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.
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.
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 (engl. ultrasonically assisted extraction; UAE) ist bekannt als eine prozessintensivierende Technik, die den Stoffaustausch verbessert, die Freisetzung bioaktiver Substanzen sowie Höhere Erträge der bioaktiven Verbindungen wie Cannabinoide, Terpene etc. ermöglicht.
Ultraschall erzeugt hochwertige Extrakte , da die Ultraschallextraktion auf den Einsatz harscher, giftiger Lösungsmitteln verzichtet. Die Ultraschallextraktion kann mit Wasser, Wasser-Alkohol-Gemischen, Alkohol oder Öl (z.B. MCT-, Oliven-, Kokosnussöl) als Lösungsmittel durchgeführt werden. Damit ist die ultraschall-gestützte Extraktion (UAE) deutlich umweltfreundlicher.
Die milden Prozessbedingungen der ultraschall-gestützten Extraktion (engl. ultrasonically-assisted extraction; UAE) resultieren in einem Extrakt, das die gleichen, allerdings konzentrieretne Eigenschaften des Rohstoffs (z.B. Hanf, Marihuana) bietet - mit hohen gesundheitsfördernenden Effekten sowie authentischem Geschmack und Geruch.
Die Ultraschall-Extraktoren von Hielscher lassen sich präzise steuern. Durch die vollständige Kontrolle über die Prozessparameter wie Intensität und Temperatur kann eine außergewöhnlich hohe Extraktqualität erreicht werden. Da die Ultraschallbehandlung ein nicht-thermisch es Verarbeitungsverfahren ist, wird die thermische Zersetzung von wärmeempfindlichen Inhaltsstoffen vermieden. Extraktionstemperaturen zwischen 0-60°C sind optimal für hochwertige Extrakte.
Ein weiterer Vorteil der UAE ist, dass es sich um ein besonders schnelles Verfahrenhandelt: 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 zu vernachlässigen. Ultraschall-Extraktionsanlagen amortisieren sich in sehr kurzer Zeit - sehr schneller RoI.
UP400St zur Extraktion von Cannabinoiden aus Hanf
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.
Die Pilot- und Industriesysteme von Hielscher können sehr hohe Amplituden liefern – Amplituden von bis zu 200µm können zuverlässig und kontinuierlich im 24/7-Betrieb erzeugt werden. 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 beraten und unterstützen unsere Kunden mit unserem Wissen und begleiten sie von der Machbarkeitsprüfung bis zur industriellen Installation.
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- Hochwertige Extrakte
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- Verwendung verschiedener Lösungsmittel
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- Schneller Extraktionsprozess
- Sicher und einfach zu bedienen
- lineare Skalierbarkeit
Installation eines Hielscher's UIP4000hdT, einem 4kW Ultraschall-Extraktor, für die industrielle Extraktion.
Literatur
- 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.
Überkritisches CO2 Extraktionsanlagen sind sowohl hinsichtlich der Investitionskosten als auch des hohen Energieverbrauches ungünstig. Überkritisches CO2 Extraktionsanlagen erfordern gut geschultes Personal für den Betrieb, da der Betrieb der hochdruckbeaufschlagten CO2 Systeme gefährlich ist. Wenn CO2 durch Undichtigkeit des Systems leckt, kann das austretende Gas 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: 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 kleiner Ultraschallextraktor wie der UIP400St (400W) ist in der Lage, einen Batch 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 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 äußerst niedrig. Auch die Energiekosten für den Betrieb sind vernachlässigbar. Ultraschall-Extraktionsgeräte sind sehr betriebssicher, einfach zu reinigen und erfordern einen sehr geringen Wartungsaufwand.
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.