DE102018001959A1

DE102018001959A1 - Thermisches Trennverfahren zur Anreicherung von Cannabinoiden

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Publication number: DE102018001959A1
Application number: DE102018001959.5A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Rossmann; Florian Frey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2018-03-10
Filing date: 2018-03-10
Publication date: 2019-09-12

Abstract

Cannabinoide werden bisher hauptsächlich durch Filtration, Extraktion oder chromatographische Verfahren gewonnen. Sowohl die Anreicherungsergebnisse als auch die Wirtschaftlichkeit dieser Verfahren sind stark begrenzt. Es ist seit längerem bekannt, dass auch Destillationsverfahren zur Anreicherung von Cannabinoiden verwendet werden können, womit sich in der Regel bessere Anreicherungsergebnisse erzielen lassen. Veröffentlichungen dazu finden sich bisher allerdings nur wenige. Aufgrund der niedrigen thermischen Belastungsfähigkeit von Cannabinoiden ergeben sich Herausforderungen darin, einen Destillationsapparat effizient und mit hoher Trennleistung zu betreiben. Als Aufgabe galt es, ein Verfahren zu finden, mit dem die Effizienz und Wirtschaftlichkeit der Anreicherung von Cannabinoiden gegenüber den bekannten Verfahren verbessert werden kann.Durch die Verwendung spezieller Einbauten, sogenannten strukturierten oder auch geordneten Packungen, in einer Destillationsapparatur, ergibt sich bei einer Destillation einen besonders hohes Verhältnis aus Trennleistung und Druckverlust. Dieser Zusammenhang erweißt sich als besonders vorteilhaft für die Destillation von Cannabinoiden. Es ist damit möglich, einen Destillationsapparat mit einer hohen Trennleistung bei einem verhältnismäßig hohem Durchsatz zu betreiben, sodass die Effizienz und Wirtschaftlichkeit eines Destillationsschrittes verbessert wird. Noch weiter verbesserte Ergebnisse lassen sich dann erzielen, wenn nachfolgend auf eine erste Destillation noch mindestens eine zweite Destillation erfolgt. Ebenso können weitere Verbesserungen erzielt werden, wenn mindestens zwei Destillationen bei jeweils unterschiedlichen Drücken erfolgen.Das beschriebene Verfahren eignet sich zur effizienten Anreicherung von Cannabinoiden aus aufschmelzbaren pflanzlichen Ausgangsprodukten. Auch bei niedrig konzentrierten Ausgangsprodukten lassen sich damit hohe Anreicherungsergebnisse erzielen. Ebenso ist das Verfahren dazu geeignet, ein Cannabinoid in besonders reiner Form (beispielsweise kristallines Cannabidiol) mit hoher Ausbeute zu isolieren.

