Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
Obtención de 
Bioetanol a 
partir del 
almidón de 
maíz 
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Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
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CÓDIGO DEL PROYECTO: 
Palabras clave: maíz, alcohol etílico 
I. Ge...
Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
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RESÚMEN 
La necesidad mundial en la producción de biocombustibles,...
Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
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ABSTRACT 
The global need for the production of biofuels, has led ...
Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
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INTRODUCCION 
En la actualidad la generación de alternativas energ...
Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
II. ASPECTOS DE LA INVESTIGACIÓN 
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REALIDAD PROBLEMÁTICA 
2.1. PLAN...
Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
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La producción de alcohol se da generalmente a partir de la melaza ...
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Como se menciona la fermentación alcohólica se puede dar 
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tecnológica con los países industrializados de Suramérica como 
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2.4. OBJETIVOS 
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2.4.1.-GENERAL. 
Evaluar la obtención bioetanol a...
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servirán como punto de referencia a futuros investigadores que 
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 “PRODUCCIÓN DE BIOETANOL” 
Rómulo Aycachi Inga, Lambayeque 2009...
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relativamente fáciles deconseguir, además que no competiría con 
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VARIEDADES DEL MAIZ PERUANO 
El Perú cuenta con 35 variedades de ...
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Durante este proceso la energía solar se transforma y se almacena...
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La relativa simplicidad de la ruta bioquímica determinada por los...
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amarillo y el 70% de álamo. Esto es probablemente causado por el ...
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empleadas son: Zimomonasmobilis, Erwiniaamilovora, 
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Al igual que con las bacterias se han desarrollado investigacione...
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3.3.- HIPÓTESIS 
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 BIOETANOL:El bioetanol se produce por la fermentación de los 
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Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
 GRADOS BRIX:sirven para determinar el cociente total de sacarosa o ...
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el mayor volumen de producción a nivel mundial, superando incluso...
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4.3.- MATERIALES Y MÉTODOS 
4.3.1 MATERIALES: 
INSUMOS 
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4.2.2: Técnicas: 
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TABLA N° 3: PH DURANTE LA HIDROLISIS ÁCIDA HCL AL 20% 
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TABLA N° 5: GRADOS BRIX DURANTE LA FERMENTACIÓN 
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5.1.2.- ANÁLISIS ESTADÍSTICOS DE LOS DATOS 
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Para el análisis esta...
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GRÁFICA N° 2: PH DURANTE LA HIDROLISIS BÁSICA NAOH AL 
40% 
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V.- ASPECTO ADMINISTRATIVO 
5.1.-.CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES 
Tiempo 
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Bienes 
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5.2- PRESUPUESTO 
5.3.-FINANCIAMIENTO 
Todo lo relacionad...
Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
VI.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 
1. BROCK y MADIGAN. Michael. Biologí...
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11. LEÓN, José Guillermo. Los Biocombustibles. Conferencia ARPEL. Pun...
Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 
20. Toma Pejo, E., Alvira, P., Ballesteros, M., & Negro, M. (2011). 
...
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CONCLUSIONES 
 La hidrolisis acida y básica ayuda a desintegrar ...
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ANEXOS 
PRE TARATAMIENTO
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HIDRÓLISIS 
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FERMENTACIÓN 
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DESTILACIÓN 
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  1. 1. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 1 A S E S O R : I n g . R u b é n D a r í o S a c h u n G a r c i a Lucia Parraguez Mendoza
  2. 2. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 2 CÓDIGO DEL PROYECTO: Palabras clave: maíz, alcohol etílico I. Generalidades: 1.1. Título. - Evaluación de la obtención de bioetanol a partir del almidón de maíz 1.2. Personal Investigador. - Autor: Parraguez Mendoza Lucia Rosaura 1.3. Tipo de Investigación. 1.3.1 De acuerdo al fin que persigue -Aplicada 1.3.2. De acuerdo al Diseño de Investigación -Experimental. 1.4. Área de Investigación - Ingeniería y Tecnología 1.5. Línea de Investigación - Química Analítica 1.6. Localidad e Institución donde se desarrolla el proyecto. - Institución para trabajo de laboratorio: - Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo – FIQIA Laboratorio de Analítica. 1.7. Duración estimada del proyecto. - 4 meses 1.8. Fecha de inicio. - 10-07-2014 1.9. Fecha de término. - 10-10-2014
  3. 3. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 3 RESÚMEN La necesidad mundial en la producción de biocombustibles, ha llevado a explorar nuevas estrategias de proceso y a usar materias primas alternativas con el objetivo de optimizar la producción. Siendo el etanol uno de los biocombustibles mas novedosos de la actualidad. Sin embargo, han sido y son muchos los limitantes que se han presentado en torno a la obtención de etanol a partir de este tipo de materiales, debido a su estructura lignocelulosa de compleja degradación. Por ello, han surgido diversidad de trabajos e investigaciones, que abarcan distintas problemáticas y proponen alternativas de solución y aportes enormes que poco a poco han abierto el camino hacia la explotación de la biomasa lignocelulósica para este fin. Este proyecto muestra la alternativa de usar el almidón de maíz para la producción de etanol, tratando en un principio la materia prima y sometiéndola a hidrólisis acida, calentamiento e hidrólisis básica y luego ser sometida a fermentación con ayuda de la levadura Saccharomyces cerevisiae, para luego ser destilada y determinar los grados alcohólicos en cada una de las muestras, el cual en la mayoría se aproxima a 20. En este proyecto se concluye que la cantidad de grados alcohólicos son estrechamente diferentes en las muestras, ya que se ve afectada ligeramente por la concentración de almidón que hay en cada uno
  4. 4. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 4 ABSTRACT The global need for the production of biofuels, has led to explore new strategies process and use alternative raw materials in order to optimize production. Nowadays the ethanol is the biofuels more newfangled. However, there have been many limits around the production of ethanol due to this kind of materials have a structure of lignocellulose with a complex degradation. Therefore, diversity of research works have emerged and research, covering various issues and propose alternative of solutions, so these have gradually opened the way to the exploitation of lignocellulosic biomass for this purpose. This project show an interesting alternative for the use of the maize starch for the production of ethanol, which is submitted to crushing, acid hydrolysis, warming and basic hydrolysis and then to a fermentation with Saccharomyces cerevisie, after that it is submitted to a distilled and determined the degrees alcoholics, about 20 degrees. The conclusion of this project is that degrees alcoholics are minimally different in the samples, because are affected by the concentration of starch in each one.
  5. 5. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 5 INTRODUCCION En la actualidad la generación de alternativas energéticas distintas a las ya convencionales obtenidas principalmente de la explotación del petróleo, ha conllevado al uso de materias primas naturales dando lugar a los llamados biocombustibles dentro de los cuáles destaca el bioetanol. Ello ha surgido a raíz de la necesidad de proteger el medio ambiente, preservar los recursos tanto renovables como no renovables y maximizar el potencial de uso de productos agrícolas, y en especial de los subproductos que estos generan al someterlos a distintos procesos agroindustriales, cuya disposición final es un gran problema ambiental. De estos subproductos ó residuos en su mayoría corresponden a biomasa lignocelulosica rica en polímeros de celulosa y hemicelulosa entre 75-80%, los cuales pese a su dificultosa degradación, es posible mediante procesos químicos, físicos y/ó biológicos desdoblarlos a azucares monosacáridos para su posterior conversión a etanol. Las apuestas en investigación están dirigidas al estudio e incursión de pre tratamientos viables tanto en proceso como económicamente para este tipo de materias primas, y el uso de microorganismos, hongos y/o bacterias modificadas, combinadas, etc., para la potencialización de estas en la fermentación de azucares y posterior obtención de bioetanol.
  6. 6. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz II. ASPECTOS DE LA INVESTIGACIÓN 6 REALIDAD PROBLEMÁTICA 2.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Debido al agotamiento progresivo de los combustibles fósiles, en los últimos años se ha generado una gran preocupación por parte de los países de todo el mundo por buscar nuevas fuentes de energía, pero hasta el momento no se ha desarrollado una fuente de energía que reemplace por completo a los combustibles fósiles, debido a que poseen un gran potencial energético. Sin embargo, se han desarrollado innumerables estudios a lo largo de estas cuatro últimas décadas y en la literatura científica se reporta que una potencial fuente nueva energía es la biomasa, que supone la obtención de combustibles desde fuentes vivas (plantas, microorganismos, incluso algunos residuos de animales), como el etanol o alcohol etílico, producido a partir de la fermentación de los azucares que se encuentran en los productos vegetales (cereales, caña de azúcar, remolacha, maíz entre otros). Este combustible debidamente procesado poco a poco comienza a penetrar como combustible en el mercado internacional. El alcohol no es un producto como cualquier otro, ha formado parte de la civilización humana durante miles de años. El alcohol etílico no sólo es el producto químico orgánico sintético más antiguo empleado por el hombre, sino también uno de los más importantes.
