Ultraschallextraktion mit Hanf als Rohstoff
- Bei der Pflanze Cannabis sativa lassen sich zwei Arten unterscheiden: Marihuana und Hanf.
- Ultraschall ist als überlegenes Verfahren zur Isolierung von Cannabinoiden sowohl aus Marihuana als auch aus Hanf bekannt.
Ultraschallextraktion von Cannabinoiden
Die Ultraschallextraktion ermöglicht eine hocheffiziente Freisetzung der Wirkstoffe aus Pflanzenmaterial wie Blüten, Blättern und Stängeln. Zu diesen Wirkstoffen gehören Cannabinoide (CBD, THC, CBG), ätherische Öle, Terpene usw.
Die Ultraschallextraktion ist herkömmlichen Extraktionsverfahren aufgrund verschiedener Vorteile überlegen:
Die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) ist als Verfahren zur Prozessintensivierung bekannt, das den Stofftransport verbessert und höhere Ausbeuten an bioaktiven Verbindungen wie Cannabinoiden, Terpenen usw. ermöglicht.
Die Ultraschallbehandlung liefert hochwertige Extrakte, da die Ultraschallextraktion keine aggressiven, toxischen Lösungsmittel zur Freisetzung der Cannabinoide erfordert. Als Lösungsmittel können bei der Ultraschallextraktion beispielsweise Wasser, Wasser-Alkohol-Gemische, Alkohol oder Öl (Olivenöl, Kokosöl) eingesetzt werden. Dies macht die ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) deutlich umweltfreundlicher.
Erfahren Sie mehr über die richtige Wahl der Lösungsmittel für die Ultraschallextraktion!
Die milden Extraktionsbedingungen der Ultraschallbehandlung ergeben einen Extrakt, der dieselben Eigenschaften wie der Rohstoff aufweist, jedoch in verstärkter Form (beispielhaft genannt: Hanf, Marihuana) – mit überlegenen gesundheitlichen Wirkungen sowie intensiverem Geschmack und Geruch.
Ultraschallextraktoren von Hielscher lassen sich präzise steuern. Durch die vollständige Kontrolle über Prozessparameter wie Intensität und Temperatur lässt sich eine außergewöhnlich hohe Extraktqualität erzielen. Da die Beschallung ein nichtthermisches Verarbeitungsverfahren ist, wird der thermische Abbau wärmeempfindlicher Bestandteile vermieden. Extraktionstemperaturen von 0–60°C sind optimal für besonders hochwertige Extrakte.
Ein weiterer Vorteil der Ultraschallextraktion ist der schnelle Prozess: Der gesamte Extraktionsprozess benötigt nur wenige Minuten, um die Cannabinoide aus den Pflanzenzellen freizusetzen, während andere Extraktionsverfahren Stunden oder sogar Tage an Verarbeitungszeit erfordern.
Sowohl die Investitions- als auch die Betriebskosten sind im Vergleich zu alternativen Extraktoren minimal (beispielhaft genannt: Extraktoren mit überkritischem CO2). Ultraschallextraktionssysteme amortisieren sich sehr schnell.
UP400St zur Extraktion von Cannabinoiden aus Hanf
- Hochwertige Extrakte
- Vollständigere Extraktion
- Hohe Extraktionsrate
- Vollspektrumextrakt
- Einsatz verschiedener Lösungsmittel
- Nicht toxisch
- Nichtthermisches (kaltes) Verfahren
- Schneller Extraktionsprozess
- Sicher und einfach zu bedienen
- Lineare Skalierbarkeit
Hanf vs. Marihuana
Cannabis ist eine Pflanzenfamilie mit folgender Unterteilung: C. Indica und C. Sativa. Hanf und Marihuana sind Arten von Cannabis Sativa.
Beim Vergleich von Hanf und Marihuana zeigt sich ein großer Unterschied: Während Hanf eine sehr niedrige THC-Konzentration aufweist (0,3% oder weniger), ist Marihuana mit Konzentrationen zwischen 15% und 40% reich an THC.
Daher wurde Hanf bis vor Kurzem hauptsächlich für industrielle Zwecke angebaut. Heute wird Hanf auch wegen seiner CBD-Ausbeute geschätzt. CBD ist ein nicht psychoaktives Cannabinoid mit entzündungshemmenden und angstlösenden Eigenschaften. Marihuana wird hauptsächlich wegen seines THC-Gehalts angebaut; THC wird als Genussmittel und für medizinische Zwecke verwendet.