Description

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein thermisches Trennverfahren, mit dem es in universeller Weise möglich ist, ein Cannabinoid-haltiges pflanzliches Ausgangsmaterial effizient und kostengünstig auf einen hohen Cannabinoid-Massenanteil anzureichern.
Die Bereitstellung von Cannabinoiden in hohen Reinheiten hat innerhalb der letzten Jahre zunehmend an Bedeutung gewonnen. Cannabinoide sind in vielerlei Hinsicht Gegenstand aktueller Forschung und Entwicklungen. Insbesondere im Fokus liegen dabei die therapeutischen Anwendungsmöglichkeiten der Cannabinoide Cannabidiol (CBD) und Tetrahydrocannabinol (THC). Durch die zunehmende Verwendung von THC und CBD im medizinischen Bereich und die große Bandbreite der potentiellen Anwendungsmöglichkeiten, ist der Bedarf nach diesen Cannabinoiden über die Zeit kontinuierlich gestiegen. Das nichtpsychoaktive, rezeptfrei erhältiche Cannabinoid Cannabidiol findet inzwischen sogar schon als Nahrungsergängzungsmittel, als Inhaltsstoff in Kosmetika, Seifen, Duschgels, oder beispielsweise als Zusatz für Flüssigkeiten zum Verdampfen in E-Zigaretten Verwendung.
In Anbetracht dieser Entwicklung wird es zunehmend wichtiger, dass effiziente und wirtschaftliche Verfahren mit hoher Ausbeute zur Anreicherung, Auftrennung und Isolation dieser Cannabinoide und auch ganz besonders CBD bereitgestellt werden können.
Für die Anreicherung von Cannabidiol aus einem pflanzlichen Produkt existieren bereits zahlreiche Verfahren. So sind Verfahren bekannt, bei denen ein Anreicherungsschritt auf einer Extraktion mit überkritischem CO₂ beruht [1]. Ebenso ist in [2] ein Verfahren beschrieben, in dem eine Extraktion mit unterkritischem CO₂ durchgeführt wird. Weitere Extraktionsverfahren mit anderen Lösungsmitteln werden in [3] , [4] und [5] dargestellt. Ebenso existieren einige Verfahren, bei denen ein Anreicherungsschritt über einen chromatographischen Schritt erfolgt [6], [7], [8], [9]. Teilweise sind diese Verfahren dabei auch gekoppelt.
Die Anreicherungsergebnisse über eine Extraktionsstufe hängen stark davon ab, in welcher Konzentration das anzureichernde Cannabinoid im Ausgangsmaterial bereits enthalten ist. Um ausreichend hohe Anreicherungen aus einem niedrig konzentrierten Ausgangsmaterial zu erhalten, sind in der Regel mehrere Extraktionsstufen notwendig. Durch eine chromatographische Trennung sind zwar sehr hohe Reinheiten erzielbar, allerdings gestaltet sich diese aufwändig und teuer. Auch die Tatsache, dass sowohl bei der Extraktion als auch bei der Chromatographie mit zusätzlichen Lösungsmitteln gearbeitet werden muss, die vom Zielprodukt entfernt und rückgewonnen werden müssen, was mit Kosten verbunden ist, sehen die Erfinder als Nachteil dieser Techniken.
Es erschien den Erfindern daher vorteilhaft, die Überlegungen auf ein thermisches Trennverfahren zu verlagern, welches auf einer destillativen Trennung basiert.
Erste Schritte dazu wurden bereits im Jahr 1940 beschrieben. Nach [10], wurde dabei eine Vakuumdestillation mithilfe einer Kurzstreckenapparatur und anschließend eine Kolonnendestillation im Vakuum mithilfe einer Füllkörperkolonne durchgeführt, um eine Anreicherung von Cannabidiol zur anschließenden Isolation von Cannabidiol durch Verbindungsbildung zu erreichen.
Moderne Apparaturen zur Destillationen von Pflanzenextrakten werden meist mit Dünnschichtverdampfern mit einem Außen- oder Innenkondensator (Kurzwegverdampfer) betrieben. So wird eine Vakuumdestillation zur Anreicherung von Cannabidiol mittels eines Dünnschichtverdampfers oder die Vakuumdestillation aus einem Sumpfkolben heraus beispielsweise in [11] erwähnt.
In [12] ist eine Ausführungsform eines Destillationsverfahrens dargestellt, bei dem zwei in Reihe geschaltete Kurzwegverdampfer verwendet werden.
Bekannt ist ein weiteres Verfahren, in dem ein Dünnschichtverdampfer bzw. eine Kurzstreckendestillation mit einer Kolonne gekoppelt ist. Die Kolonne wird dabei als Boden- oder Füllkörperkolonne betrieben, kann Kompartimente aufweisen und es wird eine minimale Trennkolonnenhöhe von 2,5 m angegeben [13].
Aus den aktuellen Verfahren ergeben sich mehrere Nachteile. Der Nachteil einer Kurzstreckendestillation ist der, dass die Anzahl der erreichbaren Gleichgewichtsstufen stark begrenzt ist. Aus diesem Grund können über einen Verdampfungsschritt über eine Kurzstreckenapparatur nur mäßige Anreicherungsergebnisse erzielt werden, wodurch die Wirtschaftlichkeit eingeschränkt wird.
Mithilfe einer Boden- oder Füllkörperkolonne sind theoretisch, je nach Höhe und Betrieb der Kolonne, beliebig viele Gleichgewichtsstufen erreichbar. Die Anzahl der erreichbaren Gleichgewichtsstufen, die Höhe der Kolonne und der Druckverlust (Differenz zwischen Kopf- und Sumpfdruck), den die Kolonne verursacht, hängen allerdings miteinander zusammen. Der Druckverlust, der innerhalb der Kolonne verursacht wird, ist angenähert proportional zur Höhe der Kolonne. Mit steigender Höhe der Kolonne steigt auch ebenso die Anzahl der maximal erreichbaren Gleichgewichtsstufen. Begrenzt man also den Druckverlust, dann wird ebenso mit der Höhe die maximale Trennleistung der Kolonne begrenzt.
