Busch Vacuum Solutions Drehschieberpumpen Vakuumpumpen

Spiral-Vakuumpumpen oder zweistufige Drehschieber- Vakuumpumpen werden häufig bei der Gefriertrocknung, Ethanol-Extraktion, Kurzweg- und Dünnschichtdestillation im Laborbereich und bei der Verarbeitung kleinerer Mengen verwendet. Bild: Busch Vacuum Solutions

Entscheider-Facts

  • Bei der industriellen Verarbeitung von Cannabis zur Gewinnung von qualitativ hochwertigem CBD und THC spielt die Vakuumtechnik eine wichtige Rolle.
  • Die Verfahren, wie CBD und THC gewonnen werden, variieren.
  • Technologie und technische Parameter der Vakuumpumpe müssen individuell auf die jeweiligen Prozesse abgestimmt werden.

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.

Gefriertrocknung oder Extraktion?

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.

Vakuumverdampfung und Destillation

Grafik Prozessschritte Gewinnung CBD THC  Busch Vacuum Solutions
Die Prozessschritte zur Gewinnung von CBD und THC. Grafik: Busch Vacuum Solutions

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 %.

Vakuumpumpe Busch Vacuum Solutions
Vakuumsysteme mit Schrauben-Vakuumpumpen und Vakuum-Booster sind die idealen Vakuumerzeuger bei einigen Prozessen zur Gewinnung von Cannabinoiden. Bild: Busch Vacuum Solutions

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.

Passende Vakuumtechnologie notwendig

Tabelle Busch Vacuum Solutions
Mögliche Vakuumtechnologien für den Einsatz in den verschiedenen Prozessen. Bilder: Busch Vacuum Solutions

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.

Dosier-Management Chempairing Suite

Dosier-Management Chempairing Suite
Dosier-Management Chempairing Suite

Dosieren per App

Müssen der Pharma-, Lebensmittel- oder Chemie-Produktion Zusatz- oder Hilfsstoffe zugegeben werden, ist präzises Dosieren eine Voraussetzung. Grundfos bietet dazu mit der App Chempairing Suite nun ein umfassendes Remote-Access-Tool.

Technische Basis dafür ist die in der Dosierpumpe integrierte Dosierüberwachung Flowcontrol, die klassische Dosierfehler identifiziert (defekte Ventile, Luftblasen, Kavitation, Überdruck) und zudem den realen Dosiervolumenstrom erfasst und überwacht. Mit diesen Daten ermittelt die App den externen Prozessvolumenstrom und präsentiert den Durchfluss in ml/m³ oder die Massenkonzentration in mg/l.

Mussten zur permanenten Erfassung des Gebindefüllstands bisher eine externe (zusätzliche) Sensorik verwendet werden, ist das nun mit der neuen App als interne Lösung verfügbar: Über die in der Cloud des Herstellers hinterlegte Chemikalien-Datenbank ist das jeweilige Bruttovolumen des Gebindes verfügbar; es wird als eine "Guthaben" in die App übertragen. Aufgrund der realen Dosiermengenmessung per Dosierpumpe kann so die zugegebene Chemikalienmenge vom "Guthaben" abgezogen und als Ganglinie angezeigt werden. Diese unkomplizierte und permanente Ermittlung des Gebindefüllstands eignet sich ideal für den Einsatz von Einweggebinden. Mit Hilfe des Trendreports stehen eine Reihe von Daten zur Verfügung, darunter die dosierte Chemikalienmenge (l/h), der Gegendruck (bar) und die Ist-Dosierkonzentration (ml/m³).

Optional lässt sich an der Dosierpumpe einstellen, ob nur Daten aus der Pumpe gelesen oder auch die Pumpe über die Cloud fernbedient werden soll. Für den Betreiber sind vor allem die per Fernbedienung verfügbaren Features attraktiv, weil auf diese Weise zeitintensive Serviceeinsätze eingespart werden. Per Remote Access-Zugriff sind unter anderem die Regelungsart der Dosierpumpe (mengenproportionale Dosierung mittels Kontakt- oder Analogeingang), Start/Stopp der Dosierpumpe und die Veränderung von Dosierfunktionen verfügbar.

Schließlich bietet die Systemlösung beim erstmaligen Anschluss eines Chemikalien-Gebindes bzw. beim Gebindewechsel einen implementierten Arbeitsschutz: Damit die Pumpe das Gebinde akzeptiert, wird mit Hilfe des QR- oder Barcodes von Dosierpumpe und Gebinde in einer Gebinde-Datenbank überprüft, ob diese Kombination frei gegeben ist. Die App nutzt ein Gateway mit Mobilfunkübertragung (Low Power Wide Area Network, LPWAN, mit End-to-End-Verschlüsselung).

  • Erfassung des Gebindefüllstands
  • Fernbedienung der Dosierpumpe
  • Arbeitsschutz

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