Hanföl und CBD, das wichtigste in Hanf vorkommende Cannabinoid, sind vielversprechende Substanzen, die unter anderem zur Linderung von Angstzuständen, chronischen Entzündungen, Autoimmunerkrankungen, Schmerzen, Kopfschmerzen und Migräne sowie Magen-Darm-Erkrankungen verabreicht werden.
Das Ultraschallgerät UP400St mit Sonotrode ist ein beliebter Ultraschallextraktor zur Isolierung von CBD, THC, CBG, CBN, weiteren Cannabinoiden sowie Terpenen aus Hanf und Marihuana.
Hochleistungs-Ultraschallextraktoren
Hielscher Ultrasonics bietet kleine, mittelgroße und industrielle Ultraschallprozessoren an, die im 24/7-Betrieb eingesetzt werden können. Abhängig von Ihrem Rohstoff und Prozessvolumen können wir Ihnen ein Ultraschallextraktionssystem anbieten, das Ihren Anforderungen entspricht. Sie können zwischen chargenweiser und kontinuierlicher Extraktion wählen. Eine spätere Maßstabsvergrößerung auf höhere Verarbeitungskapazitäten ist problemlos möglich, da sich Ultraschallprozesse linear skalieren lassen.
Die Pilot- und Industriesysteme von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen – Amplituden von bis zu 200µm lassen sich zuverlässig und kontinuierlich im 24/7-Betrieb nutzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden verfügbar. Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen.
Als Hersteller mit langjähriger Erfahrung im Bau leistungsstarker Ultraschallextraktoren ist Hielscher Ihr zuverlässiger Partner für anspruchsvolle Extraktionsaufgaben. Wir beraten und unterstützen unsere Kunden mit unserem Fachwissen und begleiten sie von Machbarkeitstests bis zur industriellen Installation.
Kontaktieren Sie uns jetzt! Wir besprechen gerne Ihre Anforderungen an die Extraktion mit Ihnen!
Kontaktieren Sie uns! / Fragen Sie uns!
Installation des UIP4000hdT von Hielscher, eines Ultraschallextraktors mit 4kW, für die industrielle Extraktion.
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.
- 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 zum effektivsten und anwenderfreundlichsten Verfahren zur Extraktion bioaktiver Verbindungen aus Pflanzen entwickelt. Das bekannteste Beispiel einer erfolgreichen Extraktion dürfte die Isolierung von CBD und anderen Cannabinoiden aus Cannabis sein.
Ultraschall vs. konventionelle Extraktionsverfahren
Das Einweichen in Ethanol ist ein einfaches Verfahren, jedoch sehr zeitaufwendig. Die Verarbeitungskapazität ist begrenzt, und die Lösungsmittel- und Energiekosten sind hoch. Lösungsmittelrückstände im Endprodukt stehen dem Ziel entgegen, einen hochwertigen Extrakt herzustellen.
Die Extraktion in einem geschlossenen Kohlenwasserstoffsystem erfordert den Einsatz fossiler Brennstoffe, sodass krebserregende Substanzen wie Benzol im Endprodukt vorhanden sein können.
Extraktionssysteme mit überkritischem CO2 weisen hohe Investitionskosten und einen hohen Energieverbrauch auf. Extraktoren mit überkritischem CO2 erfordern gut geschultes Bedienpersonal, da der Betrieb der unter hohem Druck stehenden CO2-Systeme gefährlich ist. Austretendes CO2 kann bei anwesenden Beschäftigten zum Tod durch Ersticken führen.
Die Extraktion mit Wasser unter kritischen Bedingungen ist eine umweltfreundliche Alternative, die langsam abläuft und nur einen kleinen Teil der bioaktiven Verbindungen freisetzt.
Ultraschallextraktion
Die Ultraschallextraktion ist ein Verfahren zur Intensivierung der Extraktion. Sie lässt sich sowohl mit Wasser (lösungsmittelfrei) als auch mit Lösungsmitteln wie Ethanol, Ethanol-Wasser-Gemischen, Glycerin, Methanol, Pflanzenölen oder anderen Lösungsmitteln nach Wahl durchführen. Die Ultraschallextraktion fördert den Stofftransport, sodass Extraktionsausbeuten von 95–99% erzielt werden können. Die Beschallung lässt sich einfach auf einen größeren Maßstab übertragen und liefert hochwertige Extrakte.
