Die CO₂-Extraktion ist eine der beliebtesten und effektivsten Methoden zur Gewinnung von CBD-Öl.

In einem ersten Produktionsschritt werden die Pflanzen durch Erhitzen auf 100-150°C decarboxyliert und zerkleinert. Dabei wird CBDA in CBD umgewandelt. Danach wir gekühltes, flüssiges Kohlenstoffdioxid mittels einer Pumpe auf 50-70 Bar komprimiert und in den sogenannten Extraktor geleitet, in den sich das Pflanzenmaterial befindet. In einem weiteren Produktionsschritt werden die extrahierten Inhaltsstoffe in einem sogenannten Seperator von den restlichen Substanzen mittels Druck und Temperatur getrennt.

Das Gas wird aus dem Kohlendioxidtank mit einer Kühlschlange zum Kondensator kondensiert. Der Kondensator dient auch als Speicherbehälter für das Kohlendioxid während der Extraktion. Anschließend wird das flüssige Kohlendioxid mit einer Pumpe  aus dem Kondensato angesaugt und auf den erforderlichen Druck eingestellt. Der Wärmetauscher bringt das Kohlendioxid auf das erforderliche Temperaturniveau. In den Behältern 1-4 befindet sich das Material, welches extrahiert werden soll. Wird ein Behälter geleert und wieder befüllt, kann das CO₂ weiterhin durch die anderen Behählter strömen, sodass die Anlage kontinuierlich laufen kann. Das Material ist in Körben eingeschlossen und wird in den Absaugbehälter gebracht. Nach dem Absenken der gefüllten Körbe können die Extraktionsbehälter oben mit Halbschalen verschlossen werden. Bei diesen Körben handelt es sich um zylindrische Edelstahlbehälter, die oben und unten mit perforierten Metallplatten verschlossen sind, so dass CO₂ durch die Stoffe strömen kann. Auf diese Weise können die Pflanzeninhaltsstoffe vom CO₂ absorbiert werden. Nachdem der letzte Behälter durchströmt wurde, wird der Druck auf der Extraktlösung über das Ventil abgelassen. Der Wärmetauscher muss hinter dem Ventil heizen, da aufgrund des Joule-Thomson-Effekts Leistungen einfrieren könnten. Durch die Druckminderung wird das CO₂ gasförmig und trennt sich so vom Extrakt, der im Abscheider verbleibt. Anschließend kehrt das Kohlendioxid in den Kondensator zurück, in dem es kondensiert und somit wieder für den Extraktionsprozess zur Verfügung steht.

Das Gas wird aus dem Kohlendioxidtank mit einer Kühlschlange zum Kondensator kondensiert. Der Kondensator dient auch als Speicherbehälter für das Kohlendioxid während der Extraktion. Anschließend wird das flüssige Kohlendioxid mit einer Pumpe  aus dem Kondensato angesaugt und auf den erforderlichen Druck eingestellt. Der Wärmetauscher bringt das Kohlendioxid auf das erforderliche Temperaturniveau. In den Behältern 1-4 befindet sich das Material, welches extrahiert werden soll. Wird ein Behälter geleert und wieder befüllt, kann das CO₂ weiterhin durch die anderen Behählter strömen, sodass die Anlage kontinuierlich laufen kann. Das Material ist in Körben eingeschlossen und wird in den Absaugbehälter gebracht. Nach dem Absenken der gefüllten Körbe können die Extraktionsbehälter oben mit Halbschalen verschlossen werden. Bei diesen Körben handelt es sich um zylindrische Edelstahlbehälter, die oben und unten mit perforierten Metallplatten verschlossen sind, so dass CO₂ durch die Stoffe strömen kann. Auf diese Weise können die Pflanzeninhaltsstoffe vom CO₂ absorbiert werden. Nachdem der letzte Behälter durchströmt wurde, wird der Druck auf der Extraktlösung über das Ventil abgelassen. Der Wärmetauscher muss hinter dem Ventil heizen, da aufgrund des Joule-Thomson-Effekts Leistungen einfrieren könnten. Durch die Druckminderung wird das CO₂ gasförmig und trennt sich so vom Extrakt, der im Abscheider verbleibt. Anschließend kehrt das Kohlendioxid in den Kondensator zurück, in dem es kondensiert und somit wieder für den Extraktionsprozess zur Verfügung steht. [62]

