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 die medizinische Anwendungen sind vor allem die Cannabinoide von Bedeutung. Hauptsächlich die Wirkstoffe Cannabidiol (CBD) und Tetrahydrocannabinol (THC) sind aus medizinischer Sicht gefragt. Bei der industriellen Verarbeitung von Cannabis zur Gewinnung von qualitativ hochwertigem CBD und THC spielt die Vakuumtechnik eine wichtige Rolle. Sie kann zum Trocknen, Extrahieren, Verdampfen und zum Destillieren verwendet werden. Erst die Vakuumtechnik ermöglicht eine effektive und effiziente Herstellung dieser reinen Wirkstoffe aus den Bestandteilen der Cannabispflanze.

Bei der industriellen Trocknung der abgeernteten Cannabispflanzen hat sich die Gefriertrocknung durchgesetzt. Sie ermöglicht eine schnelle und dennoch schonende Trocknung der Pflanzen beziehungsweise Pflanzenteile, die zu 80 % 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 mbar gefahren. Eine weiter Methode Cannabis noch schneller zu trocknen ist die mikrowellenunterstützte Vakuumtrocknung. Dabei wird bei Grobvakuum zwischen 10 und 400 mbar die Feuchtigkeit entzogen.

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 Cannabinoide enthält. Die wichtigsten sind CBD und THC, deren Anteil beträgt zwischen 60 und 80 %. 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 und auf - 40° Celsius abgekühlt und einer Kaltfiltration unterzogen. Dadurch werden dem Öl die Wachse und Fette entzogen.

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. Dadurch werden die gewünschten Extraktionseigenschaften erreicht. Das Zwischenprodukt der Extraktion ist jeweils ein Gemisch aus Cannabisöl und Ethanol.

Die Verfahren, wie CBD und THC gewonnen werden, variieren und hängen von der Cannabissorte und von deren verarbeiteter Menge ab. Deshalb muss auch die verwendete Vakuumtechnologie individuell auf die jeweiligen Prozesse abgestimmt werden.

Das Cannabisöl/Ethanol-Gemisch wird nun einem Verdampfungsprozess zugeführt, um das darin befindliche Ethanol zu entfernen. Bei Labor- oder Versuchsanlagen kann dies durch den niedrigen Siedepunkt von Ethanol mit einem Rotationsverdampfer bei Raumtemperatur oder leichter Temperaturerhöhung und einem groben Vakuum von 50 bis 100 mbar durchgeführt werden.

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. In industriellen Anlagen werden für diesen Prozessschritt oft Dünnschichtverdampfer eingesetzt, die mit einem höheren Vakuumniveau arbeiten. Nach der Vakuumverdampfung erhält man ein Rohöl mit einer THC/CBD-Konzentration von 60 bis 80 %.

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. Ein häufig eingesetztes und effizientes 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 °C zu verdampfen beginnt, verdampft CBD bei 160 bis 180 °C.

Einzelne Terpene und Flavonoide haben wiederum niedrigere Siedepunkte. Um die Siedepunkte herabzusetzten, wird die Destillation unter Vakuum bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen durchgeführt. Grundsätzlich kann gesagt werden, dass je niedriger der Druck, desto niedriger der Siedepunkt eines Stoffes ist.

Bei der Kurzwegdestillation wird in einem Vakuumbereich von 0,001 bis 1 mbar gearbeitet. Dabei wird das Öl langsam erwärmt und das Vakuumniveau so justiert, dass Terpene und Flavonoide selektiv verdampfen und durch kondensieren gewonnen werden können. Als Konzentrat bleibt eine Flüssigkeit, in der Cannabinoide THC und CBD in einer Reinheit von 99 % enthalten sind. 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 °C 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 wird endgültig reines CBD und THC gewonnen, das nun als Wirkstoff für verschiedene Anwendungen weiterverarbeitet werden kann.

Die Verfahren, wie CBD und THC gewonnen werden, variieren und hängen nicht zuletzt von der Cannabissorte und von deren verarbeiteter Menge ab. Deshalb muss 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.