Ein kleiner Ultraschallextraktor wie der UP400St (400W) kann eine Charge von bis zu 10L innerhalb von 5–15min verarbeiten (abhängig von Prozessparametern wie Rohstoff (frisch oder getrocknet; Blüten, Blätter, Stängel), Lösungsmittel und Temperatur).
Der Ultraschallextraktor UIP2000hdT mit einer Leistung von 2kW kann als Inline-System betrieben werden. Im Durchflussbetrieb verarbeitet der UIP2000hdT problemlos 200 bis 800L/hr (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 äußerst wartungsarm.
Cannabis
Die bioaktiven Verbindungen der Cannabispflanze (sowohl Hanf als auch Marihuana) haben in jüngster Vergangenheit große Aufmerksamkeit erlangt. Insbesondere für das Cannabinoid Cannabidiol (CBD) wurden zahlreiche gesundheitliche Vorteile nachgewiesen, die von krebsbekämpfenden und entzündungshemmenden Eigenschaften bis hin zu schmerzlindernden und antidepressiven Wirkungen reichen. Neben Cannabidiol enthält die Cannabispflanze zahlreiche weitere Cannabinoide wie THC (Tetrahydrocannabinol), Cannabinol (CBN), Cannabigerol (CBG), Cannabichromen (CBC) und Cannabinodiol (CBND). Cannabinoide haben ein enormes therapeutisches Potenzial gezeigt und stehen im Mittelpunkt zahlreicher Forschungsstudien.
Die Wechselwirkung der verschiedenen Cannabinoide mit anderen bioaktiven Verbindungen wie Terpenen, Polyphenolen, Flavonoiden und Alkaloiden scheint zu noch größeren gesundheitlichen Vorteilen zu führen. Das Zusammenspiel verschiedener Terpene, verschiedener Cannabinoide und anderer Pflanzenstoffe wird als „Entourage-Effekt“ bezeichnet. Aufgrund dieser Entourage-Effekte sind Vollspektrumextrakte, die sich erfolgreich durch ultraschallunterstützte Extraktion (UAE) gewinnen lassen, für außergewöhnliche therapeutische Wirkungen bekannt.
Cannabis-Terpene
Terpenoide sind Bestandteile ätherischer Öle, die in Pflanzen vorkommen. Die Cannabispflanze ist sehr reich an Terpenen. Bei Cannabis werden Terpene in den Trichomen der Pflanze gebildet. Die Trichome sind die glänzenden, klebrigen Kristalle, die an den Blättern und Blüten haften. Diese Trichome bilden den natürlichen Abwehrmechanismus der Cannabispflanze, der sie vor Insekten und anderen Tieren schützt. Aufgrund ihres intensiven Dufts wirken die Terpene abschreckend. Für uns Menschen ist der Geruch das auffälligste Merkmal der Cannabis-Terpene. Diese Terpene tragen zu den vielfältigen gesundheitlichen Vorteilen der Cannabispflanze (Hanf und Marihuana) bei.
Neben ihrem Aroma und Duft sind Terpenmoleküle wirkungsvolle Pflanzenstoffe, die verschiedene medizinische Vorteile bieten.
Sowohl Marihuana als auch Hanf aus der Gattung Cannabis Sativa enthalten außergewöhnlich große Mengen an Terpenoiden und mehr als 100 verschiedene Arten dieser Substanzen.
Jedes Terpen besitzt einzigartige Eigenschaften, die von beruhigend bis stimmungsaufhellend reichen. Beispielsweise wirkt Nerolidol beruhigend und angstlösend, Linalool hilft bei der Linderung von Angst- und Arthritissymptomen, während Myrcen für die Linderung chronischer Schmerzen bekannt ist. Die Terpene β-Myrcen, Ɣ-Pinen und Humulen reduzieren Entzündungen und wirken schmerzlindernd.
Verschiedene Terpene kommen ausschließlich in Cannabis vor, doch viele der in Cannabis enthaltenen Terpene sind auch in mehreren anderen Pflanzen vorhanden. Caryophyllen kommt beispielsweise in grünem Blattgemüse, Hopfen sowie in Rosmarin und Oregano vor. Limonen ist das wichtigste Terpen in Zitrusfrüchten wie Zitronen und Orangen.