Die unterkritische Zustand bezeichnet den Bereich unter dem kritischen Punkt. Bei unterkritischen Extraktionen wird mit Kohlenstoffdioxid in seinem flüssigen Zustand, niedrigerem Druck und geringerer Temperatur gearbeitet. Dieser „sanftere“ Prozess hat aber mit ca. 10-40 Durchgängen auch eine längere Extraktionszeit als der superkritische mit ca. 3-10 Durchgängen. Außerdem  werden Wachse und andere komplexe Moleküle nicht in gleichem Maße gelöst, was einen geringeren Ertrag zur Folge hat. Der Vorgang schont jedoch temperatursensible Öle und Terpene.

Der Überkritische Zustand bezeichnet jenen Zustand, in dem sich die Gas- und Flüssigphasen eines Stoffes angleichen und zu einem homogenen Aggregatzustand werden; also über dem kritischen Punkt liegen. Der dort herrschende Druck verdichtet die Moleküle des Lösungsmittels und mit Regulierung der Temperatur wird schließlich der gewünschte Zustand erreicht. Bei Kohlenstoffdioxid liegt dieser bei ca. 74 bar und 31,1°C. Ab hier wird das superkritische Lösungsmittel, welches durch Feineinstellung des Drucks und der Temperatur in seiner Löslichkeit verändert werden kann, Stoffe lösen.

Im überkritischen Zustand wandeln sich die Eigenschaften des Lösungsmittels, um die Vorteile der Gas- und Flüssigphase zu vereinen.

• Erhöhte Dichte mit Annäherung an die Eigenschaften der Flüssigkeit
• Verringerte Viskosität mit Annäherung an die Eigenschaften des Gases
• Erhöhten Diffusion mit den Eigenschaften von beiden Phasen
• Keine Oberflächenspannung mit der Eigenschaft des Gases

Das hat ein schnelleres Massetransportverhalten (den Transport von Masse pro Zeiteinheit) zur Folge und trägt durch erleichterte Stoffübergangsprozesse enorm zur effizienten Lösung von Inhaltsstoffen bei.

Allgemein gilt: Je höher der Druck, desto stärker ist das Lösungsmittel. Jedoch sollte dabei bedacht werden, dass dadurch auch die Selektivität des Lösungsmittels leidet. Durch das aggressivere Verhalten kommt es zu einer Extraktion von weiteren Molekülen, die mitunter unerwünscht sind. So wurde in einer Studie, welche die Faktoren der superkritischen CO₂-Extration untersuchte, festgestellt, dass ein Druck von 340 bar und eine Temperatur von 54,85 °C den höchsten Gesamtertrag erzielt. Dabei ist zu beachten, dass dies auch einen höheren Anteil an nicht erwünschten Stoffen zur Folge hat. Durch die Anpassung des Drucks auf 130 bar bei gleicher Temperatur zeigte sich, dass so der THC-Gehalt im Extrakt maximiert werden kann. Es lässt sich also durch Veränderungen in Temperatur und Druck steuern, welche Stoffe extrahiert werden sollen. 

Grundsätzlich kommt es bei der superkritischen CO₂-Extraktion auf zwei Schritte an:

1. Das Lösen der gewünschten Stoffe aus dem Cannabis

1. Trennung des dabei gewonnenen Extrakts vom Lösungsmittel

Vorab müssen das Pflanzenmaterial oder das Öl decarboxyliert werden, wobei die inaktiven Cannabinoide durch Wärmeenergie von einer Säuregruppe getrennt werden und so in den aktiven Zustand übergehen. Zudem sollte das Pflanzenmaterial weitgehend von Feuchtigkeit befreit werden um die Bildung von Kohlensäure, welche beim Kontakt von CO₂ und Wasser entsteht, zu vermeiden.

