Hielscher Ultraschalltechnik

Ultraschallextraktion von CBD aus der Hanfpflanze

  • Für die Cannabis sativa-Pflanze lassen sich zwei Arten unterscheiden: Marihuana und Hanf.
  • Ultraschall ist bekannt als überlegene Methode zur Isolierung von Cannabinoiden aus Marihuana und Hanf.

Hanf vs. Marihuana

Cannabis sativa PflanzeCannabis ist eine Familie von Pflanzen, die man in folgende Kategorien einteilen kann C. Indica und C. Sativa. Hanf und Marihuana sind Arten von Cannabis Sativa.
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 Marihuana mit Konzentrationen zwischen 15% und 40% in THC reichlich vorhanden.
Deshalb wird Hanf bis vor kurzem vor allem für industrielle Zwecke angebaut. Heutzutage wird Hanf auch wegen seiner CBD-Ausbeute geschätzt. CBD ist ein nicht-psychotoxisches Cannabinoid, das entzündungshemmende, anxiolytische Eigenschaften hat. Marihuana wird hauptsächlich wegen seines THC-Gehalts angebaut, der für Freizeit- und medizinische Zwecke verwendet wird.

Hanföl und CBD, das wichtigste Cannabinoid im Hanf, sind vielversprechende Substanzen, die verabreicht werden, um bei medizinischen Problemen wie Angstzuständen, chronischen Entzündungen, Autoimmunerkrankungen, Schmerzen, Kopfschmerzen und Migräne, Magen-Darm-Erkrankungen und anderen zu helfen.

Ultraschallextraktion von Cannabinoiden

Die Ultraschallextraktionstechnologie ist hocheffizient, um die Wirkstoffe (z.B. Cannabinoide (CBDTHC, CBG), Ätherische Öle, Terpene etc.) aus dem Pflanzenmaterial wie Knospen, Blätter und Stängel.
Die Ultraschallextraktion übertrifft herkömmliche Extraktionstechniken mit zahlreichen Vorteilen:
Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) ist bekannt als eine prozessverstärkende Technik, die den Stoffaustausch verbessert und Freisetzungen ermöglicht. Höhere Erträge von bioaktiven Verbindungen wie Cannabinoiden, Terpenen etc.
Ultraschall erzeugt hochwertige Extrakte da die Ultraschallextraktion keine Verwendung von harten, giftigen Lösungsmitteln erfordert, um Cannabinoide freizusetzen. Die Ultraschallextraktion kann mit Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Alkohol oder Öl (Olive, Kokosnuss) durchgeführt werden als Lösungsmittelzum Beispiel. Damit ist die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) signifikant. umweltfreundlicher.
Die milden Extraktionsbedingungen der VAE führen zu einem Extrakt, der die gleichen, aber intensivierten Eigenschaften des Rohstoffs (z.B. Hanf, Marihuana) bietet - mit hervorragenden Gesundheitseffekten, Geschmack und Geruch.
Die Ultraschall-Extraktoren von Hielscher lassen sich präzise steuern. Durch die volle Kontrolle über die Prozessparameter wie Intensität und Temperatur kann eine außergewöhnlich hohe Extraktqualität erreicht werden. Da die Ultraschallbehandlung ein nicht-thermisch Verarbeitungsverfahren wird der thermische Abbau von wärmeempfindlichen Bauteilen vermieden. Extraktionstemperaturen zwischen 0-60°C sind optimal für hochwertige Extrakte.
Ein weiterer Vorteil der VAE ist die schnelles Verfahren: Der gesamte Extraktionsprozess dauert nur wenige Minuten, um die Cannabinoide aus den Pflanzenzellen freizusetzen, während andere Extraktionsverfahren Stunden oder gar Tage Verarbeitungszeit erfordern.
Sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten sind im Vergleich zu alternativen Extraktoren, z.B. überkritischen CO2 Extraktoren. Ultraschall-Absauganlagen haben eine sehr schneller RoI.

Hielscher's UP400St is a powerful ultrasonic extractor (Click to enlarge!)

UP400St zur Gewinnung von Cannabinoiden aus Hanf

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Vorteile der Ultraschallextraktion

  • Hochwertige Extrakte
  • vollständigere Extraktion
  • hohe Extraktionsrate
  • Vollspektrum-Extrakt
  • Verwendung von verschiedenen Lösungsmitteln
  • nicht toxisch
  • Nicht-thermische (kalte) Methode
  • Schneller Extraktionsprozess
  • Sicher und einfach zu bedienen
  • die lineare Skalierbarkeit

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren

Hielscher Ultrasonics‘ Angebote kleine, mittelgroß und Industriell Ultraschallprozessoren, die rund um die Uhr betrieben werden können. Abhängig 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.
Die Pilot- und Industriesysteme von Hielscher können sehr hohe Amplituden liefern. – ermöglicht es, Amplituden von bis zu 200µm zuverlässig und kontinuierlich im 24/7-Betrieb zu betreiben. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den Einsatz bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Als langjähriger Hersteller von Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren ist Hielscher Ihr zuverlässiger Partner für anspruchsvolle Extraktionen. Wir konsultieren und unterstützen unsere Kunden mit unserem Wissen und führen sie von der Machbarkeitsprüfung bis zur industriellen Installation.
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UIP4000hdT (4kW) Ultraschallprozessor zur Extraktion von Cannabinoiden (CBD, THC) und Terpenen aus Hanf und Marihuana.