  7. 7. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 7 La producción de alcohol se da generalmente a partir de la melaza de la caña de azúcar, sin embargo debido al agotamiento progresivo de los combustibles fósiles, en los últimos años se ha generado una gran preocupación por parte de los países de todo el mundo por buscar nuevas fuentes de energía, pero hasta el momento no se ha desarrollado una fuente de energía que reemplace por completo a los combustibles fósiles, debido a que poseen un gran potencial energético. En la últimas cuatro décadas se han desarrollado innumerables estudios y en la literatura científica se reporta que una potencial fuente nueva energía es la biomasa, que supone la obtención de combustibles desde fuentes vivas (plantas, microorganismos, incluso algunos residuos de animales), como el etanol o alcohol etílico, producido a partir de la fermentación de los azucares que se encuentran en los productos vegetales (cereales, caña de azúcar, remolacha, maíz entre otros). Como se sabe, la fermentación alcohólica (denominada también como fermentación del etanol o incluso fermentación etílica) es un proceso biológico en plena ausencia del oxígeno, originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azúcares, como por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol.
  8. 8. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 8 Como se menciona la fermentación alcohólica se puede dar utilizando el almidón, que es un polisacárido de reserva alimenticia predominante en las plantas, constituido por amilosa y amilopectina. El almidón es la sustancia con la que las plantas almacenan su alimento en raíces (yuca), tubérculos (patata), frutas y semillas (cereales). 2.2. FORMULACIÓN DEL PROBLEMA ¿Se podrá obtener bioetanol a partir de la hidrólisis de almidón de maíz y la fermentación con Saccharomycescereviseae? 2.3. JUSTIFICACION E IMPORTANCIA DEL ESTUDIO En este trabajo de investigación se presentará en forma clara, la posibilidad de obtener otro producto del maíz como es el etanol, por esta razón el proyecto es de mucha importancia ya que se daría a conocer una tecnología adecuada para la producción. Los recursos no renovables (combustibles fósiles) en el país día a día se están agotando debido a la gran demanda que estos generan a nivel mundial por las diferentes aplicaciones y usos que estos tienen en procesos industriales. Este proyecto se hace necesario para la búsqueda de alternativas energéticas viables con el fin de disminuir el consumo de los combustibles fósiles debido a la contaminación que estos generan y con el tiempo poder llegar a remplazarlos. Por otra parte generaría desarrollo en las investigaciones del país cerrando poco a poco la brecha
  9. 9. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 9 tecnológica con los países industrializados de Suramérica como Brasil. La Ingeniería Química como ciencia está a la expectativa de nuevas investigaciones, teorías o procesos de fabricación las cuales conforman una ciencia más competitiva frente al ámbito laboral ya que el papel del ingeniero químico en la industria es fundamental en el desarrollo de muchos procesos. Mediante la obtención de etanol a nivel de laboratorio se desarrollaran los pasos adecuados para realizar el proceso en mayores proporciones. La ejecución de este proyecto puede acarrear ciertos beneficios tanto para los agricultores como para la industria. Para el agricultor ya que así podrá incrementar la producción de maíz y venderla en su totalidad a la industria, ya no sólo quedarse en la producción artesanal de almidón de maíz sino avanzar un paso más que es la obtención de alcohol etílico. Los beneficios que podría tener la industria son desarrollar nuevos productos, como es el ya mencionado combustible entre otros los cuales serían atractivos para el consumidor y abriría nuevos mercados implantando nuevas líneas de producción y a la vez promoviendo la creación de una fuente de trabajo.
  10. 10. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 2.4. OBJETIVOS 10 2.4.1.-GENERAL. Evaluar la obtención bioetanol a partir del almidón de almidón mediante hidrolisis y posterior fermentación. 2.4.2.-ESPECIFICO.  Diseñar una tecnología adecuada para la obtención debioetanol  Realizar la fermentación del hidrolizado obtenido, mediante la utilización de la levadura Saccharomycescerevisiae III.- MARCO TEÓRICO 3.1.-ANTECEDENTES DE INVESTIGACIÓN  EVALUACIÓN DE LA OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DEL ALMIDÓN DE ÑAME (DIOSCOREA ROTUNDATA, DIOSCOREA ALATA Y DIOSCOREA TRÍFIDA) MEDIANTE LA HIDRÓLISIS ENZIMÁTICA Y POSTERIOR FERMENTACIÓN. José Luis Murgas Torres, Miguel Ángel Vásquez Monterrosa. Cartagena 2012. Hoy en día la búsqueda de energías alternativas y su utilización se ha convertido en una de las principales preocupaciones y desafíos para la humanidad. De seguir así, con el consumo desaforado de los combustibles fósiles, el futuro de la humanidad y del planeta se prevé desastroso debido al acelerado ritmo de
  11. 11. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 11 contaminación y al gran impacto que se ha generando en la capa de ozono por su combustión. Por lo planteado anteriormente esta investigación tiene como finalidad realizar la evaluación de la obtención de etanol a partir de tres variedades de ñame como sustrato,mediante el proceso de hidrólisis enzimática y posterior fermentación, teniendo en cuenta las propiedades que posee este tubérculo y sualta producción en las zonas regionales, con lo que se busca darle un valor agregado al uso de este producto agrícola. De acuerdo a lo planteado anteriormente, en el primer capítulo del proyecto se realizó el planteamiento y la formulación del problema, en donde se destaca la importancia de evaluar un nuevo sustrato (ñame) para la obtención de etanol y utilizarlo como alcohol carburante y así minimizar las emisiones de gases en la atmósfera reduciendo así el impacto ambiental, también se proponen los OBJETIVOS los cuales deben ser alcanzables para que la investigación sea valedera. En el segundo y tercer capítulo, se recopilaron las investigaciones realizadas previamente a esta investigación, las bases teóricas que fundamentan la investigación y se planteo la metodología empleada para la obtención de los resultados, además se establece las fuentes de información utilizadas y la descripción de las variables implicadas en el proceso. En el capítulo 5 y 6 se encuentran las conclusiones y recomendaciones que se pudieron extraer del proyecto, que
  12. 12. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 12 servirán como punto de referencia a futuros investigadores que decidan indagar o explorar en este campo o que deseen llevar a cabo el proceso a escala piloto o industrial.  “USO DEL ALMIDÓN DE YUCA PARA LA OBTENCIÓN DE ALCOHOL ETÍLICO” Arévalo Moncayo Alejandra Marilyn, Ambato – Ecuador 2011. El presente trabajo de investigación describe la tecnología utilizada para la obtención de alcohol etílico a partir del almidón de yuca, así como también las variables para poder determinar con que tratamiento se logra obtener mayor cantidad de alcohol etílico después de la fermentación. Las variables estudiadas fueron: el porcentaje de almidón en la suspensión (20% y 25%) y el tiempo de hidrólisis con alfa amilasa (1h y 1.5h); se seleccionó estas dos variables porque afectan directamente a la cantidad de azúcares formados (°Brix), los cuales son utilizados por las levaduras, para convertirlos en alcohol etílico y gas carbónico. Los factores de estudio son grados alcohólicos, °Brix y pH. La obtención de alcohol etílico consistió en tres etapas. La primera fue la obtención de almidón de yuca, consiguiendo un rendimiento del almidón de 16.51%. En la segunda etapa con el almidón obtenido se preparó una suspensión para someterla a hidrólisis con alfa amilasa y glucoamilasa, para convertir el almidón en glucosa. En la tercera etapa se desarrolla la
  13. 13. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 13 fermentación, durante 34 días; todos los tratamientos permanecieron en fermentación el mismo tiempo, para así poder apreciar las variaciones que se produce por el diferente porcentaje de almidón y tiempo de hidrólisis. Mediante el análisis estadístico de los resultados se determinó que el mejor tratamiento corresponde a la utilización de una suspensión de almidón al 25% y un tiempo de hidrólisis con alfa amilasa de 1.5h (a1b1) con los cuales se obtuvo el mayor grado alcohólico 12.5%. Otros resultados relevantes son los del pH y °Brix; durante la fermentación existen ligeros cambios del pH, los datos de pH se encuentran alrededor de 6.5, en cuanto a los resultados de los °Brix van descendiendo hasta valores entre 14 y 21.5 °Brix.  “ESTUDIO EXPERIMENTAL DE OBTENCIÓN DE BIOETANOL A PARTIR DE RESIDUOS AGRÍCOLAS DE BANANO ORGÁNICO EN PIURA” Junneyder Escalante Calderón, Hilda Fuentes Aquije. Piura, 2013. Los materiales lignocelulósicos son considerados aptos para la producción de etanol de segunda generación. En la región Piura se generan 5 400 000 toneladas/año de residuos agrícolas de banano orgánico (hojas, pseudotallos y raquis). En la presente
  14. 14. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 14 tesis se ha realizado un estudio experimental que ha permitido obtener etanol a partir de dichos residuos. La secuencia de procesos para la obtención de etanol a nivel de laboratorio, fue la siguiente: pretratamiento, deslignificación, hidrólisis enzimática, fermentación y destilación. Los pretratamientos utilizados fueron: SteamExplosion(SE) y Liquid Hot Water(LHW). La mayor degradación de la hemicelulosa correspondió a una variación de pH de 2,5, en ensayos de LHW con pseudotallo húmedo; mientras que con el pretratamiento SE solo alcanzó una variación de pH de 1,5. La hidrólisis enzimática se realizó con enzimas celulolíticasCellicCtec 2 (Novozymes),alcanzando un rendimiento del 29%. El proceso de fermentación se estabilizó al quinto día, sin haberse podido determinar la cantidad de glucosa presente. Se consiguió un destilado de 92% de pureza en peso y un rendimiento etílico de 0,078 g de etanol/g de biomasa. En conclusión, es técnicamente factible la producción de etanol a partir de estos residuos, sinembargo, es necesario abordar con mayor profundidad las condiciones óptimas para cada proceso con el fin de implementar dicha tecnología a nivel industrial.