Im ersten Schritt wird flüssiges Kohlenstoffdioxid aus dem Reservoir in die Extraktionskammer gepumpt, um den kritischen Druck zu erreichen. Es wird auf die kritische Temperatur gebracht und trifft dann im überkritischen Zustand auf das Pflanzenmaterial. Jetzt beginnt das Kohlenstoffdioxid damit Cannabinoide, Terpene und andere Stoffe aus den Pflanzenmaterial zu lösen. Um das CO₂ von den gelösten Stoffen zu trennen, wird die Mischung in die Separationskammer geleitet. Im Rahmen des zweiten Schrittes werden nun die Bedingungen so geändert, sodass das jetzt gasförmige, CO₂ vom Extrakt getrennt wird. Es wird anschließend im Kondensator wieder verflüssigt um es in das Reservoir, und damit in den Kreislauf, zurückzuführen. Das gesammelte Extrakt kann dann entnommen und weiterverarbeitet werden.

Hier ist aber oft noch nicht Schluss. Nach der regulären Extraktion wird oft noch eine zweite Extraktion mittels weiterer Lösungsmittel wie Alkohole angewendet, die man „winterizing“ oder auch „dewaxing“ nennt. Dies geschieht entweder direkt im Extraktor, in einem sogenannten „inline-winterizing“, oder erst später. Dabei wird das Konzentrat außerhalb mit einem weiteren Lösungsmittel vermischt, erhitzt und anschließend bis zu 48 Stunden tiefgekühlt. Dadurch werden verschiedene ungewünschte Stoffe wie Wachse, Glyceride und ungesättigte Fettsäuren vom gelösten Extrakt getrennt und können herausgefiltert werden. Zu guter Letzt wird das Ethanol im Vakuum abgedampft. [63]

Die Winterisierung ist ein Verfahren zur Entfernung unerwünschter Stoffe aus dem Hanf, wie beispielsweise Fette, Wachse und Lipide. Ohne Winterisierung lassen diese Elemente das Endprodukt trüb, dunkel und unangenehm schmecken. Der Prozess der Winterisierung beginnt mit dem Rohextrakt direkt aus der CO₂-Maschine. Dieses Rohöl enthält alle wesentlichen Bestandteile der Hanfpflanze mit Ausnahme des eigentlichen Pflanzenmaterials. Das aus der CO₂-Maschine gewonnene Rohöl hat eine schöne, helle Farbe, vor allem im Vergleich zu dem mit Alkohol extrahiertem Öl, das ein dunkles, schlammartiges Aussehen hat. Das Rohöl wird mit 200 prozentigem Alkohol versetzt und kräftig gerührt, bis es vollständig vermischt ist. Der Alkohol wird zur Verdünnung des Rohöls verwendet, da sich die gewünschten Teile des Rohöls im Alkohol auflösen, während die unerwünschten Teile gerinnen und gefrieren um sie herausfiltern zu können. Das Gemisch wird dann in einem Gefrierschrank bei Temperaturen unter Null gelagert. Sobald es gefroren gefroren ist, sieht es trübe aus und ist bereit für die Filtration. Der nächste Schritt besteht darin, die Mischung in Gefäße mit Papierfiltern zu geben, um die gefrorenen Fette, Wachse und Lipide zu entfernen. Das eigentliche CBD-Öl verbleibt in der Alkohollösung und läuft durch den Filter, während die gefrorenen unerwünschten Teile von diesem aufgefangen werden. Wenn die Überwinterung erfolgreich ist, sammeln die Filter alle gefrorenen Pflanzenwachse aus dem Öl auf und lassen sie obenauf liegen. Ist ein Lauf abgeschlossen, werden die Filter und Wachse entsorgt. Das saubere Öl wird in einen Auffangbehälter geleitet, wo es für weitere Läufe wieder eingefroren wird. Nachdem es gefiltert und von unerwünschten Bestandteilen befreit wurde, wird der Alkohol entfernt. Dies geschieht mit einem Rotationsverdampfer. [64]