Der Entourage-Effekt
Jedes Terpen ist für bestimmte therapeutische Wirkungen bekannt. Terpene und andere Pflanzenstoffe wie Polyphenole und Flavonoide sind jedoch auch für außergewöhnliche synergistische Effekte bekannt, die zu einer verbesserten Symbiose zwischen Cannabinoiden führen. Diese Wechselwirkung verschiedener bioaktiver Verbindungen trägt die Bezeichnung „Entourage-Effekt“.
Der Entourage-Effekt erhöht die Bioverfügbarkeit von Terpenen und hilft dem Körper, Cannabinoide effizienter aufzunehmen.
Arten bioaktiver Verbindungen
Die Anzahl, Konzentration und Vielfalt bioaktiver Verbindungen sind für die medizinischen Eigenschaften eines Pflanzenextrakts verantwortlich. Diese bioaktiven Verbindungen werden als sekundäre Metaboliten synthetisiert, die weder zum Wachstum noch zur Photosynthese der Pflanzen beitragen. Sie sind jedoch entscheidend für das Überleben der Pflanzen und deren Wechselwirkung mit ihrer Umwelt. Bioaktive Pflanzenstoffe lassen sich grob in drei Klassen einteilen: Terpene und Terpenoide, Alkaloide sowie phenolische Verbindungen. Phenolische Verbindungen sind die im Pflanzenreich am weitesten verbreitete Gruppe sekundärer Metaboliten und für ihre antioxidativen Wirkungen bekannt und geschätzt. Eine weitere wichtige Klasse niedermolekularer phenolischer Verbindungen sind die Flavonoide, die ebenfalls sehr starke antioxidative Wirkungen aufweisen.
Das Spektrum phenolischer Verbindungen umfasst Phenolsäuren wie Benzoe- und Hydroxyzimtsäuren, Flavonoide wie Flavone und Flavonole, Lignane und Stilbene. Ein Vollspektrumextrakt (beispielsweise gewonnen durch Ultraschallextraktion aus Cannabis) enthält all diese unterschiedlichen Pflanzenstoffe, die ein besonders breites Spektrum gesundheitlicher Wirkungen aufweisen.
Das Funktionsprinzip der Ultraschallextraktion
Die Ultraschallextraktion beruht auf akustischen Wellen (Ultraschall), die in ein flüssiges Medium eingekoppelt werden. Intensive Ultraschallwellen erzeugen abwechselnde Hochdruck- und Niederdruckphasen. Durch Druckunterschiede bei der Ausbreitung der Ultraschallwellen in der Flüssigkeit entstehen Kavitationsblasen. Die Implosion dieser Kavitationsblasen erzeugt Bedingungen mit hoher Energiedichte.
Die Ultraschallextraktion von Wirkstoffen und ätherischen Ölen beruht auf dem Funktionsprinzip der akustischen Kavitation. Die obige Abbildung zeigt die Wirkung des Kollapses einer Kavitationsblase und die daraus resultierende Freisetzung ätherischen Öls aus Pflanzenmaterial
Quelle: Altaf et al. 2018
In der Nähe implodierender Kavitationsblasen können extreme Bedingungen herrschen – mit Temperaturen von bis zu 4500°C und Drücken von bis zu 100 MPa. Die Implosion und die daraus entstehenden Druckunterschiede erzeugen sehr hohe Scherkräfte und Turbulenzen im Kavitations-Hotspot. Das Zusammenwirken von Druckunterschieden, Temperaturunterschieden und Scherung fördert den Stofftransport und damit die Extraktionsprozesse. Durch die intensiven Kräfte der Ultraschallkavitation werden Zellen aufgeschlossen (beispielhaft genannt: Pflanzen-, Bakterien- oder Gewebezellen), und das intrazelluläre Material (wie Öle, Lipide, Proteine und Wirkstoffe) wird in das umgebende Lösungsmittel freigesetzt.
Die Ultraschallextraktion ist daher das bevorzugte Verfahren zur Intensivierung von Extraktionsprozessen.
Die Ultraschallextraktion beruht auf akustischer Kavitation und den dabei entstehenden hydrodynamischen Scherkräften
Leistungsstarke Ultraschallextraktoren vom Labor- über den Pilot- bis zum Industriemaßstab.