und Cannabinodiol (CBND). Cannabinoide haben ein enormes therapeutisches Potenzial gezeigt und stehen im Mittelpunkt vieler Forschungsarbeiten.
Das Zusammenspiel der verschiedenen Cannabinoide und anderer bioaktiver Verbindungen wie Terpene, Polyphenole, Flavonoide und Alkaloide scheint zu noch besseren gesundheitlichen Vorteilen zu führen. Das Zusammenspiel von verschiedenen Terpenen, verschiedenen Cannabinoiden und anderen Pflanzenstoffen wird als „Entourage-Effekt“ bezeichnet. Aufgrund dieses Entourage-Effektes sind Vollspektrum-Extrakte, die durch die ultraschall-gestützte Extraktion (UAE) erfolgreich gewonnen werden, für ihre außergewöhnlichen therapeutischen Effekte bekannt.
Cannabis Terpene
Terpenoide sind ätherische Ölbestandteile, die in der Pflanzenwelt zu finden sind. Die Cannabispflanze ist sehr reich an Terpene . In Cannabis sind Terpene in den Trichomen der Pflanze zu finden. Die Trichome sind die glänzenden, klebrigen Kristalle, die an den Blättern und Knospen haften. Diese Trichome sind der natürliche Abwehrmechanismus der Cannabispflanze, der die Pflanze vor Insekten und Tieren schützt. Durch den intensiven Geruch wirken die Terpene auf Insektenschädlinge abweisend. Für uns Menschen ist das auffälligste Merkmal der Cannabisterpene ihr aromatischer Geruch. Diese Terpene tragen zu den vielfältigen gesundheitlichen Vorteilen der Cannabispflanze (Hanf und Marihuana) bei.
Neben ihrem Aroma und Duft sind Terpene botanische Substanzen, welche verschiedene medizinische Vorteile bieten.
Sowohl Marihuana als auch Hanf der Gattung Cannabis Sativa enthalten eine außergewöhnliche Menge an Terpenoiden. Es sind mehr als 100 verschiedene Arten Terpene und Terpenoide der Cannabis -Pflanze bekannt.
Jedes Terpen hat einzigartige Eigenschaften, die von beruhigend bis hin zu aufputschend reichen. Nerolidol hat zum Beispiel beruhigende und angstlösende Wirkungen, Linalool hilft bei der Behandlung von Angst- und Arthritissymptomen, während Myrcen bekanntlich chronische Schmerzen lindern. Die Terpene β-Myrcen, Ɣ-Pinen und Humulen reduzieren Entzündungen und wirken schmerzstillend.
Einige Terpene sind einzig in der Cannabis-Pflanze zu findne, zahlreiche andere der in Cannabis vorkommenden Terpene sind auch in anderen Pflanzen vorhanden. Caryophyllen kommt z.B. in grünem Blattgemüse, Hopfen sowie in Rosmarin und Oregano vor. Limonen ist das wichtigste Terpen, das in Zitrusfrüchten wie Zitronen und Orangen vorkommt.
Der Entourage-Effekt
Jedes Terpen ist für seine spezifischen therapeutischen Effekte bekannt. Es ist bekannt, dass Terpene und andere botanische Verbindungen wie Polyphenole und Flavonoide außergewöhnliche synergetische Effekte aufweisen, wodurch sie zu einer verbesserten Symbiose zwischen Cannabinoiden beitragen. Dieses Zusammenspiel verschiedener bioaktiver Verbindungen heißt „Entourage-Effekt„.
Der Entourage-Effekt macht Terpene bioverfügbarer und hilft dem Körper, die Cannabinoide effizienter aufzunehmen.
Verschiedenen Arten bioaktiver Verbindungen
Die Anzahl, Konzentration und Vielfalt der bioaktiven Verbindungen sind für die medizinischen Eigenschaften eines botanischen Extrakts verantwortlich. Diese bioaktiven Verbindungen werden als sekundäre Metabolite synthetisiert, die nicht zum Wachstum oder zur Photosynthese in Pflanzen beitragen. Sie sind jedoch entscheidend für das ‘ Überleben der Pflanzen und deren Interaktion mit ihrer Umgebung. Botanische bioaktive Verbindungen lassen sich grob in die drei Klassen der Terpene und Terpenoide, Alkaloide und Phenolverbindungen unterteilen. Phenolische Verbindungen sind die am weitesten verbreitete Gruppe von sekundären Metabolite (Stoffwechselprodukte) im Pflanzenreich und sind bekannt und geschätzt für ihre antioxidative Wirkung. Eine weitere wichtige Klasse niedermolekularer Phenolverbindungen sind die Flavonoide, die ebenfalls eine sehr starke antioxidative Wirkung zeigen.
Das Spektrum der phenolischen Verbindungen umfasst Phenolsäuren wie Benzoe- und Hydroxycinnamsäuren, Flavonoide wie Flavone und Flavonole, Lignane und Stilbene. Ein Vollspektrum-Extrakt (z.B. mittels Ultraschall-Extraktion aus Cannabis hergestellt) beinhaltet all diese verschiedenen botanischen Verbindungen, welche die vielfältigsten gesundheitlichen Auswirkungen aufweisen.
Das Wirkprinzip der Ultraschallextraktion
Die Ultraschallextraktion basiert auf akustischen Wellen (Ultraschall), welche in ein flüssiges Medium gekoppelt werden. Intensive Ultraschallwellen erzeugen Hochdruck-/Niederdruckzyklen. Durch die Druckunterschiede, welche durch die Ausbreitung der Ultraschallwellen in der Flüssigkeit erzeugt werden, entstehen Kavitationsblasen. Die Implosion dieser Kavitationsblasen führt zu energiegeladenen Bedingungen.
Die Ultraschallextraktion von Wirkstoffen und ätherischen Ölen basiert auf dem Funktionsprinzip der Akustische Kavitation. Die obige Abbildung zeigt den Effekt der Implosion einer Kavitationsblase und die daraus resultierende Freisetzung von ätherischem Öl aus Pflanzenmaterial.
Quelle: Altaf et al. 2018
In der Nähe der implodierenden Kavitationsblasen können äußerst extreme Kräfte auftreten. – mit Temperaturen bis zu 4500°C und Drücken bis zu 100 MPa. Die Implosion und die daraus resultierenden Druckdifferenzen führen zu sehr hohen Scherkräften und Turbulenzen im kavitativen Hot Spot. Die Kombination dieser Faktoren von Druckdifferenzen, Temperaturdifferenzen und Scherung fördert den Stoffaustausch und damit Extraktionsprozesse. Durch die intensiven Ultraschallkavitationskräfte werden Zellen (z.B. von Pflanzen, Bakterien oder Geweben) aufgeschlossen und das intrazelluläre Material (wie Öle, Lipide, Proteine und Wirkstoffe) wird in das umgebende Lösungsmittel abgegeben.
Die Ultraschallextraktion ist daher die bevorzugte Methode zur Intensivierung von Extraktionsprozessen.
Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.
Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.