Die Ultraschallextraktion ist eine effiziente Methode zur Gewinnung bioaktiver Substanzen wie Flavone, Polyphenole, Anthocyane und Öle aus Pflanzenteilen. Dabei erzeugen hochintensive Ultraschallwellen in einer Lösung aus Pflanzenmaterial und Lösungsmittel akustische Kavitation – die durch Ultraschall verursachte Bildung, Wachstum und Implosion von Kavitationsblasen in einer Flüssigkeit. Diese Implosionen erzeugen lokale Hotspots mit extremen Temperaturen (bis zu 5000 K) und Drücken (ca. 1000 atm), wodurch Zellwände aufgebrochen und die Wirkstoffe freigesetzt werden. Zusätzlich entstehen Hochgeschwindigkeits-Flüssigkeitsjets und Stoßwellen, die die Oberfläche der Pflanzenzellen beschädigen und so die Extraktionseffizienz erhöhen. In Flüssigkeit-Pulver-Suspensionen führt dies zudem zu interpartikulären Kollisionen, die die Struktur der Partikel verändern und ihre Reaktivität beeinflussen. [Suslick 2001: 2f.]

Dieses extreme Umfeld der Ultraschallkavitation hat verschiedene Effekte auf das Pflanzenmaterial und seine Extrahierbarkeit:

• Überwindung der selektiven Permeabilität der Zellmembran
• erhöhter Stoffaustausch zwischen Zellinnenraum und Lösungsmittel
• Zellaufschluss, Freisetzung von intrazellulärem Material [65]

Bei der Perkolation läuft der Auswasch- und Diffusionsprozess durch das kontinuierlich einfließende Lösungsmittel, bis das Extraktionsgut erschöpft ist. Normale Perkolationsprozesse bestehen aus folgenden Hauptgeräten: Lösungsmittelspeicherbehälter, Perkolator und Sammelbehälter. Die Form des Perkolators kann zylindrisch oder leicht konisch sein. Der Raum, in dem das Extraktionsgut gefüllt ist, wird oben und unten mit einer Siebplatte verschlossen. Der Perkolationsprozess besteht aus den folgenden Phasen: Befeuchten des pulverisierten Extraktionsguts, Quellen, Befüllen, Perkolation und Abtropfen.

Auch Wasserdestillation gennant. Das Produkt wird direkt mit Wasser vermischt und gekocht, bis kein ätherisches Öl mehr kondensiert werden kann.

Wasser- und Dampfdestillation: Hier liegt das Destillationsgut auf einem Rost, der sich über der Wasserblase befindet. Der entstehende gesättigte Dampf strömt durch das Destillationsmaterial und trägt das ätherische Öl entsprechend dem Dampfdruck mit sich.

Dampfdestillation: Das zu destillierende Material wird mit überhitztem oder gesättigtem Dampf durchströmt. Aufgrund der hohen Temperatur verkürzt sich die Destillationszeit, es besteht aber die Gefahr, dass sich die Substanzen zersetzen.

Um die Effizienz zu steigern, werden oft Ethanol-Wasser-Gemische verwendet. Der Wasseranteil unterstützt das Aufquellen der pflanzlichen Zellstrukturen, wodurch die Wirkstofe besser zugänglich werden. Die Konzentration des Ethanol-Wasser-Gemisches wird dabei an die spezifischen Eigenschaften des Pflanzenmaterials und der gewünschten Inhaltsstoffe angepasst. [66]