Chiết xuất bằng CO2 sử dụng carbon dioxide, được nén cho đến khi hoạt động như một dung môi lỏng, để hòa tan các cannabinoid và terpene ra khỏi cần sa hoặc cây gai dầu sấy khô; khi áp suất được giải phóng, CO2 chuyển trở lại thành chất khí và để lại chất chiết xuất. Quá trình này hoạt động theo hai chế độ. Chiết xuất siêu tới hạn hoạt động phía trên điểm tới hạn của CO2 ở khoảng 31 °C và 74 bar, nơi lưu chất có khả năng hòa tan như chất lỏng và khả năng lưu thông như chất khí. Chiết xuất dưới tới hạn hoạt động dưới điểm đó, với CO2 ở dạng chất lỏng nén lạnh. Người vận hành lựa chọn áp suất, nhiệt độ và thời gian để điều hướng các hợp chất được chiết xuất ra, và dầu thô (crude oil) thành phẩm thường được tinh chế thêm trước khi trở thành sản phẩm cuối cùng.
Điểm tới hạn, qua các thông số kỹ thuật
Điểm tới hạn là nơi các pha lỏng và khí riêng biệt của một chất ngừng tồn tại. Đối với CO2, các giá trị tham chiếu đã được xác định rất rõ ràng. NIST Chemistry WebBook liệt kê nhiệt độ tới hạn là 304,18 K và áp suất tới hạn là 73,80 bar từ một trong các tập dữ liệu đã đánh giá của họ; một bài tổng quan về chế biến cần sa đưa ra các con số là 31,06 °C và 73,83 bar. Trên thực tế, các thông số này tương đương khoảng 31 °C và 74 bar.
Nhiệt độ tới hạn thấp chính là lý do vì sao CO2 được sử dụng. Nước cũng có thể đạt trạng thái siêu tới hạn, nhưng chỉ ở khoảng 647 K và 22,1 MPa, vượt xa mức có ích cho các hợp chất thực vật nhạy cảm với nhiệt. Bài tổng quan tương tự cũng lưu ý rằng CO2 không cháy, không độc hại, dễ loại bỏ và tương đối rẻ, đó là lý do tại sao nó trở thành dung môi siêu tới hạn tiêu chuẩn cho các dược liệu thực vật.
Siêu tới hạn vs Dưới tới hạn
| Dưới tới hạn | Siêu tới hạn | |
|---|---|---|
| Điều kiện | Dưới khoảng 31 °C và/hoặc 74 bar | Trên cả hai mức này |
| Trạng thái của CO2 | Chất lỏng nén | Lưu chất siêu tới hạn |
| Khả năng hòa tan | Thấp hơn, nhẹ nhàng hơn | Cao hơn, có thể điều chỉnh theo áp suất |
| Sử dụng điển hình | Các phân đoạn dễ bay hơi, quy trình nhiệt độ thấp | Chiết xuất toàn dải, các phân đoạn mục tiêu |
| Đánh đổi | Dung môi yếu hơn, chiết xuất được ít hơn mỗi mẻ chạy | Nhiều sáp bị kéo theo hơn ở áp suất cao |
Phương pháp dưới tới hạn thường được quảng cáo là tốt hơn cho terpene. Nguyên lý vật lý cơ bản ủng hộ tính chất “nhẹ nhàng hơn”, vì dung môi lạnh hơn và yếu hơn, nhưng mức độ ảnh hưởng thực tế đến một chất chiết xuất cụ thể phụ thuộc vào nguyên liệu và thông số cài đặt của mẻ chạy, vì vậy hãy thận trọng với các tuyên bố chung chung.
Tại sao CO2 lại có tính chọn lọc
Trong dải siêu tới hạn, khối lượng riêng tăng tiến gần đến mức của chất lỏng trong khi độ nhớt vẫn duy trì gần với mức của chất khí. Khối lượng riêng quyết định phần lớn mức độ hòa tan của lưu chất, vì vậy việc tăng áp suất sẽ làm tăng sức mạnh dung môi, và giảm áp suất sẽ thu hẹp các chất được chiết ra.
Một nghiên cứu năm 2022 trên hoa cây gai dầu công nghiệp công bố trên tạp chí Pharmaceuticals đã cho thấy điều này diễn ra như thế nào. Hoạt động ở 60 °C, các tác giả nhận thấy áp suất tương đối thấp 131,2 bar là tốt nhất cho monoterpene (nhóm bao gồm myrcene, limonene và alpha-pinene), các chất chiết xuất giàu sesquiterpene hơn (nhóm bao gồm beta-caryophyllene) thu được ở 319,7 bar, và chiết xuất CBD đạt đỉnh ở 284,78 bar. Hiệu suất qua các mẻ chạy của họ dao động từ 0,75% đến 8,83% tùy thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Đó là ý nghĩa thực tế của khả năng “điều chỉnh”: cùng một thiết bị, các cài đặt khác nhau sẽ cho ra hồ sơ hóa học khác nhau.
Một số quy trình cũng thêm dung môi đồng hành (co-solvent), thường là ethanol, vào dòng CO2. Việc này làm tăng tổng hiệu suất, nhưng một nghiên cứu về tinh chế cây gai dầu lưu ý rằng nó làm tăng hiệu suất một phần bằng cách đồng chiết xuất diệp lục tố và các hợp chất khác, những chất này sau đó phải được loại bỏ.
