Vakuumtechnik bei der Gewinnung von Cannabinoiden

Die Nutzung der Cannabispflanze zur Herstellung von Arzneimitteln steigt enorm, nachdem sie in vielen Ländern als Heilmittel freigegeben worden ist. Für medizinische Anwendungen sind vor allem die Cannabinoide von Bedeutung. Hauptsächlich die Primärwirkstoffe Cannabidiol (CBD) und Tetrahydrocannabinol (THC) sind aus medizinischer Sicht gefragt. Bei der industriellen Verarbeitung von Cannabis zur Gewinnung von hochwertigem CBD und THC spielt die Vakuumtechnik eine wichtige Rolle. Sie kann zum Trocknen, Extrahieren, Verdampfen und Destillieren verwendet werden. Erst die Vakuumtechnik ermöglicht eine effektive und effiziente Herstellung dieser reinen Wirkstoffe aus den Bestandteilen der Cannabispflanze.

Cannabispflanzen bestehen aus einer Vielzahl von Cannabinoiden, Terpenen und Flavonoiden sowie weiteren Stoffen. Das psychoaktive Cannabinoid THC kann beispielsweise zur Behandlung von Allergien, Schmerztherapie, bei Angst- und Essstörrungen oder in der Krebstherapie eingesetzt werden. Das Cannabinoid CBD fördert die Reaktion des Nervensystems, ist schmerzstillend und entzündungshemmend. Außerdem findet CBD in Nahrungsmitteln und Kosmetika Anwendung. Neben diesen beiden Wirkstoffen sind weitere Produkte aus der Hanfpflanze zu gewinnen, wie beispielsweise gesättigte Fettsäuren, Beta-Carotin, Omega-3-Fettsäuren und Vitamin E.

Die Gewinnung der Wirkstoffe THC und CBD durchläuft verschiedene Prozesse (Abb. 2). Einige von ihnen laufen unter Vakuum ab, um eine möglichst effektive und effiziente Herstellung dieser Wirkstoffe zu ermöglichen. Im Folgenden werden die einzelnen Prozesse beschrieben.

Gefriertrocknung

Bei der industriellen Trocknung der abgeernteten Cannabispflanzen hat sich die Gefriertrockung durchgesetzt. Sie ermöglicht eine schnelle und dennoch schonende Trocknung der Pflanzen beziehungsweise Pflanzenteile, die zu 80 Prozent aus Wasser bestehen. Die Gefriertrocknung beruht auf dem physikalischen Prozess der Sublimation: Wasser geht unter Vakuum direkt vom festen, gefrorenen Zustand in den gasförmigen Zustand über – das Eis verdunstet. Die Cannabispflanzen beziehungsweise deren Bestandteile werden zunächst bei Normaldruck tiefgefroren. Anschließend werden sie einem Vakuum ausgesetzt, in dem gefrorenes Wasser aus dem Produkt sublimiert, also gasförmig wird. So kann das Wasser dampfförmig abgesaugt werden, ohne es zu erhitzen. Das heißt, die Inhaltsstoffe werden weder durch zu hohe Temperaturen noch durch eine lange Trocknungsdauer negativ beeinflusst. Wichtig für diesen Trocknungsprozess ist der richtige Einsatz der Vakuumtechnik. Üblicherweise werden, je nach Anlage, bei der Gefriertrocknung Absolutdrücke von 0,001 bis 0,5 Millibar gefahren.

Eine weitere Trocknungsmethode ist die mikrowellenunterstützte Trocknung. Dieses Verfahren ist schneller als die Gefriertrocknung. Das Druckniveau liegt im Grobvakuumbereich von 10 bis 400 mbar.

Extraktion

Bei der Extraktion wird aus den getrockneten Pflanzenteilen, der sogenannten Biomasse, das Cannabisöl gewonnen. Cannabisöl ist ein Extrakt aus der Cannabispflanze, das unverarbeitet eine Vielzahl von Cannabinoiden enthält. Die wichtigsten sind CBD und THC, deren Anteil zwischen 60 und 80 Prozent beträgt. Außerdem enthält das Cannabisöl ätherische Öle (Terpene), Flavonoide, Lipide, Wachse und Fette. Die Zusammensetzung dieses Rohöls hängt von der Pflanze selbst beziehungsweise von den verwendeten Bestandteilen, dem gewählten Extraktionsverfahren sowie Parametern wie Temperatur, Druckverhältnisse und Zeit ab. Die Kohlenwasserstoff- und Kohlendioxid-Extraktion waren anfänglich die weitverbreitetsten Methoden, das Öl aus der Cannabispflanze zu gewinnen. Beide Extraktionsverfahren machen eine anschließende Winterisierung notwendig. Dabei wird das Rohöl mit Ethanol vermischt, auf -40° Celsius abgekühlt und einer Kaltfiltration unterzogen. Auf diese Weise werden dem Öl die Wachse und Fette entzogen.