Installation von Hielscher's UIP4000hdT, ein 4kW Ultraschall-Extraktor, für die industrielle Extraktion.

Literatur

  • Uzma Altaf, A Rouf, Varsha Kanojia, Qudsiya Ayaz, Imtiyaz Zargar (2018): Ultraschallbehandlung: Eine neuartige Verarbeitungstechnik zur Konservierung von Lebensmitteln. Das Pharma Innovation Journal 2018; 7(2): 234-241.
  • Renata Vardanega, Diego T. Santos, M. Angela A. Meireles (2014): Intensivierung der Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Arzneipflanzen durch Ultraschall-Bestrahlung. Pharmakogn Rev. 2014 Jul-Dez; 8(16): 88-95.
  • Charu Agarwal, Katalin Máthé, Támas Hofmann, Levente Csóka (2018): Ultraschallunterstützte Extraktion von Cannabinoiden aus Cannabis Sativa L. Optimiert durch die Response Surface Methodik. Journal of Food Science, Februar 2018.


Wissenswertes

Die Ultraschallextraktion hat sich zur effektivsten und benutzerfreundlichsten Technik bei der Extraktion von bioaktiven Verbindungen aus Pflanzenstoffen entwickelt. Das prominenteste Beispiel für eine erfolgreiche Extraktion könnte die Isolierung von CBD und anderen Cannabinoiden aus Cannabis sein.

Ultraschall vs. konventionelle Extraktionsverfahren

Das Einweichen in Ethanol ist eine einfache Methode, aber sehr zeitaufwendig, die Prozesskapazität ist begrenzt und die Lösungsmittel- und Energiekosten sind hoch. Restlösungsmittel im Endprodukt stören das Ziel, einen hochwertigen Extrakt herzustellen.
Die Extraktion mit einem geschlossenen Kohlenwasserstoffsystem erfordert den Einsatz fossiler Brennstoffe, so dass krebserregende Stoffe wie Benzol im Endprodukt zu finden sind.
Überkritisches CO2 Absauganlagen sind sowohl in Bezug auf die Investitionskosten als auch auf den Energieverbrauch hoch. Überkritisches CO2 Absauganlagen erfordern gut geschultes Personal für den Betrieb, da die hochdruckbeaufschlagten CO2 Systeme sind betriebsgefährlich. Wenn CO2 Undichtigkeiten, die es verursacht, können zum Tod der anwesenden Arbeiter durch Ersticken 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 Wasser (lösungsmittelfrei) sowie mit Lösungsmittel wie Ethanol, Ethanol-Wasser, Glycerin, Methanol, Pflanzenöle oder andere Lösungsmittel der Wahl. Die Ultraschallextraktion fördert den Stoffaustausch, so dass Extraktausbeute von 95-99%. ist erhältlich. Die Sondierung lässt sich leicht skalieren und liefert hochwertige Extrakte.
Ein kleiner Ultraschallextraktor wie der UIP400St (400W) ist in der Lage, eine Charge von bis zu 10L innerhalb von 5-15min zu verarbeiten (abhängig von Prozessparametern wie Rohstoff (frisch oder getrocknet; Knospen, Blätter, Stiele), Lösungsmittel, Temperatur). Der 2kW leistungsstarke Ultraschall-Extraktor UIP2000hdT kann als Inline-System betrieben werden. Im Durchflussmodus wird der UIP2000hdT verarbeitet problemlos 200 bis 800L/h (auch abhängig von den Prozessparametern).
Die Investitionskosten für einen Ultraschallprozessor sind im Vergleich zu einem CO2 Extraktor. Auch die Energiekosten für den Betrieb sind vernachlässigbar. Ultraschall-Extraktionsgeräte sind sehr betriebssicher, einfach zu reinigen und erfordern einen sehr geringen Wartungsaufwand.

Hielscher Ultrasonics' Extraktoren übertreffen herkömmliche Extraktionsverfahren durch höhere Qualität und vollständigere Extraktionsergebnisse.