  15. 15. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 15  “PRODUCCIÓN DE BIOETANOL” Rómulo Aycachi Inga, Lambayeque 2009 Los Biocombustibles no son buenos o malos por sí mismos, sino, básicamenteva a depender de cómo se lleven a cabo las políticas y regulaciones dadas parapoder ver si son favorables o desfavorables. El Bioetanol no podrá sustituir totalmente a los combustibles fósiles, pero sícomplementarlos en forma de mezclas con el fin de reducir la dependenciarespecto del petróleo. Los principales objetivos de la producción de Bioetanol son: preparar mezclascon gasolina (E5, E10, E85) y aditivos como el ETBE (que reemplacen a losMTBE). De todas las materias primas utilizadas actualmente para producir Bioetanol, lacaña de azúcar es la que tiene el rendimiento más bajo por tonelada, pero tieneun alto rendimiento agrícola. La energía requerida para obtener maíz en el proceso agrícola es 11 vecesmayor que la necesaria para cultivar la caña y producir etanol de su jugo. La yuca, el sorgo dulce y la remolacha tienen un alto rendimiento de alcohol porhectárea, pero su producción agrícola es muy baja para el propósito industrial. La materia prima más prometedora es la de emplearía materiales celulósico ylignocelulósicos, ya que son materias primas baratas y
  16. 16. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 16 relativamente fáciles deconseguir, además que no competiría con los terrenos para cultivo alimentario,ya que la mayoría son materiales de desecho agrícola o industrial; el reto estáendesarrollar tecnologías que abaraten los procesos de extracción de azúcarespresentes en estos compuestos o de desarrollar microorganismos modificadosque puedan metabolizarlos directamente. Otros materiales que podrían ser competitivas en un futuro cercano serian losdesechos industriales tales como las melazas (de la industria azucarera) y lossueros de leche (de las industrias lácteas); esto siempre y cuando se logrenmejorar algunos aspectos claves en su producción. Todas las materias primas generan coproductos de un significativo valoragregado, que pueden ser destinados con éxito para la alimentación del ganado,por su contenido energético. El microorganismo con mayor capacidad para producir etanol es Z. mobilis. Conayuda de la Ingeniería Genética, se podrá lograr en esta bacteria, una mayorgama de fuentes de carbono fermentables. En el Perú, ante la falta de claridades en la información, la promoción de losBiocombustibles se presenta apurada y desordenada, lo que representa un granriesgo para la seguridad alimentaria y el ambiente. Siendo este un problemacomplejo, se debe promover la investigación y una toma de
  17. 17. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 17 decisionestransparente y que de cuenta de las distintas dimensiones e impactos que tieneeste tema, ya que la falta de coordinación, la escasez de criterios y el apuro porsu promoción configuran un escenario en que las decisiones no se toman deacuerdo a evaluaciones integrales, sino de manera errática y basada enobjetivos de corto plazo sin pensar en el futuro. 3.2.-BASE TEÓRICA 3.2.1.- BIOETANOL El etanol es un combustible que puede producirse a partir de un gran número de plantas, con una variación, según el producto agrícola, del rendimiento entre el combustible consumido y el generado en dicho proceso. Este etanol, conocido como bioetanol, está sujeto a una fuerte polémica: para unos se perfila como un recurso energéticopotencialmente sostenible que puede ofrecer ventajas medioambientales y económicas a largo plazo en contraposición a los combustibles fósiles, mientras que para otros es el responsable de grandes deforestaciones y del aumento del precio de los alimentos, al suplantar selvas y terrenos agrícolas para su producción,1 dudando además de su rentabilidad energética. El bioetanol tiene las mismas características y composición química que el etanol ya que se trata del mismo compuesto. La diferencia radica en su proceso de producción. El bioetanol ha de ser obtenido desde biomasa, no pudiendo obtenerse del petróleo.
  18. 18. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 18 Debido al aumento de las medidas tomadas para controlar las emisiones totales de gases con efecto invernadero, la utilización de este alcohol como combustible para el trasporte por carretera está creciendo muy rápido. Un análisis del ciclo de vida completo de este producto como combustible muestra como las emisiones generadas en el proceso de producción del combustible y las de operación son compensadas por las fijadas en el cultivo durante su crecimiento. Aún están pendientes estudios claros acerca de las emisiones de este combustible en la operación. Es posible que contaminantes orgánicos como el benceno o algunos aldehidos aumenten, por lo que es necesario estudiar su impacto en la salud humana. El etanol se obtiene fácilmente del azúcar o del almidón en cosechas de maíz y caña de azúcar, entre otros. Sin embargo, los actuales métodos de producción de bio-etanol utilizan una cantidad significativa de energía en comparación con la energía obtenida del combustible producido. Por esta razón, no es posible sustituir enteramente el consumo actual de combustibles fósiles por bio-etanol. 3.2.2.- PRODUCCIÓN DE BIOETANOL El proceso se inicia con la molienda de la caña de azúcar en un trapiche, para luego separar el jugo azucarado de la fibra. El jugo se procesa para obtener azúcares y alcoholes. La fibra, llamada bagazo, se utiliza como combustible en calderas que producen vapor con el que se mueven las turbinas y la usina eléctrica del ingenio.