Da es sich bei Cannabinoiden sowie auch bei vielen der Nebenprodukte, die in einem Pflanzenextrakt enthalten sind, um Stoffe handelt, die thermisch sehr empfindlich sind, ist es notwendig, dass eine Kolonne bei einem niedrigen Druckverlust betrieben wird. Bei Überschreiten der thermischen Belastungsfähigkeit des zu destillierenden Materials tritt die Bildung von Zersetzungsprodukten ein, was sich sowohl nachteilig auf den Betrieb der Kolonne als auch nachteilig auf die Qualität des Produktes auswirkt und es im schlimmsten Fall ganz unbrauchbar macht. Die Bedingung eines niedrigen Druckverlustes führt aber bei Boden- oder Füllkörperkolonnen dazu, dass eine ausreichend hohe Trennleistung für eine ausreichend hohe Anreicherung und ein effizienter Betrieb der Kolonne aufgrund der notwendigen niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und dem dadurch niedrigen Durchsatz nicht mehr gewährleistet werden kann.
Ein weiterer Nachteil aktuell bekannter Verfahren ist der, dass die Anreicherungsergebnisse noch immer stark von der Konzentration des Ausgangsproduktes abhängen.
Es galt daher als Aufgabe der Erfinder, ein einfaches, optimiertes und effizientes Verfahren zur Anreicherung von Cannabidiol oder anderen Cannabinoiden auf einen hohen Reinheitsgrad zu finden, mit dem zuvor genannte Nachteile überwunden werden können.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass der Schlüssel zur Lösung dieser Aufgabe darin besteht, dass die Anreicherung von Cannabidiol über eine Destillation mithilfe einer sogenannten strukturierten oder auch geordneten Packung erfolgt.
Bei strukturierten, oder auch geordneten Packungen handelt es sich um Einbauteile, die zur Erzeugung von Oberfläche in Absorptions-, Desorptions- oder Destillationskolonnen eingesetzt werden können. Ein hoher volumenspezifischer Oberflächenanteil einer durchströmten Packung ist neben anderen Einflussgrößen mitbestimmend für eine hohe Trennleistung einer Kolonne. Im Gegensatz zu Füllkörperkolonnen bzw. Füllkörperpackungen, die aus ungeordneten Schüttungen von Füllkörpern bestehen, besitzen strukturierte Packungen einen geordneten, systematischen Aufbau aus regelmäßig angeordneten flächigen Strukturen, die aus Metall, Blech oder Kunststoff bestehen können. Durch den vorteilhaften geordneten Aufbau strukturierter Packungen kann im Vergleich zu Füllkörperkolonnen bei gleicher volumenspezifischer Oberfläche und gleichem Betrieb ein wesentlich niedrigerer Druckverlust erzielt werden. Der entscheidende Vorteil einer Destillation zur Anreicherung von Cannabinoiden mithilfe einer strukturierten Packung liegt darin, dass so auch bei den in erforderlicher Weise niedrigen Druckverlusten eine dennoch hohe Trennleistung und ein dennoch hoher Durchsatz erzielt werden kann, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wesentlich erhöht.
Weiter fanden die Erfinder heraus, dass ein besonders geeignetes Verfahren, welches in besonderer Weise auch die Anreicherung beliebiger Cannabinoide erlaubt, darin besteht, wenn nachfolgend auf eine erste noch mindestens eine zweite Destillation über eine strukturierte Packung erfolgt.
Die Destillationen können dabei nacheinander, beispielsweise in derselben Destillationsapparatur, oder direkt in Reihe geschaltet mithilfe zwei oder mehrerer Destillationsapparaturen erfolgen.
Eine geeignete Destillationsapparatur kann aus einer Destillationskolonne bestehen, die mit einer, bevorzugt zwei oder mehreren strukturierten Packung bestückt ist. Wobei, wie auch bei Füllkörperkolonnen üblich, oberhalb einer strukturierten Packung jeweils eine erneute Flüssigkeitsverteilung durch einen Flüssigkeitsverteiler vorgenommen wird.
Das Cannabinoid-haltige pflanzliche Ausgangsmaterial, welches einer ersten Destillation über eine strukturierte Packung unterzogen wird, wird im weiteren Teil dieses Dokumentes nun immer als Primärprodukt oder auch einfach als Ausgangsmaterial bezeichnet.
Ein geeignetes Primärprodukt für das erfindungsgemäße Verfahren ist dabei ein Produkt mit einem Massenanteil des anzureichernden Cannabinoides von mindestens 5 %. Ebenso ist das Primärprodukt bei Umgebungsdruck vollständig aufschmelzbar bei einer Temperatur < 95 °C, bevorzugt < 85 °C, besonders bevorzugt < 75 °C.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Primärprodukt ein Produkt, welches über eine Extraktion mit überkritischem CO₂ oder über eine unterkritische Extraktion mit einem anderen Lösungsmittel, bevorzugt Ethanol, aus einem pflanzlichen Rohmaterial gewonnen wurde.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Primärprodukt um ein Produkt, welches durch Extraktion aus einem pflanzlichen Rohstoff gewonnen wurde und bereits mittels eines herkömmlichen Verfahrens, beispielsweise über eine Kurzstreckenapparatur oder aus einem Sumpfkolben heraus destilliert worden ist. Die Erfinder fanden heraus, dass die Vorteile einer strukturierten Packung so noch besser genutzt werden können, sodass die Möglichkeit besteht auf einen bei Pflanzenextrakten herkömmlich verwendeten aber teureren Dünnschichtverdampfer zu verzichten und einen kostengünstigeren Sumpfverdampfer zu verwenden.