Vergleich zwischen Ultraschall (grün) und Steuerung (blau) der Extraktion. Quelle: Agarwal et al. 2018

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 heißt „Entourage-Effekt“. Aufgrund dieser Begleiterscheinungen sind Vollspektrum-Extrakte, die durch ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) erfolgreich gewonnen werden können, 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 werden Terpene in den Trichomen der Pflanze hergestellt. 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 duftenden Geruch wirken die Terpene abweisend. Für uns Menschen ist das auffälligste Merkmal von Cannabisterpenen ihr Geruch. Diese Terpene tragen zu den vielfältigen gesundheitlichen Vorteilen der Cannabispflanze (Hanf und Marihuana) bei. Einige wenige Terpene wie THC wirken als psychoaktive Substanz und verursachen die Bildung von „High“ Effekt.
Terpenmoleküle sind neben ihrem Aroma und Duft starke botanische Substanzen, die verschiedene medizinische Vorteile bieten.
Sowohl Marihuana als auch Hanf der Gattung Cannabis Sativa enthalten eine außergewöhnliche Menge an Terpenoiden und mehr als 100 verschiedene Arten dieser Substanzen.
Jede Terpene hat einzigartige Eigenschaften, die von Beruhigungsmitteln bis hin zu Aufputschmitteln 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, ?-Pinen und Humulen reduzieren Entzündungen und wirken schmerzstillend.
Verschiedene Terpene sind einzigartig für Cannabis, aber viele der im Cannabis vorkommenden Terpene sind auch in mehreren anderen Pflanzen vorhanden. Caryophyllen kommt z.B. in grünem Blattgemüse vor, Hopfen sowie in Rosmarin und Oregano. Limonen ist die wichtigste Terpene, die in Zitrusfrüchten wie Zitronen und Orangen vorkommt.

Der Entourage-Effekt

Jede Terpene ist für ihre spezifischen therapeutischen Effekte bekannt. Es ist jedoch bekannt, dass Terpene und andere botanische Verbindungen wie Polyphenole und Flavonoide außergewöhnliche synergetische Effekte aufweisen, die zu einer verbesserten Symbiose zwischen Cannabinoiden führen. Dieses Zusammenspiel verschiedener bioaktiver Verbindungen wird als „Entourage-Effekt„.
Der Entourage-Effekt macht Terpene bioverfügbarer und hilft dem Körper, die Cannabinoide effizienter aufzunehmen.

Arten von bioaktiven Verbindungen

Die Anzahl, Konzentration und Vielfalt der bioaktiven Verbindungen sind für die medizinischen Eigenschaften eines botanischen Extrakts verantwortlich. Diese bioaktiven Verbindungen werden als sekundäre Metaboliten synthetisiert, die nicht zum Wachstum oder zur Photosynthese in Pflanzen beitragen. Sie sind jedoch entscheidend für die Anlagen.‘ Überleben und Interaktion mit seiner Umgebung. Botanische bioaktive Verbindungen lassen sich grob in die drei Klassen von Terpenen und Terpenoiden, Alkaloiden und Phenolverbindungen einteilen. Phenolische Verbindungen sind die am weitesten verbreitete Gruppe von sekundären Stoffwechselprodukten 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. erhalten durch ultraschall-extraktion aus cannabis) beinhaltet all diese verschiedenen botanischen Verbindungen, die die vielfältigsten gesundheitlichen Auswirkungen aufweisen.

Das Funktionsprinzip der Ultraschallextraktion

Die Ultraschallextraktion basiert auf akustischen Wellen (Ultraschall), die in ein flüssiges Medium gekoppelt sind. Intensive Ultraschallwellen erzeugen Hochdruck-/Niederdruckzyklen. Durch Druckunterschiede bei der Ausbreitung von Ultraschallwellen durch die Flüssigkeit entstehen Kavitationsblasen. Die Implosion dieser Kavitationsblasen führt zu energiegeladenen Bedingungen.

Ultraschall-Extraktion von ätherischen Ölen und Wirkstoffen aus botanischem Material.

Die Ultraschallextraktion von Wirkstoffen und ätherischen Ölen basiert auf dem Funktionsprinzip von akustische Kavitation. Die obige Abbildung zeigt den Effekt eines Zusammenbruchs der Kavitationsblase und die daraus resultierende Freisetzung von ätherischem Öl aus Pflanzenmaterial.
Quelle: Altaf et al. 2018

Die Bedingungen in der Nähe von implodierenden Kavitationsblasen können extrem sein. – mit Temperaturen bis zu 4500°C und Drücken bis zu 100 MPa. Die Einschließung und die daraus resultierenden Druckdifferenzen führen zu sehr hohen Scherkräften und Turbulenzen im kavitativen Hot Spot. Die Kombination dieser Faktoren von Druckdifferenzen, Wärmedifferenzen und Scherung fördert den Stoffaustausch und damit Extraktionsprozesse. Durch die intensiven Ultraschallkavitationskräfte werden Zellen (z.B. von Pflanzen, Bakterien oder Geweben) gestört und das intrazelluläre Material (wie Öle, Lipide, Proteine und Wirkstoffe) in das umgebende Lösungsmittel abgegeben.
Die Ultraschallextraktion ist daher die bevorzugte Methode zur Intensivierung von Extraktionsprozessen.

Die ultraschall-akustische Kavitation erzeugt hochintensive Kräfte, die die als Lyse bezeichneten Zellwände öffnen (Zum Vergrößern anklicken!).

Die Ultraschallextraktion basiert auf der akustischen Kavitation und ihren hydrodynamischen Scherkräften.

Hielscher Ultrasonics produziert leistungsstarke Ultraschallgeräte für Vollspektrum-Extrakte.

Hochleistungs-Ultraschall-Extraktoren vom Labor- über den Pilot- bis zum industriellen Maßstab.