  19. 19. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 19 Etapas del proceso Dilución: Es la adición del agua para ajustar la cantidad de azúcar en la mezcla o (en última instancia) la cantidad de alcohol en el producto. Es necesaria porque la levadura, usada más adelante en el proceso de fermentación, puede morir debido a una concentración demasiado grande del alcohol. Conversión: La conversión es el proceso de convertir el almidón/celulosa en azúcares fermentables. Puede ser lograda por el uso de la malta, extractos de enzimas contenidas en la malta, o por el tratamiento del almidón (o de la celulosa) con el ácido en un proceso de hidrólisis ácida. Fermentación: La fermentación alcohólica es un proceso anaeróbico realizado por las levaduras, básicamente. De la fermentación alcohólica se obtienen un gran número de productos, entre ellos el alcohol. Destilación o Deshidratación: La destilación es la operación de separar, mediante calor, los diferentes componentes líquidos de una mezcla (etanol/agua). Una forma de destilación, conocida desde la antigüedad, es la obtención de alcohol aplicando calor a una mezcla fermentada. Nuestro sistema de deshidratación utiliza ciclo hexano el cual forma mezclas ternarias con el alcohol y el agua, que al vaporizar y condensar se produce una separación de fases: a) Fase “liviana” compuesta por un 94.7 % de ciclo hexano – 5.1% alcohol etílico – 0,2% agua b) Fase “pesada” compuesta por: 63 % etanol – 17% de agua – 20% ciclo
  20. 20. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 20 hexano La fase “pesada” es la que se retira del proceso de la columna de deshidratación para separar en otra columna (recuperadora) el agua del resto de alcohol y ciclo hexano, volviendo estos dos últimos a la columna deshidratadora, eliminando el agua por la parte inferior de la columna recuperadora. En todo sistema de destilación, priva la diferencia de puntos de ebullición, los cuales se ubicarán de mayor a menor desde la base de la columna hasta el tope o cabeza de la misma. Por ello, el agua termina eliminada por la parte inferior de la columna recuperadora (p.e. 100 °C), yendo a la cabeza de la misma el alcohol (78,3 °C) y el ciclo hexano (81 °C), en tanto las mezclas ternarias adquieren p.e. mucho más bajos en el orden de 63 °C que se ubicarían en el tope de la columna deshidratadora, permitiendo de esa manera llevar a cabo la extracción del agua del alcohol obtenido por destilación convencional azeotrópica, quedando el alcohol anhidro como el producto de mayor punto de ebullición siendo retirado de la columna deshidratadora por la base de la misma. 3.2.3.- MAÍZ El maíz es una gramínea oriunda de las América, pero antes que este alimento adquiera fama mundial y presencia gastronómica, hace unos ocho mil años, el maíz ya era domesticado en América y gozaba de una significativa presencia en las antiguas culturas de nuestro continente, entre ellas las más importantes: Inca, Maya y Azteca. Se sabe que estas
  21. 21. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 21 tres culturas, con muchos rasgos de similitud, establecieron su economía y alimentación en base al maíz, siendo éste uno de los motivos principales por la que se le incluyó como elemento presente en la mayoría de sus ritos y festividades. Producción La producción mundial de estas semillas alcanzó los 883 millones de toneladas en el año 2011 y prácticamente lo mismo el año anterior. Comparando con los 704 millones de toneladas de trigo o los 723 millones de arroz, se comprende la importancia básica a nivel mundial del maíz, no sólo económicamente sino a todos los niveles. Estos datos pueden consultarse en las estadísticas de la FAO (Food and AgriculturalOrganization, una división de la O.N.U.). Sin embargo, hay que considerar que el consumo humano en todo el mundo es bastante inferior al del trigo, no por su calidad como cereal sino porque el maíz es un alimento fundamental de los animales, especialmente, porcinos, y también es básico en la producción de aceite comestible y hasta etanol. De hecho, el llamado CornBelt en los Estados Unidos es la región de producción de carne más importante del mundo, conjuntamente con el sureste del Brasil, cuya ganadería de cerda es la más importante del mundo por el valor de su exportación y está fundamentada en la rica producción de maíz brasileña, como alimento para el ganado. Estados Unidos es el mayor productor con el 30% de la producción total mundial, seguidos por China con más del 20%. La productividad puede
  22. 22. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 22 ser significativamente superior en ciertas regiones del mundo, así en 2009 el rinde en Iowa fue de 11.614 kg/ha. Así también en 2002 el potencial genético de rinde se sigue incrementando como en los últimos 35 años". TABLA Nº1: PRODUCCIÓN MUNDIAL DE MAÍZ, 2011 Principales productores de maíz (2011) (miles de toneladas) Estados Unidos 313.918 China 192.904 Brasil 55.660 Argentina 23.800 India 21.570 Indonesia 17.729 México 17.635 Francia 15.703 Sudáfrica 10.360 Nigeria 9.180 Fuente: FAOStat
  23. 23. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 23 VARIEDADES DEL MAIZ PERUANO El Perú cuenta con 35 variedades de maíz, más que ningún otro país del mundo, incluyendo entre ellas las imponentes mazorcas de la sierra, las cuales, además del tamaño de sus granos, destacan por su incomparable sabor. Por ello, a diferencia de otras regiones de América, el Perú se distingue por el consumo del maíz cocido en su mazorca, además del molido en el batán. En el Perú, comer el choclo, cocido o tostado, es una costumbre ancestral y precolombina. Los campesinos reservan el maíz, según su variedad, para ocasiones y platos especiales, tanto que en época de cosecha, el maíz recién cocido, lo ofrecen “las caseras” con salsa picante y queso del lugar. El maíz hervido en mote es distinto al utilizado tostado en cancha, al utilizado para la chicha o para las humitas. Otras variedades son, en cambio, adecuadas para las mazamorras o las sopas. 3.2.4.- ALMIDÓN El almidón es un producto de reserva alimenticia predominante en las plantas. El almidón es sintetizado y almacenado en plastidios, ya sea de manera temporal en cloroplastos o a largo plazo en amiloplastos densamente ubicados en órganos de almacenamiento como raíces o semillas. Químicamente el almidón es un polisacárido que resulta de la polimerización de moléculas de glucosa. El almidón se obtiene exclusivamente de los vegetales que lo sintetizan a partir del dióxido de carbono que toman de la atmósfera y del agua que toman del suelo.
  24. 24. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 24 Durante este proceso la energía solar se transforma y se almacena en forma de glucosa. El almidón está formado por dos tipos de polisacáridos muy similares, la amilosa y la amilopectina. En casos como el de los cereales, el almidón puede contener componentes menores tales como lípidos. La composición de amilosa y amilopectina es el factor principal que le confiere las propiedades funcionales al almidón. Estos polímeros de glucosa se encuentran en proporciones diferentes dependiendo de la fuente de obtención del almidón y de diversas variables ambientales. La amilosa es el producto de la condensación de D-glucopiranosas por medio de enlaces glucosídicosα(1,4). El polímero resultante está formado por cadenas lineales largas de 200-2500 unidades. La amilosa es un α-D-(1,4)-glucano cuya unidad repetitiva es la α-maltosa. La amilosa tiene la facilidad de adquirir una conformación tridimensional helicoidal, en la que cada vuelta de hélice consta de seis moléculas de glucosa. El interior de la hélice contiene sólo átomos de hidrógeno, y es por tanto lipofílico, mientras que los grupos hidroxilo están situados en el exterior de la hélice. La mayoría de los almidones contienen alrededor de 25% de amilosa. La amilopectina se diferencia de la amilosa en que contiene ramificaciones adicionales que le dan una estructura molecular similar a la arquitectura de un árbol; las ramas están unidas al tronco central (semejante a la amilosa) por enlaces α-D- (1,6), localizadas cada 15-25 unidades lineales de glucosa (Fig. 2). La amilopectina constituye alrededor del 75% de los almidones más comunes. Algunos almidones están constituidos exclusivamente por amilopectina y son conocidos como céreos (Smith et ál., 1997). El
  25. 25. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 25 almidón se presenta como un conjunto de gránulos o partículas, estos gránulos son relativamente densos e insolubles en agua fría, aunque pueden dar lugar a suspensiones cuando se dispersan en el agua. Figura 1. Estructura química de la amilosa y amilopectina. LA BIOSÍNTESIS DE ALMIDÓN EN PLANTAS La fuente principal para la biosíntesis de almidón es la sacarosa. La mayor parte de la sacarosa citosólica es convertida a hexosas fosfatos, las cuales son transportadas al amiloplasto por un translocador cuya naturaleza química aún se discute y puede variar según la especie vegetal. La glucosa-6-fosfato así formada es convertida a glucosa-1-fosfato por la enzima fosfoglucomutasa. El paso crucial en la biosíntesis de almidón en el amiloplasto es llevado a cabo por la ADP-glucosa pirofosforilasa (AGPasa), la cual cataliza la
  26. 26. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 26 síntesis de ADP glucosa a partir de glucosa-1-fosfato usando ATP y liberando pirofosfato como subproducto. La ADP-glucosa es transferida a los extremos no reductores de moléculas de almidón presentes en el plastidio mediante las enzimas almidón sintasas, principalmente GBSS (del inglés Granule BoundStarchSynthase), extendiendo de manera lineal el polímero. Por otra parte, las ramificaciones del almidón son producidas por la enzima ramificante del almidón, SBE (del inglés StarchBranchingEnzyme) y por las sintasas solubles, SSS (del inglés Soluble StarchSynthase). Figura 2. Esquema de la ruta de biosíntesis de almidón en una célula vegetal. Encerradas en un círculo se muestran las principales enzimas de la biosíntesis de almidón). SS: StarchSynthase (GBSSI), SBE: StarchBranchingEnzyme.
