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Ultraschall gestützte Cannabinoid Extraktion

Cannabinoide können auf verschiedene Arten aus der Cannabis-Pflanze extrahiert werden. Zu den gängigen Methoden gehören die Lösungsmittelextraktion, die superkritische CO2-Extraktion und die Ultraschallextraktion. Ultraschall ist seit langem eine bewährte Methode, um bioaktive Substanzen aus pflanzlichem Material freizusetzen. Da es sich bei der Ultraschallextraktion um ein nicht-thermisches und daher besonders schonendes Verfahren handelt, hat sich Hochleistungsultraschall in der Cannabis-Szene als hocheffiziente Methode zur Gewinnung von CBD, THC und anderen Cannabinoiden etabliert.


Was ist Ultraschall?

Als Ultraschall definiert man Schallschwingungen mit mehr als 20 kHz, d.h. mehr als 20.000 Schwingungen pro Sekunde. Das ist der Bereich, welcher über dem menschlichen Gehörspektrum liegt. Ultraschall deckt somit einen sehr großen Bereich an akustischen Schwingungen ab, wodurch zahlreiche verschiedene Anwendungen in das Feld des Ultraschalls fallen. Zu den bekanntesten Anwendungsbeispielen zählen, das bildgebende Verfahren beim Arzt, die Einparkhilfe beim Auto und das zerstörungsfreie Testen von Werkstoffen. Bei den genannten Beispielen handelt es sich um hochfrequenten, nicht-destruktiven Ultraschall.

Von Hochleistungsultraschall spricht man, wenn hoch-intensive, niederfrequente Schallwellen mit einer Frequenz von ca. 20-60 kHz erzeugt werden. Diese energiedichten Schallwellen erzeugen in Flüssigkeiten alternierende Hochdruckzyklen (Kompression) und Niederdruckzyklen (Rarefikation). Während eines Niederdruckzyklus bilden die hochenergetischen Ultraschallwellen kleine Vakuumblasen oder Hohlräume in der Flüssigkeit. Erreichen diese Blasen ein Volumen, bei dem sie keine weitere Energie absorbieren können, platzen sie während eines Hochdruckzyklus. Dieses Phänomen der Blasenimplosion wird als Kavitation bezeichnet. 

Durch Kavitation entstehen in der Flüssigkeit bzw. Slurry lokale Hot-Spots, welche Temperaturen von bis zu 5000 K   und Drücke von bis zu 2000 atm erreicht. Zudem entstehen durch die Implosion der Kavitationsblasen Flüssigkeitsstrahlen mit Geschwindigkeiten von bis zu 280 m/s. Durch diese lokal auftretenden extremen Bedingungen werden Pflanzenzellen zum Platzen gebracht, sodass bioaktive Substanzen, welche im Innenraum der pflanzlichen Zelle eingeschlossen sind, frei zugänglich gemacht werden.

Cannabinoid-Extraktion

Die bioaktiven Verbindungen der Cannabispflanze haben in der näheren Vergangenheit viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Insbesondere für das Cannabinoid Cannabidiol (CBD) konnten viele positive Effekte auf die Gesundheit nachgewiesen werden, welche von krebsbekämpfenden und entzündungshemmenden Eigenschaften bis 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 Fokus vieler Forschungsstudien. Um Cannabinoide zu Medikamenten, Nahrungsergänzungs- und Genussmitteln verarbeiten zu können, müssen die Wirkstoffe aus der Pflanzenzelle freigesetzt und isoliert werden. Die effiziente und einfache Anwendung des Hochleistungsultraschalls hat sich für die Produktion von hochwertigen Cannabinoiden besonders bewährt.