Um einen optimalen Betrieb unter niedriger thermischer Belastung zu ermöglichen, sind Ausführungsformen der Erfindung bevorzugt, in denen ein maximaler Gesamtdruckverlust innerhalb eines Trennapparates von 75 mbar und eine maximale Höhe einer Packungseinlage von 2,0 m nicht überschritten wird. Ebenso bevorzugt ist, dass die Wandungen einer über eine strukturierte Packung betriebene Destillationskolonne beheizt werden können, was beispielhaft in dargestellt ist. Die Beheizung wirkt sich dabei nicht nur vorteilhaft auf den Betrieb, sondern auch vorteilhaft auf das Anfahrverhalten einer Destillationskolonne aus.
Auch wenn im Allgemeinen unter dem Begriff Packungskolonne Kolonnen mit Packungen jeglicher Art, darunter auch Füllkörperkolonnen, verstanden werden können, wird der Begriff Packungskolonne im weiteren Teil dieses Dokumentes aus Übersichtlichkeitsgründen ausschließlich für Destillationsapparate verwendet, die mit strukturierten Packungen betrieben sind.
Im Folgenden soll eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel des Cannabinoides Cannabidiol näher beschrieben werden. dient dabei zur Veranschaulichung.
Hierbei wird das Cannabidiol-haltige Ausgangsmaterial zunächst einer ersten Destillation mithilfe einer Packungskolonne unterzogen. In dieser ersten Destillation werden diejenigen Bestandteile abgetrennt bzw. abgereichert, die vor dem Zielprodukt (in diesem Beispiel Cannabidiol), bei niedrigeren Temperaturen sieden. Das Sumpfprodukt aus der ersten Destillation, welches das Zielprodukt enthält, wird anschließend einem zweiten Destillationsschritt zugeführt. Hierbei werden nun diejenigen Stoffe entfernt, die nach dem Zielprodukt, bei höheren Temperaturen sieden. Das so angereicherte Zielprodukt verlässt den zweiten Destillationsschritt dann als Kopfprodukt.
Mithilfe der vorliegenden Erfindung ist es möglich, auch ein Primärprodukt mit einem niedrigen Massenanteil an Cannabidiol ab 5 % auf einen Massenanteil > 85 %, oder auch > 90 %, oder auch > 95 % anzureichern.
Die Erfinder fanden ebenso heraus, dass Abhängigkeiten zwischen den Anreicherungsergebnissen und der Zusammensetzung bestehen, die wie folgt beschrieben werden können: In manchen Fällen existieren ungünstige Zusammensetzungen des Primärproduktes, welche zur Folge haben, dass während einer Destillation ein azeotropes Verhalten auftritt. Dieses führt dazu, dass eine ausreichend hohe Anreicherung nicht mehr erzielt werden kann. Die Problematik, die mit dem Auftreten von Azeotropie verbunden ist, ist dem Fachmann bestens bekannt, daher soll hier auf weitere Erklärungen dazu verzichtet werden. Stattdessen beschreiben die Erfinder ebenso eine Lösung dieses Problems.
Die Lage azeotroper Punkte ist druckabhängig. Durch Variation des Druckes können azeotrope Punkte verschoben oder gar ganz aufgehoben werden, was zur Folge hat, dass verbesserte Anreicherungsergebnisse erzielt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei Destillationen bei jeweils unterschiedlichen Drücken nacheinander oder in Reihe geschaltet durchgeführt. Die Drücke sind dabei so gewählt, dass gegenüber dem Betrieb bei gleichem Druck verbesserte Anreicherungsergebnisse erhalten werden. So kann in einer beispielhaften Ausführungsform eine erste Destillation oder eine erste Packungskolonne bei einem Kopfdruck von 0,01 mbar zur Verbesserung der Abreicherung der Leichtsieder und eine zweite Destillation oder eine zweite Packungskolonne bei einem Kopfdruck von 5 mbar zur Verbesserung der Abreicherung der Schwersieder betrieben werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren angereichertes Produkt mit einem Massenanteil eines jeweiligen Cannabinoides > 85 % bestens dafür geeignet ist, in einem weiteren Schritt ein Cannabinoid in besonders reiner Form mit einem Massenanteil > 98,0 %, > 99,0 % und > 99,9 % mit hoher Ausbeute zu isolieren.
Weitere Ausgestaltungsformen der vorliegenden Erfindung bestehen somit darin, dass aus einem, durch das beschriebene Destillationsverfahren, mit einem Cannabinoid angereicherten Produkt ein Zielprodukt, welches hier das jeweilige angereicherte Cannabinoid darstellt, das noch weiter aufgereinigt werden soll, durch ein Extraktionsverfahren, ein Kristallisationsverfahren oder ein chromatographisches Verfahren mit einer Reinheit > 97,0 % isoliert wird. Um Ausbeuteverluste zu minimieren gilt dabei bevorzugt, dass ein Produkt verwendet wird, welches nach Anwendung des beschriebenen Destillationsverfahrens einen Cannabinoid-Massenanteil > 85 % und besonders bevorzugt > 90 % besitzt.
Handelt es sich bei dem Zielprodukt um Cannabidiol, dann wird dabei bevorzugt, dass im Anschluss an das beschriebene Destillationsverfahren ein Kristallisationsverfahren durchgeführt wird. Besonders bevorzugt wird dabei eine Kühlungskristallisation durchgeführt. Auf diese Weise kann hoch aufgereinigtes kristallines Cannabidiol mit einem Massenanteil > 98,0 %, > 99,0 % oder > 99,9 % gewonnen werden. In ist dazu eine beispielhafte Ausführungsform als Gesamtprozess veranschaulicht.
Fundstellen