  27. 27. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 27 La relativa simplicidad de la ruta bioquímica determinada por los pocos pasos enzimáticos que ella involucra, contrasta con la complejidad de los genes que codifican para las enzimas implicadas. La AGPasa es una enzima heterotetrámerica compuesta por dos unidades pequeñas y dos grandes. La subunidad pequeña posee la actividad catalítica, mientras que la grande está encargada de la regulación de la actividad de la enzima. Dicha regulación está determinada por el estado fisiológico de la célula. En presencia de altas concentraciones de 3-fosfoglicerato -un producto directo de la fotosíntesis-, la actividad de la AGPasa es inducida. Cuando el fosfato inorgánico, -subproducto de la síntesis de almidón y molécula necesaria para ser intercambiada por glucosa-6-fosfato del citosol- es el que predomina, la actividad de esta enzima es reprimida. Se han encontrado isoformas de la AGPasa diferencialmente distribuidas en el citosol o en plastidios, o a nivel de hojas, raíces o tallos (Ball y Morell, 2003). Para el almidónsintasas existen por lo menos cuatro isoenzimas, las cuales pueden ser subdivididas en dos grupos según su localización. Las enzimas que están unidas fuertemente al gránulo de almidón son denominadas GBSS, mientras que las SSS son solubles y se encuentran en el estroma de los amiloplastos o en los cloroplastos. La actividad de cada una de estas isoenzimas es complementaria más no sobrelapante. Principalmente la GBSS es responsable de la síntesis de amilosa, mientras que la SSS sintetiza amilopectina. En la reacción de ramificación están involucradas dos tipos de enzimas ramificantes, diferenciándose en que las del tipo I
  28. 28. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 28 tienen una actividad moderada de ramificación, mientras las del tipo II producen amilopectina altamente ramificada. 3.2.5.- PROCESO DEL ALMIDÓN PARA LA OBTENCIÓN DE ALCOHOL 3.2.5.1.- PRETRATAMIENTO Etapa indispensable para el procesamiento de biomasa lignocelulosica que complementa la hidrolisis enzimática y posibilita la obtención de altos rendimientos. Se hace necesario principalmente porque la lignina en las paredes celulares de la planta forma unas barreras contra en ataque enzimático. Un pretratamiento ideal es reducir el contenido de lignina, disminuir la cristalinidad de la celulosa e incrementar el área superficial A continuación la descripción de diferentes alternativas de pretratamiento: 3.2.5.1.1.- Pretratamiento mecánico a. Trituraciónmecánica: Molienda para reducción de partícula del tamaño de mallainferior a 40, tiene un efecto mínimo en los rendimientos de la hidrolisis, asícomo la tasa de hidrolisis de la biomasa. b. Ultrasonido: Es una técnica empleada para extraer lignina y hemicelulosa, en Yu et al. (2009), emplearon este método a 25ºC y
  29. 29. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 29 diferentes períodos de tiempo entre 10 a 60 min., encontrando que el mejor tiempo de residencia fue de 30 min.; sin embargo, su efecto sobre la biomasa es muy superficial comparado con métodos como el pretratamiento con H2O2. 3.2.5.1.2.- Pretratamiento térmico. En este tipo de pretratamiento la materia prima es calentada en un rango de 150 a 180ºC, donde la hemicelulosa y seguida a ella la lignina son solubilizadas. Temperaturas superiores a 180 ºC solubiliza la hemicelulosa. Durante los procesos térmicos una parte de la hemicelulosa es hidrolizada y forma ácidos, estos son asumidos como catalizadores para hidrolizar la hemicelulosa. a. Explosión por vapor: La materia prima se somete a temperaturas entre 160-260ºC, mediante la inyección directa de vapor saturado, por un intervalo de tiempo entre 1 y 10 minutos. Seguidamente se lleva el producto a una rápida descompresión hasta presión atmosférica. Como resultado se obtiene biomasa con alteraciones físicas (desagregación y ruptura de las fibras), y químicas (despolimerización y rotura de enlaces) y una celulosa más accesible a la hidrólisis enzimática. Las variables a controlar en este tipo de procedimiento son la temperatura, el tiempo de residencia, el tamaño de partícula, y la humedad. b. Agua líquida a alta temperatura (LHW): En este proceso se somete la biomasa al efecto de agua caliente a una temperatura entre 170 – 230ºC por un tiempo de 46 min. El objetivo de este
  30. 30. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 30 pretratamiento es solubilizar principalmente la hemicelulosa de la celulosa para hacerla más accesible y evitar la formación de inhibidores. Para evitar la formación de inhibidores, el pH debe mantenerse entre el 4 y 7 durante el pretratamiento. Mantener el pH entre 4 y 7 minimiza la formación de monosacáridos y, por lo tanto, también la formación de productos de degradación que puede seguir catalizando la hidrólisis del material celulósico durante el pretratamiento. 3.2.5.1.3.- Pre-tratamientos físico-químicos. a. Proceso de explosión de fibra con amoniaco (AFEX): El pretratamiento con amoníaco se realiza con cargas de amoniaco en torno a 1:1 (amoníaco kg/kg peso biomasa seca) a temperaturas que van desde la temperatura ambiente con una duración de 10 a 60 días, a temperaturas de hasta 120 ºC, con una duración de varios minutos. También se da un aumento de seis veces la hidrolisis enzimática y un rendimiento de 2,5 veces el rendimiento a etanol después de este pretratamiento. b. Explosión con CO2: Se lleva a cabo con alta presión y altas temperaturas de hasta 200 .C, con una duración de varios minutos. Este pretratamiento produce líquidos que pueden ser ácidos, estos ácidos hidrolizan especialmente la hemicelulosa. El CO2 también se aplica como CO2 supercrítico (35 .C, 73 bares), este incrementa el rendimiento de glucosa en 50-70% de bagazo, el 14% de pino
  31. 31. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 31 amarillo y el 70% de álamo. Esto es probablemente causado por el aumento del tamaño de poros. 3.2.5.1.4.- Pretratamiento químico. a. Hidrolisis acida: Es un proceso químico que emplea catalizadores ácidos para transformar las cadenas de polisacáridos que forman la biomasa (hemicelulosa y celulosa) en sus monómeros elementales. Este tipo de hidrolisis utiliza diferentes clases de ácidos: sulfuroso, clorhídrico, sulfúrico, fosfórico, nítrico y fórmico (Galbe y Zacchi, 2002). Siendo solamente usados a nivel industrial los ácidos clorhídrico y sulfúrico. Los métodos industriales de hidrolisis acida se agrupan en dos tipos: los que emplean ácidos concentrados (10- 30%), trabajan a bajas temperaturas (170-190.C) y mayor tiempo de residencia; y los que utilizan ácidos diluidos (1-5%), a temperaturas más altas (160-240.C), y tiempo de reacción de 6-12 segundos. La principal reacción que ocurre durante el pretratamiento acido es la hidrolisis de hemicelulosa, especialmente xilano como glucomanano. La hemicelulosa puede ser sometida a reacciones hidrolíticas produciendo monómeros, como furfural, HMF y otros productos. Durante el pretratamiento acido la lignina es rápidamente condensada y precipitada en ambientes ácidos. b. Oxidación húmeda: Un pretratamiento oxidativo consiste en la adición de un compuesto oxidante, como el peróxido de hidrogeno o ácido peracetico a la biomasa, que está sumergida en el agua. Durante el pretratamiento oxidativo puede tener lugar reacciones
  32. 32. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 32 como sustitución electrofilica, el desplazamiento de cadenas laterales, rompimientos de vínculos de alquil, aril, éter o de núcleos aromáticos. c. Tratamientos con ozono: El ozono ha sido utilizado para degradar la lignina y la hemicelulosa. Se lleva a cabo a condiciones de presión y temperatura ambientales. La degradación es esencialmente limitada a atacar la lignina y hemicelulosaaunque la celulosa es afectada. d. Hidrolisis con álcalis: Se lleva a cabo con NaOH diluido donde se sumerge elmateriallignocelulosico, a 60.C por 24 horas, produciendo un hinchamiento dela biomasa, teniendo lugar reacciones como solvatación y saponificación. Estoprovoca un estado de inflamación de la biomasa, lo que la hace másaccesiblepara enzimas y bacterias. Disoluciones de álcalis fuertes dan lugar a hidrolisisalcalina, degradación y descomposición de polisacáridos y rompimiento de radicalesfinales. La pérdida de polisacáridos es causada principalmente por el rompimiento de radicales finales y reacciones hidrolíticas. e. Tratamiento con solventes orgánicos: En el proceso, un compuesto orgánicooacuoso se mezcla con un ácidoinorgánico (HCl o H2SO4), este se utiliza pararomper el interior de la lignina y puentes de hemicelulosa. Se emplean disolventes orgánicos como metanol, etanol, acetona, etilenglicol, trietilenglicolyalcoholtetrahidrofurfurilico. Ácidosorgánicos como oxálico, acetilsalicílicoysalicílicotambién puede ser utilizados como catalizadores en el proceso. A