Cannabis-Extrakt mittels Ultraschall

Die extremen Umgebungsbedingungen in den Hot-Spots der Ultraschallkavitation hat verschiedene Effekte auf das Pflanzenmaterial und seine Extrahierbarkeit. Dazu gehören die Überwindung der selektiven Permeabilität der Zellmembran, der erhöhte Stoffaustausch zwischen Zellinnenraum und Lösungsmittel, der mechanische Zellaufschluss und die Freisetzung der intrazellulären Substanzen (z.B. Cannabinoide). Diese Effekte resultieren in einer hohen Ausbeute qualitativ hochwertiger Extrakte innerhalb einer sehr kurzen Beschallungsdauer. Mit einem 400 Watt Ultraschallprozessor wie z.B. Hielscher’s UP400St kann ein 10 Liter Batch Cannabis-Slurry innerhalb von 5-8 Minuten verarbeitet werden. Die industriellen Ultraschallprozessoren verarbeiten die Slurry aus Cannabis und Lösungsmittel im kontinuierlichen Durchfluss. Dabei wird das Medium durch einen Ultraschallreaktor gepumpt und dort beschallt. Im industriellen Maßstab können mit einem UIP4000hdT (4kW) ca. 3L/min durchgesetzt werden.

Aufgrund der hohen Extraktausbeute und der Schnelligkeit hat sich die Ultraschallextraktion für die Freisetzung von Cannabinoiden wie Cannabidiol (CBD), Tetrahydrocannabinol (THC) und vielen weiteren wertvollen Substanzen aus Cannabis Sativa und Cannabis Indica als besonders effizient erwiesen. Die Ultraschallkavitation erzielt eine Extraktausbeute von 95-99 % der in der Cannabis-Pflanze enthaltenen Cannabinoide. Durch eine gezielte Einstellung der Parameter (Ultraschallamplitude, Temperatur, Druck, Viskosität) kann der Ultraschallprozess optimal auf das Ausgangsmaterial und die angestrebte Extraktqualität angepasst werden. 

Bei der Ultraschallextraktion können Cannabinoide nicht nur aus der Blüte gewonnen werden, sondern auch Blätter, Stängel und Wurzelmaterial können verarbeitet werden.

Ultraschallextraktoren für Full-Spectrum Extrakte

Die Wechselwirkung der verschiedenen Cannabinoide und anderer bioaktiver Verbindungen wie Terpenen, Polyphenolen, Flavonoiden und Alkaloiden scheint die positiven Gesundheitseffekte zu intensivieren. Das Zusammenspiel verschiedener Terpene, verschiedener Cannabinoide und anderer Pflanzenstoffe wird als „Entourage-Effekt“ bezeichnet. Aufgrund dieses Entourage-Effektes sind Extrakte, welche das volle Spektrum der Phytochemikalien enthalten, besonders gefragt. Mittels der ultraschallgestützten Extraktion können hochwertige Full-Spectrum Extrakte gewonnen werden, welche für ihre außergewöhnliche und therapeutische Wirkung bekannt sind.

Mit Ultraschall wasserlösliche CBD-Nanoemulsionen herstellen

CBD ist stark hydrophob (= Wasser abstoßend) und lässt sich daher nicht ohne Weiteres in Wasser lösen oder einmischen. Aufgrund der Hydrophobie weist reines CBD auch eine sehr geringe Bioverfügbarkeit auf. Das bedeutet, wenn CBD in Reinform konsumiert wird, wird der Großteil der aufgenommenen Menge von der Leber verstoffwechselt und nur ca. 6-9 % des CBD gelangt in das Endocannabinoidsystem des menschlichen Organismus. CBD wirkt als Agonist auf die Endocannabinoidrezeptoren, wodurch CBD das Cannabinoidsystem pharmakologisch beeinflusst und somit beispielsweise das Immunsystem stärkt, bei der krebsbekämpfenden Therapie hilft oder als Antidepressivum wirkt. 

