INTRODUCCIÓN

Desde la década de los 70, Ecuador se convirtió en un actor importante dentro de la industria petrolera a nivel latinoamericano [1, 2] y, en consecuencia, la extracción de crudo pasó a ser una de las principales actividades económicas del país. De hecho, la relevancia de la industria extractiva nacional sigue siendo importante y es así como, por venta de crudo, el país obtuvo ingresos de más de diez mil millones de dólares en el 2022 [3]. Sin embargo, y a pesar de que Ecuador es considerado un país petrolero, nunca desarrolló su industria petroquímica, por lo que todavía se ve en la necesidad de importar químicos, intermediarios y combustibles de mayor valor agregado que el crudo sin refinar para suplir la demanda interna y así cubrir las necesidades de la población [4, 5].

En este contexto, uno de los principales productos relativos al refinamiento del petróleo es el etileno (C₂H₄) [6, 7], que es la más simple de las olefinas. Se trata de un gas inflamable a temperatura ambiente, incoloro, no corrosivo, no tóxico, ligeramente soluble en agua y soluble en la mayoría de los solventes orgánicos. Su importancia se debe a su estructura molecular, es decir, a su doble enlace carbono-carbono. Este enlace $\textcolor{red}{}\mathrm{\pi }$ es responsable de su reactividad química, y además, debido a su alta densidad electrónica, es susceptible a ataques de electrófilos. El etileno también es un agente alquilante activo, que puede usarse para la producción de monómeros importantes, como el etilbenceno, que se deshidrogena a estireno [8]. Además, el etileno es un compuesto orgánico crucial en la industria petroquímica, pues es utilizado principalmente en la producción de plásticos como el polietileno, diversos polímeros, fibras, resinas y materiales de empaque [8].

A pesar de existir una gran variedad de rutas para producir etileno a escala industrial, por ejemplo, pirólisis catalítico, deshidrogenación del etano, acoplamiento oxidativo de metano, entre otras; industrialmente, la ruta más utilizada es el craqueo térmico de hidrocarburos, y entre ellos la nafta [9,10].

El mercado interno del etileno en el Ecuador no es relevante, pues, por ejemplo, en el 2023, de acuerdo con el Observatorio de la Complejidad Económica, el país solamente importó esta sustancia por un costo de 622 mil dólares. No obstante, la demanda de los derivados de etileno sí tiene relevancia. Es así como en el mismo año, se importaron 235 millones de dólares en polímeros de etileno en formas primarias [11]. Esta diferencia significativa demuestra la inexistencia de una industria de transformación de materias primas en Ecuador, sin esto significar que la demanda de productos derivados del petróleo sea igual de irrelevante. Por lo tanto, iniciar una industria petroquímica en el país podría contribuir de manera positiva a la economía local y también posicionar mejor al Ecuador dentro del mercado latinoamericano.

No obstante, el uso de hidrocarburos para la producción de intermediarios químicos como el etileno tiene repercusiones ambientales importantes, pues la industria química y petroquímica contribuyen en gran medida al cambio climático. De hecho, este tipo deindustrias contribuye con alrededor del 18 % de las emisiones industriales directas deCO2 a nivel mundial [12]. Por esta razón, existen esfuerzos globales para buscar nuevasrutas productivas que permitan obtener los mismos precursores e intermediariosquímicos de forma más sostenible y, dado que Ecuador no tiene un sector industrialde transformación desarrollado, iniciar su industria química desde una perspectivasostenible puede ser una oportunidad que amerita un análisis más profundo.

Entre estas nuevas alternativas de producción sostenible se han considerado potencialmente viables aquellas que utilizan biomasa lignocelulósica y no lignocelulósica en vez de hidrocarburos como materia prima [13, 14]. Al utilizar biomasa, el CO2 emitido tanto por degradación como por transformación, no contribuye al cambio climático ya que forma parte del ciclo del carbono, a diferencia de los combustibles fósiles. En este contexto, se ha demostrado que es posible obtener etileno a través de la deshidratación catalítica de etanol [15, 16]. A su vez, una ruta viable para la obtención de bioetanol es a través de la degradación de azúcares provenientes de residuos agrícolas [17, 18,19]. Obtener bioetanol como producto intermedio para la producción de etileno de forma eficiente representa todavía un reto debido a los bajos rendimientos de fermentación o digestión, y a la necesidad de pretratamientos tanto físicos como químicos que en última instancia complejizan los procesos productivos e incrementan los costos

Dado el caso, el presente estudio tiene por objetivo presentar un análisis comparativo de tres rutas de producción de etileno en Ecuador. Dos a partir de bioetanol como intermediario químico, y una a partir del craqueo de nafta, en términos de viabilidad técnica, económica y de sostenibilidad ambiental del proceso, considerando sus posibles implicaciones a nivel nacional y regional.

MATERIALES Y MÉTODOS

Materia prima: Craqueo térmico de nafta

El etileno puede sintetizarse a partir de diversas materias primas, entre las cuales se incluyen principalmente nafta y etano [20]. La nafta es una fracción derivada del petróleo y representa aproximadamente entre el 15 % y el 30 % del peso total del crudo [21]. Además de hidrocarburos, esta fracción puede contener azufre, nitrógeno, vanadio, níquel y sodio [22]. En este estudio, se ha considerado la posible utilización de la nafta producida en la refinería de Shushufindi como base de modelado, la cual, según datos estadísticos de EP Petroecuador, registró una producción promedio anual de 884 096 barriles en los últimos cuatro años [23], lo que respalda la viabilidad de obtener esta materia prima en el mercado ecuatoriano.