  33. 33. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 33 temperaturasaltas(por encima de 185 °C), el uso de catalizadores es innecesario para la deslignificacion. 3.2.5.2.- FERMENTACIÓN La fermentación alcohólica es un proceso biológico de fermentación en plena ausencia de aire, originado por la actividad de algunos microorganismos que procesan los hidratos de carbono (por regla general azucares: como pueden ser por ejemplo la glucosa, la fructosa, la sacarosa, el almidón, etc.) para obtener como productos finales: un alcohol en forma de etanol, dióxido de carbono en forma de gas y unas moléculas de ATP que consumen los propios microorganismos en su metabolismo celular energéticoanaeróbico. 3.2.5.2.2.- Fermentación de hexosas Las hexosas son monosacáridos (glúcidos simples) formados por una cadena de seis átomos de carbono. Su fórmula general es C6H12O6. Su principal función es producir energía. Un gramo de cualquier hexosa produce unas 4 kilocalorías de energía. Las más importantes desde el punto de vista biológico son: glucosa, galactosa y fructosa. 3.2.5.2.3.- Fermentación de pentosas La interconversion de la pentosa y la hexosa sin oxidacion-reduccion tiene lugar por la vía de la pentosa-fosfato. Esta vía permite la síntesis de la hexosa por bacterias que crecen sobre la pentosa, y también permite la síntesis de otros dos azucares, la seudoheptulosa-7-fosfato
  34. 34. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 34 y la eritrosa-4-fosfato. Esta última es una precursora en la biosíntesis de los aminoácidos aromáticos. La fracción de pentosas en la hemicelulosa consiste principalmente de xilosas, pero depende del origen de la materia prima ya que la fracción de arabinosa puede ser importante. Han sido estudiados diferentes microorganismos para fermentación, entre ellos bacterias, levaduras y hongos (naturales y recombinados). Clases de microorganismos levadura, bacterias y hongos Las investigaciones desarrolladas sobre este tema se han dirigido a la solución de distintas problemáticas. Por un lado se encuentra la capacidad natural de acción del microorganismo empleado (velocidad de procesamiento, temperatura óptima de trabajo, tipos de substrato a emplear, entre otros factores), y el análisis de los inconvenientes que genera en la biomasa y en las etapas posteriores del proceso el tipo de pre-tratamiento dado a la biomasa y específicamente a su estructura. Por lo cual han recurrido a diferentes técnicas de mejoramiento de cepas (etanolgenicas, termotolerantes, etc.), y al uso de distintas clases de microorganismos como bacterias, levaduras y hongos.  Bacterias empleadas en la fermentación. Se han empleado bacterias de los génerosClostridium (sporogenes, indolicus, sphnoides, saccharobutyricum, ThermohydrosulfuricumyThermocellum), que degradan grandes cantidades de celulosa yotrospolisacáridos. Otras bacterias
  35. 35. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 35 empleadas son: Zimomonasmobilis, Erwiniaamilovora, Spirochetaaurantia, Streptococuslactis, Spirocheta litorales y Spirochetastenostrepta, con resultados satisfactorios en cuanto a productividad. Igualmente,se han empleado bacterias modificadas genéticamente para la degradación tanto dehexosas como de pentosas, y con caracteristicas de resistencia. Al respecto Patrouilleauet al. (2007, pag. 24) senalan las ventajas de emplear “la cepa bacteriana de laespecieEscherischiacoli, desarrollada y patentizada por la Universidad de Florida(EUA), que fermenta ambos tipos de azucares; introducción de operones que codifican enzimas para la asimilacion de xilosa y de la ruta de las pentosas fosfato enZymomonamobilis.  Levaduras empleadas en la fermentación. Aunque más lentas en la ejecución del proceso de fermentación, las levaduras son los microorganismos de mayor uso en la producción de etanol, debido a su productividad, baja producción de inhibidoresy facilidad de separacióndespués de la fermentación. En dichos procesos seemplean levaduras de los génerosCándida (seudotropicalis), Saccharomyces (ceresviceae,ellipsoideus, anamensisi, carlsbergensis) y Kluyveromycesmarxianus y fragilis, que además de altas eficiencias, son capaces de trabajar atemperaturassuperiores a los 40°C. Otras son Candidabytyrii, Pichiastipitis, Schizosaccharomycespombe y Pichiamembranaefaciens.
  36. 36. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 36 Al igual que con las bacterias se han desarrollado investigaciones en las cuales se han modificado de alguna forma las especies originales de levadura. Una de dichas investigacionesdio lugar al desarrollo, en la Universidad Nacional de Colombia (2007), de una cepa de la especie Kluyveromycesmarxianus, obtenida por mutagénesisquímicay posterior selección, capaz de fermentar la glucosa con buenos rendimientos, yotra ha sido citada por Patrouilleauet al. (2007, Pag. 24), quien senala “la introducción de plásmidos con genes de xilosa reductasa y xilitol deshidrogenasa de P. stipitisenSaccharomycesspp. Para la co-fermentacion eficiente de glucosa y xilosa”. 3.2.5.3.- DESTILACIÓN La destilación es un proceso de separación por diferencia en los puntos de ebullición de los componentes de una mezcla, que al ser sometidos al calor, los compuestos más volátiles comoel alcohol se evaporan y se concentran en fase de vapor. Algunos tipos de destilación: a. Destilación simple En este tipo de destilación se produce la vaporización de un material por la aplicación de calor; el método es empleado en la industria de capacidad moderada y pequeña, para llevar acabo separaciones parciales de los componentes más volátiles de mezclas de líquidos miscibles.
  37. 37. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 37 Normalmente, la mezcla líquida es cargada en lotes a un recipiente y sometida a ebullición. Los vapores que se desprenden continuamente, se condensan y se recolectan sin que tenga lugar ninguna condensación parcial ni retorno al recipiente en donde se lleva a cabo el calentamiento y ebullición de la mezcla. La primera porción del destilado será la más rica en el componente más volátil y conforme continúa la destilación, el producto evaporado se va empobreciendo. Por lo tanto, el destilado puede recolectarse en varios lotes separados, llamados fracciones, obteniéndose así una serie de productos destilados de diferente grado de pureza b. Destilación fraccionada Una columna de fraccionamiento consta de un tubo de vidrio de gran superficie interna que facilita el intercambio de calor entre el vapor ascendente (más caliente) y el condensado descendente (más frío). Con ello, aparecen a lo largo de la columna multitud de vaporizaciones y condensaciones (equilibrios líquido-vapor), resultando que, a medida que se asciende en la columna, el vapor es cada vez más rico en uno de los componentes, mientras que el residuo se enriquece en el otro. Con una columna suficientemente larga, los productos de la destilación fraccionada (destilado y residuo) pueden ser componentes puros o un componente puro y un azeótropo, según que la mezcla sea ideal o no ideal
  38. 38. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 38 3.3.- HIPÓTESIS Estableciendo los parámetros fisicoquímicos y bilógicos será posible obtener etanol. 3.4.- VARIABLES Variable independiente: % de almidón en la suspensión Variable dependiente: Concentración de etanol obtenido 3.5.- DEFINICIÓN DE TÉRMINOS.  ÁCIDO CLORHÍDRICO:es una disolución acuosa del gas cloruro de hidrógeno (HCl). Es muy corrosivo y ácido. Se emplea comúnmente como reactivo químico y se trata de un ácido fuerte que se disocia completamente en disolución acuosa. Una disolución concentrada de ácido clorhídrico tiene un pH inferior a 1; una disolución de HCl 0,1 M da un pH de 1.  ANAEROBIO: Se aplica al organismo que vive y se desarrolla en ausencia del oxígeno. Proceso que se desarrolla con ausencia total de oxígeno, como la fermentación.  BIOCOMBUSTIBLE: cualquier combustible sólido, liquido o gaseoso producido a partir de materia orgánica. Se produce directamente a partir de plantas o indirectamente de desechos industriales, comerciales, domésticos o agrícolas.
