Separación de Delta 9-Tetrahidrocannabinol de extractos de Cannabis sativa L. por cromatografía de partición centrífugal a escala industrial

Abstract

La industria del cannabis medicinal se expande rápidamente y ya tiene un impacto económico y regulatorio tangible en Colombia. Para 2025, la Junta Internacional de Fiscalización de Estupefacientes (JIFE) asignó al país una cuota de 85.955,64 kg de cannabis para fines médicos y científicos (aprox. 86 toneladas métricas), lo que ubica a Colombia entre los principales productores y conlleva una alta responsabilidad de cumplir las regulaciones internacionales sobre el control, la trazabilidad y la calidad de los productos derivados del cannabis. En este contexto, esta tesis presenta un enfoque integrado para el diseño y la operación de procesos preparativos de separación de cannabinoides mediante cromatografía de particición centrífuga (CPC), orientado a la remoción de Delta-9-tetrahidrocannabinol (Delta-9-THC) y a la purificación selectiva de cannabidiol (CBD), cannabigerol (CBG) y cannabicromeno (CBC). La propuesta articula, de manera coherente, fundamentos conceptuales sobre la planta de cannabis, modelación termodinámica del equilibrio líquido–líquido (ELL) aplicada a procesos de separación de cannabinoides, una metodología alternativa para la selección del sistema bifásico y pruebas experimentales en dos escalas orientadas a obtener productos libres de Delta-9-THC (formulaciones de espectro amplio / Broad Spectrum). Se seleccionó el sistema heptano/etanol/agua (HEtWat) como plataforma de solventes por su desempeño, seguridad y alineación normativa. Para comprender y predecir su comportamiento en presencia de cannabinoides, se midió experimentalmente el equilibrio líquido–líquido del sistema multicomponente agua/etanol/heptano/Delta-9-THC/CBD a 282,15; 285,15 y 288,15 K, bajo presión atmosférica, en mezclas con una relación CBD:Delta-9-THC aproximada de 10:1. Los solventes se cuantificaron mediante GC-FID/TCD y los cannabinoides mediante HPLC-DAD. La correlación de los datos se realizó con un cálculo flash isotérmico acoplado al algoritmo de Rachford–Rice y al modelo NRTL, implementado en un código propio en MATLAB. Así, se estimaron para todas las parejas de componentes los parámetros Aij y Bij (energías de interacción) y alfaij (parámetro de no aleatoriedad). Su disponibilidad es clave para el diseño y el escalado de procesos en simuladores como Aspen Plus y herramientas afines. La calidad y coherencia termodinámica de los parámetros se verificó mediante análisis gráficos y numéricos complementarios: se calcularon superficies de la energía libre de Gibbs de mezcla reducida (Delta G de mezcla / RT); se aplicó el criterio de tangente común en subsistemas binarios y ternarios; se ejecutó la prueba de estabilidad de Michelsen; y se compararon los diagramas construidos con parámetros predeterminados de Aspen Plus v12 frente a los parámetros ajustados en este trabajo. La representación de Delta G de mezcla / RT en función de la fracción de la fase alfa, superpuesta con las líneas experimentales de ELL, brindó una evaluación final de consistencia termodinámica de los parámetros obtenidos. Con los parámetros ajustados, se verificó la solubilidad de los cannabinoides en los solventes seleccionados y, mediante diagramas ternarios, se acotó racionalmente la subregión bifásica con mayor probabilidad de éxito para separar CBD y Delta-9-THC. Los sistemas candidatos se evaluaron mediante el cálculo de los coeficientes de partición (K, método shake-flask) y del factor de separación (alfa). Este filtro termodinámico, junto con criterios operativos, condujo a ensayos en un CPC-250 de laboratorio comparando los modos ascendente (fase móvil orgánica) y descendente (fase móvil acuosa). Se definió el sistema HEtWat 4,6/3,5/1 (v/v/v) para las siguientes pruebas en equipos CPC. Para demostrar la versatilidad de la estrategia, se trabajó con materias primas obtenidas industrialmente: (i) full spectrum producido mediante SFE con CO2 y winterización; (ii) destilados de full spectrum para