Tinh chế lạnh (winterization)
Các quy trình chạy CO2 ở áp suất cao hơn sẽ kéo theo sáp thực vật và lipid cùng với cannabinoid. Tinh chế lạnh (winterization) sẽ loại bỏ chúng: dầu thô (crude oil) được hòa tan trong ethanol, làm lạnh để sáp kết tủa, lọc lạnh, và ethanol được làm bay hơi đi. Một quy trình xử lý cây gai dầu đã công bố giữ chất chiết xuất, hòa tan trong ethanol đến 10% theo khối lượng, ở −20 °C trong 24 đến 48 giờ trước khi lọc. Điều này rất quan trọng vì cụm từ “chất chiết xuất CO2” trên nhãn thường có nghĩa là dầu thô CO2 cộng với bước tinh chế bằng ethanol, chứ không chỉ riêng CO2.
Ưu điểm và nhược điểm
Ưu điểm:
- Không có dung môi dễ cháy trong bình chiết xuất, và CO2 rời khỏi sản phẩm dưới dạng khí khi áp suất giảm.
- Tính chọn lọc có thể được điều chỉnh bằng áp suất và nhiệt độ, như nghiên cứu về cây gai dầu đã chỉ ra.
- Nhiệt độ hoạt động thấp so với nhiều quy trình nhiệt.
Nhược điểm:
- Thiết bị áp suất cao rất đắt đỏ để mua, chứng nhận và bảo trì.
- Hiệu suất thay đổi rộng tùy thuộc vào cài đặt, do đó kết quả phụ thuộc nhiều vào kỹ năng của người vận hành.
- Dầu thô (crude oil) thường vẫn cần tinh chế lạnh (winterization) bằng ethanol, điều này mang dung môi dễ cháy trở lại quy trình hạ nguồn.
“Máy chiết xuất CO2 cho gia đình”
Đây là một trong những cụm từ tìm kiếm phổ biến nhất về chủ đề này, vì vậy xin trả lời trực tiếp: máy chiết xuất CO2 siêu tới hạn không phải là một thiết bị gia dụng, và kích thước nhỏ cũng không thay đổi điều đó. Hệ thống phải giữ CO2 trên khoảng 74 bar chỉ để đạt đến dải siêu tới hạn, và áp suất vận hành trong các nghiên cứu cần sa đã công bố cao hơn nhiều, khoảng 131 đến 320 bar trong nghiên cứu cây gai dầu ở trên.
Hướng dẫn của Cơ quan An toàn và Sức khỏe Vương quốc Anh về các hệ thống áp suất đã liệt kê những gì xảy ra khi thiết bị đó gặp sự cố: sóng nổ từ việc giải phóng khí nén, va đập từ các bộ phận hỏng hóc và mảnh vỡ văng ra, cùng với việc tiếp xúc với chất lưu bị giải phóng. Hướng dẫn cũng giải thích rằng hầu hết các hệ thống áp suất cần có kế hoạch kiểm tra bằng văn bản được lập bởi người có năng lực chuyên môn, và chỉ những hệ thống rất nhỏ mới được miễn trừ. Các máy chiết xuất CO2 thương mại được chế tạo, kiểm định và vận hành trong khuôn khổ đó, đây là lý do lớn giải thích tại sao chúng lại có chi phí cao như vậy.
Đối với người dùng tại nhà, tính toán kinh tế gần như không bao giờ hợp lý. Chi phí thiết bị, cộng với chứng nhận, bảo trì, nguồn cung cấp CO2 và các bước xử lý sau chiết xuất được mô tả ở trên, hướng đến các nhà sản xuất xử lý khối lượng nguyên liệu lớn. Và tại Thái Lan, việc sản xuất chất chiết xuất có hàm lượng THC trên 0,2% theo khối lượng thuộc phạm vi điều chỉnh của Nghị định Bộ về Chiết xuất Cần sa hoặc Gai dầu B.E. 2569, quy định dành riêng giấy phép sản xuất cho các pháp nhân Thái Lan không phải là “người nước ngoài” theo Luật Kinh doanh của Người nước ngoài (Foreign Business Act) B.E. 2542 (1999), các cơ quan nhà nước và Hội Chữ thập đỏ Thái Lan. Bài viết này không khuyến nghị hoặc so sánh bất kỳ máy móc hay nhà sản xuất nào.
Các sai lầm thường gặp
- Cho rằng “siêu tới hạn” có nghĩa là “sản phẩm mạnh hơn”. Cụm từ này mô tả trạng thái của dung môi, không phải độ mạnh của dầu thành phẩm.
- Cho rằng chất chiết xuất CO2 không bao giờ tiếp xúc với dung môi khác. Nhiều loại phải trải qua quá trình tinh chế lạnh (winterization) bằng ethanol.
- Coi nhiệt độ thấp đồng nghĩa với rủi ro thấp. Mối nguy hiểm trong chiết xuất CO2 là áp suất tích tụ, không phải là nhiệt độ.
Hãy kiểm tra các quy định hiện hành của Thái Lan và yêu cầu về thiết bị áp suất tại địa phương của bạn trước khi thực hiện bất kỳ điều gì được đề cập ở đây.