  39. 39. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 39  BIOETANOL:El bioetanol se produce por la fermentación de los azúcares contenidos en la materia orgánica de las plantas. En este proceso se obtiene el alcohol hidratado, con un contenido aproximado del 5% de agua, que tras ser deshidratado se puede utilizar como combustible. El bioetanol mezclado con la gasolina produce un biocombustible de alto poder energético con características muy similares a la gasolina pero con una importante reducción de las emisiones contaminantes en los motores tradicionales de combustión. El etanol se usa en mezclas con la gasolina en concentraciones del 5 o el 10%, E5 y E10 respectivamente, que no requieren modificaciones en los motores actuales.  COMBUSTIBLES FOSILES: sustancias ricas en energía que se han formado a partir de plantas y microorganismo enterrados durante mucho tiempo, los combustibles fósiles, que incluyen el petróleo, el carbón y el gas natural, proporcionan la mayor parte de la energía que mueven a la sociedad moderna.  DESTILACIÓN: método de separación de mezclas que se basa en el aprovechamiento de las diferencias de composición de las mezclas liquidas y de vapor originadas por la vaporización parcial de una mezcla liquida o por la condensación parcial de una mezcla vapor.  FERMENTACIÓN: cambios químicos en las sustancias orgánicas por la acción de las enzimas.  GLUCOSA: azúcar monosacáridos de formula C6H12O6 se encuentra en la miel y en el jugo de numerosas frutas. Se produce la hidrólisis de numerosos glucósidos naturales.
  40. 40. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz  GRADOS BRIX:sirven para determinar el cociente total de sacarosa o 40 sal disuelta en un líquido; es una medida de la concentración de azúcar en una disolución. Una solución de 25 °Bx contiene 25 g de azúcar (sacarosa) por 100 g de líquido. Dicho de otro modo, en 125 g de solución hay 25 g de sacarosa y 100 g de agua.  HIDRÓLISIS: tipo de reacción química en que una molécula de agua reacciona, con una molécula de una sustancia A-B en la que A y B representan átomos o grupos de átomos. En la reacción, la molécula de agua se descompone n los fragmentos H+ y OH-, y la molécula AB se descompone en A+ y B-. Luego estos fragmentos se unen proporcionando los productos finales AOH y BH.  HIDRÓXIDO DE SODIO:Sustancia incolora o blanca (en trozos), higroscópica que se comercializa en trozos, escamas o granos. Llamada también sosa cáustica o soda cáustica. El hidróxido de sodio (sosa cáustica o soda cáustica) se disuelve en agua desprendiendo calor, la disolución acuosa se denomina lejía de sosa.  LEVADURAS:Se denomina levadura a cualquiera de los diversos hongos microscópicos unicelulares que son importantes por su capacidad para realizar la descomposición mediante fermentación de diversos cuerpos orgánicos, principalmente los azúcares o hidratos de carbono, produciendo distintas sustancias.  MAÍZ:es una especie de gramínea anual originaria de América e introducida en Europa en el siglo XVII. Actualmente, es el cereal con
  41. 41. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 41 el mayor volumen de producción a nivel mundial, superando incluso al trigo y al arroz  pH: es el logaritmo negativo de la concentración de los iones de hidrogeno. Es una escala numérica utilizada para medir la acidez y basicidad de una sustancia.  Saccharomyces cerevisiae: Esta levadura tiene la facultad de crecer en forma anaerobia1 realizando fermentación alcohólica.2 Por esta razón se emplea en muchos procesos de fermentación industrial, de forma similar a la levadura química, por ejemplo en la producción de cerveza, vino, hidromiel, aguol, pan, antibióticos, etc. IV.-MARCO METODOLÓGICO DISEÑO DE LA INVESTIGACIÓN 4.1.- DISEÑO DE LA CONTRASTACIÓN DE HIPÓTESIS Diseño factorial 3x3 para la evaluación de dos factores: factor A correspondiente a la peso de maíz A correspondiente a la cantidad de mililitros de agua en cada muestra. El diseño factorial utilizado originó nueve tratamientos, cada uno de ellos con tres repeticiones totalizando 27 unidades experimentales.
  42. 42. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 42 M1 M2 M3 A1 A1 M1 A1M2 A1 M3 A2 A2 M1 A2 M2 A2 M3 A3 A3 M1 A3 M2 A3 M3 Tabla N° 2: cuadro de contrastación de hipótesis Donde A1: 100 gr de maíz A2: 125 gr de maíz A3: 150 gr de maíz M1: 1L de agua destilada M2: 1.5 L de agua destilada M3: 2L de agua destilada 4.2.- POBLACIÓN Y MUESTRA  La Población: 1 kg de maíz  La Muestra: 700 ml de almidón de maíz ya fermentado para destilar y realizar los análisis
  43. 43. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 43 4.3.- MATERIALES Y MÉTODOS 4.3.1 MATERIALES: INSUMOS  3 Kg. de Maíz  Levadura (Saccharomycescerevisiae) REACTIVOS  Ácido clorhídrico 20%  Hidróxido de sodio 40%  Agua destilada INSTRUMENTOS Y EQUIPOS  Colador  Envases esterilizados  Matraces  Pipetas 10 ml y 2 ml  Probetas  Autoclave  Licuadora  Peachimetro  Brixómetro  Equipo destilación
  44. 44. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 44 4.2.2: Técnicas: Para el presente trabajo de investigación se utilizó la técnica de la Observación. 4.2.3. Instrumentos Para el presente trabajo de investigación se utilizó los siguientes instrumentos: Libreta de anotaciones, cámara fotográfica/filmadora 4.4.- DISEÑO DE PROCESO EXPERIMENTAL PRE TRATAMIENTO 1. Se compra y lava el maíz 2. Se desgrana y se pesa 3. Se licua cada kilo con agua destilada (2 litros, 1.5 litro y 1litros ) 4. Después pasa por un colador o tamiz y se separa el bagazo del almidón 5. Se deja reposar por un día y se vierte de tal manera que solo quede el almidón y desechos HIDROLISIS 1. Se mide el pH y se agrega HCl al 20% hasta obtener un pH de 1 2. Se llevan al autoclave a una presión de 15 a 20 psi por espacio de 1 hora 45 minutos
  45. 45. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 45 3. Pasado el tiempo indicado, se retira de la autoclave y se enfría hasta 40°C y se le agrega hidróxido de sodio al 40% hasta obtener un pH de 4 a 6. FERMENTACIÓN 1. A esta solución se le agrega 10 gr de levadura y 2 gr de cloruro de Amonio. 2. Se vierte en vasos de precipitado y se somete a aeración, mediante una bomba por espacio de 30 minutos 3. Se coloca en matraces y estos son tapados y conectados a un recipiente con agua, mediante una manguera. 4. Se deja en un lugar fresco hasta que la fermentación se complete entre 3 a 4 días. DESTILACIÓN 1. Pasado el tiempo de fermentación, se cuela el producto fermentado par pode eliminar los sólidos V.- RESULTADOS Y DISCUSIÓN 5.1.- RESULTADOS: 5.1.1.- PRESENTACIÒN DE DATOS De las 9 muestras realizadas tomamos tres para analizarlas detalladamente las cuales presentarán concentraciones de 10%, 12.5% y 15%.