Ethanol-Extraktion

Inzwischen hat sich die Ethanol-Extraktion bei der industriellen Verarbeitung der Cannabispflanze durchgesetzt. Dieses Verfahren vereint den hohen Wirkungsgrad der Kohlenwasserstoff-Extraktion mit der hohen Sicherheit der Kohlendioxid-Extraktion. Außerdem wird die Winterisierung überflüssig. Da Ethanol ein sehr wirksames Lösungsmittel ist, das auch unerwünschte Stoffe aus der Biomasse extrahiert, wird mit unterkühltem (kryogenem) Ethanol und unter Vakuum mit Absolutdrücken von 0,001 bis 1 mbar extrahiert (Abb. 3). Dadurch werden die gewünschten Extraktionseigenschaften erreicht.

Das Zwischenprodukt der Extraktion ist jeweils ein Gemisch aus Cannabisöl und Ethanol.

Vakuumverdampfung

Das Cannabisöl/Ethanol-Gemisch wird nun einem Verdampfungsprozess zugeführt, um das darin befindliche Ethanol zu entfernen.Aufgrund des niedrigen Siedepunkts von Ethanol kann dies in Labor- oder Pilotprozessen in einem Rotationsverdampfer bei Raumtemperatur oder geringer Wärmezugabe und einem Grobvakuum von 50 bis 100 mbar erfolgen. Dabei können Flüssigkeitsring-Vakuumpumpen verwendet werden, die mit Ethanol als Betriebsflüssigkeit betrieben werden. Das Ethanol kann über einen Kondensator wieder verflüssigt und dem Kreislauf zugeführt werden. Für den Betrieb im industriellen Maßstab können Dünn- oder Wischfilmverdampfer verwendet werden, um den Großteil des Lösungsmittels, das das Rohöl erzeugt, effizient zu entfernen und mit einem höheren Vakuum zu arbeiten. Nach der Vakuumverdampfung erhält man ein Rohöl mit einer THC/BCD-Konzentration von 60 bis 80 Prozent.

Destillation

Neben den Cannabinoiden befinden sich noch Terpene als aromatische Öle und Flavonoide als bioaktive Geschmacksträger im Cannabis-Rohöl. Diese müssen durch einen Destillationsprozess voneinander getrennt werden. Eines der am meisten eingesetzten und effizientesten Destillationsverfahren ist die sogenannte Kurzwegdestillation. Dabei werden die unterschiedlichen Siedepunkte der einzelnen Bestandteile des Öls unter bestimmten Temperaturen und Drücken zur Trennung voneinander berücksichtigt. Während THC bei Atmosphärendruck bei 157° Celsius zu verdampfen beginnt, verdampft CBD bei 160 bis 180° Celsius. Einzelne Terpene und Flavonoide haben niedrigere Siedepunkte. Durch die Destillation unter Vakuum können die Temperaturen, die zum Kochen der verschiedenen Cannabinoide erforderlich sind, gesenkt werden. Bei der Kurzwegdestillation wird in einem Vakuumbereich von 0,001 bis 1 mbar gearbeitet (Abb. 3). Dabei wird das Öl langsam erwärmt und das Vakuumniveau so justiert, dass Terpene und Flavonoide selektiv verdampfen und durch Kondensierung gewonnen werden können. Als Konzentrat bleibt eine Flüssigkeit, die die Cannabinoide THC und CBD in einer Reinheit von 99 Prozent beinhaltet. In einem zweiten Destillationsschritt wird das THC vom CBD in einem Dünnschichtverdampfer getrennt. Dünnschichtverdampfer arbeiten ähnlich wie Kurzwegdestillatoren mit Vakuum und unterschiedlichen Temperaturen. Wobei grundsätzlich mit gröberen Vakuumniveaus um 1 mbar und höheren Temperaturen destilliert wird. Um die psychoaktive Wirkung des THC zu aktivieren, muss dieses Cannabinoid auf 104° Celsius erhitzt werden, ein Vorgang, den man Decarboxylierung nennt. Wird diese Temperatur während der Destillation nicht erreicht, muss die Decarboxylierung in einem Zwischenschritt vor der Destillation vorgenommen werden. In diesem letzten Prozessschritt werden endgültig reines CBD und THC gewonnen, die nun als Wirkstoffe für verschiedene Anwendungen weiterverarbeitet werden können. Die Verfahren zur Gewinnung von CBD und THC variieren und hängen nicht zuletzt von der Cannabissorte und von deren verarbeiteter Menge ab. Deshalb müssen auch die verwendete Vakuumtechnologie, die technischen Parameter der Vakuumpumpe, wie beispielsweise der erreichbare Enddruck oder deren Saugvermögen, individuell auf die jeweiligen Prozesse abgestimmt werden. Auch eine Kombination von Vakuumpumpen kann sowohl wirtschaftlich als auch technisch Sinn machen, um beispielsweise Prozesse zu beschleunigen oder um wärmeempfindliche Stoffe vor zu hohen Temperaturen zu schützen. Deshalb sollte man bei der Auswahl der Vakuumversorgung unbedingt einen Vakuumspezialisten hinzuziehen. Die Firma Busch Vacuum Solutions bietet ein großes Spektrum an Vakuumpumpen und individuellen Vakuumsystemen für alle Anwendungen an. Durch die weltweite Präsenz ist eine persönliche und umfassende Beratung durch Vakuumspezialisten von Busch immer gewährleistet. Die Tabelle (Abb. 4) gibt eine grobe Einschätzung, welche Vakuumtechnologien eingesetzt werden können.