[1] EP1326598B1
[2] EP1536810B1
[3] US20060167283A1
[4] EP1542952A1
[5] EP1385595B1
[6] US6403126B1
[7] EP3061510A1
[8] WO2016187679A1
[9] US20050266108A1
[10] ADAMS, Roger ; PEASE, D. C. ; CLARK, J. H.: Isolation of Cannabinol, Cannabidiol and Quebrachitol from Red Oil of Minnesota Wild Hemp. In: Journal of the American Chemical Society 62(8) (1940), 8, S. 2194-2196
[11] EP2314580B1
[12] US20160002133A1
[13] W02017055619A1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1326598 B1 [0035]
EP 1536810 B1 [0035]
US 20060167283 A1 [0035]
EP 1542952 A1 [0035]
EP 1385595 B1 [0035]
US 6403126 B1 [0035]
EP 3061510 A1 [0035]
WO 2016187679 A1 [0035]
US 20050266108 A1 [0035]
EP 2314580 B1 [0035]
US 20160002133 A1 [0035]
WO 2017055619 A1 [0035]

Claims

Verfahren zur Anreicherung eines Cannabinoides, dadurch gekennzeichnet, dass eine Destillation mithilfe einer strukturierten Packung im Vakuum durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nachfolgend auf eine erste noch mindestens eine zweite Destillation über eine strukturierte Packung erfolgt. Wobei die Destillationen nacheinander oder direkt in Reihe geschaltet erfolgen können.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärprodukt ein unter 95 °C, bevorzugt unter 85 °C und besonders bevorzugt ein unter 75 °C aufschmelzbares Produkt ist, in dem der Massenanteil des anzureichernden Cannabinoides mindestens 5 % beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Primärprodukt um ein bereits destilliertes Produkt handelt, welches über einen Kurzwegverdampfer oder einen Dünnschichtverdampfer oder aus einem Sumpfkolben heraus destilliert worden ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Gesamtdruckverlust innerhalb eines Trennapparates von 75 mbar und eine maximale Höhe einer Packungseinlage von 2,0 m nicht überschritten wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandungen einer über eine strukturierte Packung betriebene Destillationskolonne beheizt werden können.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Destillationen bei jeweils unterschiedlichen Drücken nacheinander oder direkt in Reihe geschaltet durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein so angereichertes Produkt mit einem Massenanteil eines jeweiligen Cannabinoides > 85 %, bevorzugt > 90 %, durch ein Extraktionsverfahren, ein Kristallisationsverfahren, bevorzugt eine Kühlungskristallisation, oder ein chromatographisches Verfahren weiter aufgereinigt wird, sodass der Massenanteil des jeweiligen Cannabinoides > 97,0 %, > 98,0 %, > 99,0 % oder > 99,9 % beträgt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wenn es sich bei dem anzureichernden Cannabinoid um Cannabidiol handelt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wenn es sich bei dem anzureichernden Cannabinoid um Tetrahydrocannabinol handelt.