quimiotipos I y III; y (iii) licor madre proveniente de la cristalización de CBD. Esta diversidad de matrices permitió definir las condiciones en que cada objetivo es más factible: HEtWat 4,6/3,5/1 (v/v/v) en modo descendente se perfila como idóneo para obtener THC-free en quimiotipo III, mientras que el modo ascendente aplicado al destilado de quimiotipo I habilita la purificación de Delta-9-THC en una sola corrida cromatográfica, alcanzando purezas del 98,3% en fracciones definidas y concentrando CBN en fracciones posteriores. Las pruebas en el equipo industrial se realizaron en un rCPC de 2 L con fases premezcladas y decantadas e inyección de la muestra preparada en la fase orgánica (por solubilidad y K). Un ensayo descendente inicial estimó una retención de fase estacionaria aproximada del 67%, confirmando la estabilidad del rotor con el sistema de solventes en la composición seleccionada. Con un diseño factorial 2×3×2 (150–200 mL/min; 0,40–0,52 min; 0,4 g/mL), se descartaron combinaciones poco productivas o que excedían límites operativos (por ejemplo, más de 50 g por loop). Las cargas entre 31 y 41 g ofrecieron el mejor compromiso entre productividad y separación. En pruebas en el equipo industrial, una carga de 41,4 g por loop permitió recuperar el 93% de la masa y producir 90,7 g de un producto Broad Spectrum con 55,18 g de CBD y una masa de Delta-9-THC de 0,08 g (rendimiento 73%). En una corrida extendida de 25 loops con una carga inferior (32 g por loop; total 800 g de full spectrum), con el fin de contar con un producto competitivo en mercados internacionales, se alcanzó una recuperación global del 97,9% en 9,16 h; las fracciones F2–F7 integradas aportaron 613 g (78%) con CBD mayor al 80% y Delta-9-THC menor al 0,05%; el 85,3% del Delta-9-THC eluyó en F9–F10 y el CBC quedó mayoritariamente en residuos/extrusión. En conjunto, la estrategia basada en el estudio termodinámico de la separación de cannabinoides en el sistema de solventes seleccionado (ajuste de parámetros NRTL en un sistema multicomponente) y una metodología experimental consistente en dos escalas habilita procesos reproducibles y transferibles para obtener THC-free alineado con la regulación y, cuando se requiere, para la purificación eficiente de Delta-9-THC. Como recomendación operativa, se propone trabajar en torno a 200 mL/min, 0,40–0,46 min, 0,4 g/mL y aproximadamente 32–37 g por loop, ajustando el modo (ascendente/descendente) a la matriz y al objetivo del proceso. (Texto tomado de la fuente)

The medical cannabis industry is expanding rapidly and already has a tangible economic and regulatory impact in Colombia. For 2025, the International Narcotics Control Board (INCB) assigned the country a quota of 85,955.64 kg of cannabis for medical and scientific purposes (≈ 86 metric tonnes), placing Colombia among the leading producers and entailing a high responsibility to comply with international regulations on the control, traceability, and quality of cannabis-derived products. In this context, this thesis presents an integrated approach to the design and operation of preparative cannabinoid separation processes using centrifugal partition chromatography (CPC), aimed at removing ∆9-tetrahydrocannabinol (∆9-THC) and selectively purifying cannabidiol (CBD), cannabigerol (CBG), and cannabichromene (CBC). The approach coherently brings together conceptual foundations on the cannabis plant, liquid--liquid equilibrium (LLE) thermodynamic modeling applied to cannabinoid separation, an alternative methodology for biphasic system selection, and two-scale experimental trials oriented toward obtaining ∆9-THC-free products (broad-spectrum formulations). The heptane/ethanol/water system (HEtWat) was selected as the solvent platform due to its performance, safety, and regulatory alignment. To understand and predict its behavior in the presence of cannabinoids, liquid--liquid equilibrium (LLE) of the multicomponent water/ethanol/heptane/∆9-THC/CBD system was measured experimentally at 282.15, 285.15, and 288.15 K under atmospheric pressure, using mixtures