Um die Bioverfügbarkeit des CBDs zu erhöhen, wird CBD zu einer wasserlöslichen Formulierung verarbeitet. Hierzu wird das CBD in einem qualitativ hochwertigen Öl (z.B. MCT-Öl, Kokosnussöl, Hanfsamenöl, Olivenöl etc.) gelöst und anschließend mittels Ultraschall zu einer Öl/Wasser-Emulsion verarbeitet. Die Ultraschallkavitation erzeugt Tropfengrößen im Nanometerbereich, wodurch eine hervorragende Bioverfügbarkeit erzielt wird. Durch die Beschallung mit Ultraschall können klare und transparente oder sogar transluzente Emulsionen produziert werden, da die Tropfengröße durch die Ultraschall-Emulgierung auf ca. 10 nm reduziert wird. Dadurch verbessert sich gleichzeitig die Emulsionsstabilität deutlich. Mit dem richtigen Emulgator bleiben die Nanoemulsionen langzeitstabil, sodass die CBD-Emulsion für mehrer Monate oder Jahre gelagert werden kann.

Neben CBD-Nanoemulsionen zur oralen Verabreichung können mittels Ultraschall auch CBD-Lotionen, -Cremes und -Tinkturen hergestellt werden.

Für die Herstellung von Nanoemulsionen kann das gleiche Ultraschallgerät eingesetzt werden, welches auch zur Extraktion des CBDs verwendet wird. Dadurch amortisiert sich die Anschaffung eines Ultraschallsystems in der CBD-Produktion noch schneller.

Vorteile der Ultraschallsysteme

Die Vorteile der Ultraschallextraktion liegen in der hohen Ausbeute, der freien Wahl des Lösungsmittels (z.B. Wasser, Ethanol, Wasser-Ethanol-Gemisch, Glyzerin, MCT-Öl, Olivenöl, Butan etc.), sowie dem einfachen und sicheren Betrieb. Durch die intensiven mechanischen Kräfte des Ultraschalls sind ökologische und milde Lösungsmittel wie Wasser, Ethanol etc. meist ausreichend, um eine außerordentliche Extraktionsrate und Ausbeute zu erzielen. Dadurch verkürzt die Ultraschallextraktion die Extraktionsdauer und ermöglicht einen reduzierten Lösungsmitteleinsatz bzw. die Verwendung von milderen, schonenderen Lösungsmitteln. Mittels Ultraschallextraktion können somit sowohl höhere Extraktionsraten als auch gesündere Extrakte (z.B. Kaltwasser-Extrakte) gewonnen werden. Da die Prozesstemperatur bei der Beschallung exakt gesteuert werden kann, wird sowohl eine Zersetzung der Extrakte durch zu hohe Temperaturen als auch eine Verdampfung der Substanzen vermieden.

Im Vergleich zu einem superkritischen CO2-Extraktor sind die Anschaffungskosten eines Ultraschallsystems gering. Auch bei den Betriebskosten, der einfachen, benutzerfreundlichen Bedienung und der Arbeitssicherheit können die Ultraschallprozessoren punkten.

Ultraschall für die Herstellung kleinerer Mengen bis zur industriellen Produktion

Eine Besonderheit der Ultraschallverarbeitung liegt in der linearen Skalierbarkeit des Extraktionsprozesses. Machbarkeitsstudien und die Produktion kleinerer Chargen können problemlos mit einem handlichen Ultraschallgerät in einem offenen Gefäß durchgeführt werden. Dadurch ist es einfach möglich, die Effizienz und Qualität des Ultraschallextraktionprozesses zu testen. Alle Ergebnisse, die im kleinen Maßstab erzielt wurden, können vollständig hochskaliert und reproduziert werden. Die digitale Steuerung des Ultraschallextraktors sowie die Protokollierung der Ultraschallparameter auf einer internen SD-Card erlauben eine präzise Überwachung des Prozesses und die Reproduzierbarkeit gleichbleibender Qualitätsstandards. Hielscher Ultrasonics’ Produktportfolio bietet Ultraschallextraktoren für jeden Maßstab – vom 50Watt Handgerät bis hin zum 16kW Industrieultraschall für die Inline-Produktion. Durch Hielscher Ultrasonics’ jahrzehntelange Erfahrung in der Ultraschallextraktion und die Installation mehrerer hundert Ultraschallextraktionssysteme weltweit ist eine kompetente und umfassende Beratung gewährleistet.

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