  46. 46. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 46 TABLA N° 3: PH DURANTE LA HIDROLISIS ÁCIDA HCL AL 20% ml de HCl 10% 12.5% 15% 0 6,8 7,11 7,04 5 6,4 6,47 6,56 9 4,03 4,23 4,7 13 3,42 3,49 3,6 21 2,3 2,33 2,4 28 1,03 1,23 1,4 FUENTE: EL AUTOR TABLA N° 4: PH DURANTE LA HIDROLISIS BÁSICA NAOH AL 40% ml de HCl 10% 12.5% 15% 0 1 1,18 1,33 0,5 1,5 1,57 1,62 1 2,03 2,14 2,21 1,5 2,75 2,9 2,97 2 3,56 3,69 3,75 2,5 4,8 5 5,04 FUENTE: EL AUTOR
  47. 47. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 47 TABLA N° 5: GRADOS BRIX DURANTE LA FERMENTACIÓN Horas 10% 12.5% 15% 0 15 16,3 17 12 12,6 13 14,3 24 10 10,6 11,2 48 4,6 4,8 5,3 72 0,9 1 1,4 FUENTE: EL AUTOR TABLA N° 6: GRADOS ALCOHÒLICOS DESPUÉS DE LA DESTILACIÓN 10% 12.5% 15% Grados Alcohólicos 19.5 19. 20
  48. 48. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 5.1.2.- ANÁLISIS ESTADÍSTICOS DE LOS DATOS 48 Para el análisis estadístico de los datos se realizó con ayuda del programa Microsoft Excel versión 2010. Y realizando el análisis estadístico se llegó a lo siguiente:  Con un 95% de confiabilidad se afirma que sea cual sea el número de ensayos; los grados alcohólicos en la muestra es el mismo.  Con un 95% de confiabilidad se afirma que sea cual sea la concentración de maíz en la muestra;la cantidad alcoholobtenida es diferente. GRÁFICA N° 1: PH DURANTE LA HIDROLISIS ÁCIDA HCL AL 20% 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 5 10 15 20 25 30 pH ml de HCl 10% 12.50% 15%
  49. 49. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 49 GRÁFICA N° 2: PH DURANTE LA HIDROLISIS BÁSICA NAOH AL 40% 6 5 4 3 2 1 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 pH ml de NaOH Series1 Series2 Series3 TABLA N° 3: GRADOS BRIX DURANTE LA FERMENTACIÓN 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 °Brix Horas (H) 10% 12.50% 15%
  50. 50. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz V.- ASPECTO ADMINISTRATIVO 5.1.-.CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES Tiempo Actividades 50 Año 2014 Julio Agosto Setiembre Octubre 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 I. Fase de Planeamiento * Revisión bibliográfica * Elaboración proyecto invest. * Presentación proyecto invest. II. Fase de ejecución * Registro de datos * Análisis estadísticos de datos * Interpretar datos estadísticos III. Fase Comunicación * Elaboración del informe final * Presentación del informe final * Sustentación del informe final
  51. 51. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz Bienes 51 5.2- PRESUPUESTO 5.3.-FINANCIAMIENTO Todo lo relacionado a la investigación será financiado por el investigador, solo lo que no esté a su alcance, ya que la investigación se realizara en el laboratorio de Analítica de la Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo. Maíz (3 Kg) S/. 2.00 Libreta de apuntes S/. 5.00 Lapicero S/. 2.00 USB (8 Gb) S/. 25.00 Envases para la toma de muestra S/. 30.00 Pasajes S/. 50.00 Alimentación S/. 40.00 Impresiones S/. 20.00 Servicios Internet S/. 40.00 Copias S/. 25.00 Total S/. 487.00
  52. 52. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz VI.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. BROCK y MADIGAN. Michael. Biología de los Microorganismos. 52 Editorial Prentice Hall. 10 Edición.2004 2. DE RAFOLS, W. Aprovechamiento Industrial de los productos agrícolas. 1964 3. FERMEMA, O. Química de los Alimentos, 2da ed. Editorial ACRIBIA, Zaragoza, España 2000. Pág. 228 4. FERNADEZ, Pita y PÉRTEGAS Díaz, S. Investigación cuantitativa y cualitativa. Unidad de epidemiologia Clínica y Bioestadística. La Coruña (España). 2002. 5. FRAZIER, W. y WESTHOFF D. Microbiología de los alimentos. Zaragoza, España. Acribia S.A 1993, p. 431-438 6. GARCÍA CORTES, Vera. Introducción a la microbiología. Editorial EUNED. Edición 2. Pág. 112-114. 2004 7. GONZALES, Jorge y MOLINA, Manuel. Estudio de los factores que afectan la hidrolisis enzimática y el proceso fermentativo para la producción de alcohol a partir de la papa. Revista de ingeniería vol. 16(1), Enero/Julio 2006. 8. HERNÁNDEZ, Alicia. Microbiología industrial. Editorial EUNED. Edición 1 pág. 37-39. 2003. 9. HERNANDEZ SAMPIERI, Roberto Metodología de la investigación Editorial MC. Graw-Hill México 2006 10. KURIKI, T; IMANAKAT, T. The concept of the a-amylasefamily: structureSimilarity and commoncatalyticmechanism. J. Biosci, Bioeng.1999. p.p 87, 557 – 565.
  53. 53. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 11. LEÓN, José Guillermo. Los Biocombustibles. Conferencia ARPEL. Punta 53 del Este. Uruguay. 2009. pág.6. 12. LOPEZ, J. Semilla vegetativa de yuca. En: Ospina, B y Ceballos, H. La yuca en el tercer milenio. Sistemas modernos de producción, procesamiento, utilización y comercialización, 2002. pp. 49-75. CIAT. Cali, Colombia. 586 pp. 13. MARCILLA GOMIS, A. Introducción a las operaciones de separación calculo por etapas. 14. MORRISON, Robert. y BOYD, Robert. Química Orgánica. 5taEd. Addison–Wesley Iberoamericana. USA. 1996. 15. TREADWAY, R. H. (1984). Manufacture of potatostarch. In Whistler&Paschal (Eds.), Starch: Chemistry and Technology(pp 87-101). New York: AcademicPress Inc. 16. SATYANARAYANA, T; RAO, J; EZHILVAN NAN, M. 2005.a- Amylases. In: EnzymeTechnology, A. Pandey, C. Webb, CR. Soccol, C. La roche (Eds.), AsiatechPublishersInc; New Delhi, India pp 189 – 220. 17. SMITH, John E. Biotecnología. 2006. Editorial Acribia. Edición 4. Pág. 53-54 18. WALKER J.M. E.B. Gingold. Biotecnología Molecular, , Edición, Acribia, S.A. Pág. 5-6 19. López Jiménez, J. & Lozada Salgado, H. (2 de Marzo de 2005). Obtención de etanol anhidro a partir de un proceso de destilación con adición de electrolitos. Proyecto de titulación: Universidad Nacional de Colombia. Caldas.
  54. 54. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 20. Toma Pejo, E., Alvira, P., Ballesteros, M., & Negro, M. (2011). 54 Pretreatmenttechnologiesforlignocellulosetobioethanol. En British Library (Eds), 21. Biocombustibles: materias primas alternativas y proceso de conversión. (pp 149-170). San Diego: Elsevier. 22. Takara, D., Shrestha, P., and Khanal, S. (2010). LignocellulosicBiomassPretreatment. Bioenergy and Biofuelfrom Biowastes and Biomass: pp. 172-200. 23. Carvalheiro, F., Duarte, LC, Grio, FM (2008). Biorefineríashemicelulosa: una revisión sobre pretratamientos de biomasa. J. Sci. Ind. Res. 67, 849- 864. 24. Laureano Pérez, L., Teymouri, F., Alizadeh, H., Dale, BE (2005). Comprender los factores que limitan la hidrólisis enzimática de la biomasa. AppliedBiochemistryBiotechnology. 121, 1081-1099. 25. Chundawat, SPS, Venkatesh, B., Dale, BE (2007). Efecto de la separación de partículas de tamaño, basado en el rastrojo de maíz molido en pretratamiento AFEX y la digestibilidad enzimática. BiotechnologyBioengineering. 96, 219-231. 26. Keller, FA., Hamilton, J., Nguyen, QA (2003). Pretratamiento de la biomasamn microbiana. AppliedBiotechnologyBioengineering. 105, 27- 41. 27. Tucker, M., Kim, K., Newman, M., &Nguyen, Q. (2003). Effects of temperature and moistureondilute-acidSteamExplosionpretreatment of cornstover and celluloseenzymedigestibility. AppliedBiochemistry and Biotechnology. pp. 105-108, 165-177.
  55. 55. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 55 CONCLUSIONES  La hidrolisis acida y básica ayuda a desintegrar la hemicelulosa y celulosa contenidas en el almidón  Las hidrólisis funcionan mejor a temperaturas elevadas; sino no hay reacción  La solución agua- alcohol obtenida presenta 20 grados alcohólicos  La levadura Saccharomyces cerevisiae es una de las mas efectiva y mas usadas en la industria de la fermentación, ya que permite alcanzar los mayores grados alcohólicos  Los grados alcohólicos se ven afectados por la concentración del almidón, ya que este es el que dará origen a la glucosa para su posterior fermentación.  El almidón de maíz resulta una buena alternativa para la producción bioetanol, ya que resulta barato los insumos
  56. 56. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 56 ANEXOS PRE TARATAMIENTO
  57. 57. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz HIDRÓLISIS 57
  58. 58. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz 58
  59. 59. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz FERMENTACIÓN 59
  60. 60. Obtención de Bioetanol a partir del almidón de maíz DESTILACIÓN 60

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