with a CBD:∆9-THC ratio of ≈ 10:1. Solvents were quantified by GC-FID/TCD, and cannabinoids by HPLC-DAD. Data correlation was performed using an isothermal flash calculation coupled with the Rachford--Rice algorithm and the NRTL model, implemented in an in-house MATLAB code. Thus, for all component pairs, the Aij and Bij interaction-energy parameters and the αij nonrandomness parameter were estimated. Their availability is essential for process design and scale-up in simulators such as Aspen Plus and related tools. Thermodynamic quality and coherence of the parameters were verified using complementary graphical and numerical analyses: reduced Gibbs free energy of mixing surfaces (∆GM/RT) were computed; the commontangent criterion was applied in binary and ternary subsystems; the Michelsen stability test was performed; and diagrams built with Aspen Plus v12 default parameters were compared against those generated with the fitted parameters of this work. Plotting ∆GM/RT as a function of φ (alpha-phase fraction) and superposing experimental LLE tie-lines provided a final assessment of thermodynamic consistency. With the fitted parameters, cannabinoid solubility in the selected solvents was verified. Ternary diagrams were then used to rationally delimit the biphasic subregion with the highest likelihood of successfully separating CBD and ∆9-THC. Candidate systems were evaluated by measuring partition coefficients (K, shake-flask ) and the separation factor (α). This thermodynamic filter, together with operational criteria, led to trials on a CPC-250 laboratory unit comparing ascending (organic mobile phase) and descending (aqueous mobile phase) modes. HEtWat 4.6/3.5/1 (v/v/v) was selected for subsequent tests on CPC equipment. To demonstrate strategy versatility, industrially sourced feeds were processed: (i) full spectrum (FS) produced via CO2 SFE and winterization; (ii) FS distillates for chemotypes I and III; and (iii) mother liquor from CBD crystallization. This diversity of matrices allowed defining the conditions under which each objective is more feasible: HEtWat 4.6/3.5/1 (v/v/v) in descending mode is suitable for THC-free products in chemotype III, whereas ascending mode applied to chemotype-I distillate enables one-pass ∆9-THC purification, reaching 98.3 % purity in defined fractions and concentrating CBN in later fractions. Trials on an industrial CPC unit (rCPC, 2 L) were conducted with pre-mixed and decanted phases and the sample prepared in the organic phase (based on solubility and K). An initial descending-mode test estimated Sf ≈ 67 %, confirming rotor stability for the selected solvent composition. Using a 2 × 3 × 2 factorial design (150--200 mL·min−1 ; 0.40--0.52 min; 0.4 g·mL−1 ), combinations that were unproductive or exceeded operating limits (e.g., > 50 g per loop) were discarded. Loads between 31 and 41 g offered the best compromise between productivity and separation. In trials on the industrial unit, a 41.4 g-per-loop load enabled 93 % mass recovery and yielded 90.7 g of a broad-spectrum product with 55.18 g of CBD and a mass of 0.08 g of ∆9-THC (73 % yield). In an extended 25-loop campaign with a lower load (32 g per loop; total 800 g FS), targeting a product competitive in international markets, an overall recovery of 97.9 % was achieved in 9.16 h; pooled F2--F7 provided 613 g (78 %) with CBD > 80 % and ∆9-THC < 0.05 %; 85.3 % of ∆9-THC eluted in F9--F10, and CBC was largely found in residues/extrusion. Taken together, the strategy—thermodynamic study of cannabinoid separation in the selected solvent system (NRTL parameter fitting for a multicomponent system) plus a consistent two-scale experimental methodology—enables reproducible and transferable processes to obtain THC-free products aligned with regulatory requirements and, when needed, efficient ∆9-THC purification. As an operational recommendation, work around 200 mL·min−1 , 0.40--0.46 min, 0.4 g·mL−1, and approximately 32--37 g per loop, adjusting the operating mode (ascending/descending) to the feed matrix and process objective.