Proceso productivo

La producción de etileno comienza con el ingreso de la nafta y el vapor de agua al horno de craqueo que opera entre 750 – 800 °C. El gas de craqueo pasa a la fase de enfriamiento y recuperación de energía para luego dirigirse a un compresor y posteriormente a una segunda fase de refrigeración. Paso seguido, los gases de craqueo son enviados a un fraccionador. En este punto, se obtienen diferentes subproductos como el hidrógeno y el metano que se asume que son reutilizados en el proceso de combustión; así como etileno que atravesará una última etapa de compresión y envasado.

Circularidad

La metodología desarrollada en este estudio se enfocó en el diseño preliminar de dos rutas sostenibles para la producción de etileno a escala industrial, priorizando la viabilidad técnica y económica, además de la sostenibilidad ambiental. En este contexto, se detallan los criterios y procedimientos utilizados para el diseño

En primer lugar, se analizó el impacto ambiental y energético de los métodos convencionales de producción de etileno, especialmente el método basado en craqueo térmico de la nafta. Esto incluyó la evaluación de sus principales desventajas, como el uso de recursos no renovables, el consumo energético elevado y la generación de subproductos contaminantes.

Posteriormente, con base en estudios previos se establecieron criterios clave para el diseño de rutas sostenibles, incluyendo:

• Uso eficiente de recursos renovables [24].

• Minimización de residuos sólidos, líquidos y gaseosos [25].

• Recirculación de insumos y subproductos dentro del proceso [26].

• Reducción en el consumo energético y uso de energías limpias [27]

De esta forma se definieron dos rutas verdes basadas en la producción de bioetanol para su posterior transformación en etileno. La primera utiliza un proceso convencional de fermentación alcohólica mientras que la segunda consiste en una conversión catalítica de biometano a etanol. Ambas rutas fueron evaluadas para incluir estrategias de recirculación de insumos y subproductos, asegurando un ciclo cerrado de materiales en la medida de lo posible.

Procesos circulares

Descripción del proceso productivo y selección de materia prima

En este estudio de modelado, se evaluaron dos procesos que utilizaron residuos agrícolas como materia prima para la producción de etileno empleando etanol como intermediario. El primer proceso se basó en la obtención de etanol mediante fermentación alcohólica de residuos agrícolas, mientras que el segundo se basó en un proceso de digestión anaeróbica del mismo tipo de residuo agrícola seguido de una conversión catalítica. Posteriormente, el etanol generado en ambas vías se transformó en etileno mediante deshidratación catalítica [28]. Por lo tanto, la principal diferencia entre los procesos residió en las rutas propuestas para la producción de bioetanol

Biomasa como materia prima

Este análisis fue realizado exclusivamente mediante revisión de literatura científica. Se priorizaron estudios realizados en Ecuador o regiones con condiciones climáticas similares. Los valores reportados en la literatura se utilizaron para definir parámetros clave de la biomasa, como contenido de humedad, almidón, fibras y cenizas. Estos datos sirvieron de base para modelar los procesos de conversión bioquímica

En cuanto a los criterios de selección, los parámetros más relevantes incluyeron

• Alta disponibilidad en el contexto local.

• Composición adecuada para la conversión en etanol.

• Impacto ambiental y social positivo al valorizar un residuo agrícola

Generación de las simulaciones

Se evaluó el modelo convencional de producción de etileno mediante el craqueo térmico de nafta, identificando los principales aspectos susceptibles de mejora en términos de circularidad del proceso. A partir de este análisis, se propuso sustituir la materia prima basada en hidrocarburos por biomasa de descarte, desarrollando así dos modelos alternativos de producción. Para el diseño de ambos procesos, se realizaron simulaciones utilizando el software Aspen Plus V14, incluyendo cálculos de parámetros termodinámicos y balances de masa y energía, basados en datos extraídos de la literatura científica sobre condiciones operativas y rendimientos. Este enfoque permitió una comparación integral de las alternativas propuestas frente al modelo convencional, considerando criterios técnicos, económicos y ambientales.

Asimismo, los supuestos para generar el modelo fueron los siguientes

• Estado estacionario.

• Aunque la conversión de almidón y glucosa no es del 100 %, los intermediarios seconsideraron insignificantes.

Craqueo térmico de nafta

En este caso, se utilizaron los datos reportados por Silva y colaboradores en cuanto a composición de la nafta [22]. Con base en este artículo se eligieron las moléculas más representativas: pentano, hexano, heptano y benceno. Luego, se modelaron las reacciones de craqueo de forma que los resultados de la simulación sean similares a los reportados por Seifzadeh y colaboradores para validar los porcentajes de conversión [29]. Adicionalmente, las etapas de separación fueron modeladas con base en el estudio de Meindersma [30].

Fermentación de biomasa

A pesar de no haber modelado la etapa de molienda, para este proceso se consideró un molino de martillos para la reducción del tamaño de partícula de la papa de descarte. Además, el proceso propuesto cuenta con una etapa de pretratamiento que involucra la hidrólisis ácida del almidón de papa, proceso destinado a romper la matriz sólida del tubérculo y liberar los azúcares disponibles. Posteriormente, se buscaron datos de la literatura, con especial énfasis en la tasa de conversión de almidón a glucosa y de glucosa a etanol, por lo que se decidió tomar como base los resultados reportados por Chuquin y Davis. [31, 32]. Además, para la transformación de etanol a etileno se tomó en cuenta las reacciones tanto principales como intermedias de acuerdo con lo indicado en el artículo de Mohsenzadeh et al. [33].

Digestión de biomasa

Para este proceso se tomó como base la tasa de metanización de los residuos de papareportados por Parawira et al. [34]. Para el enriquecimiento del metano, producto de ladigestión anaerobia, se consideró una torre de adsorción. Debido a la estabilidad de la molécula de metano, su conversión a etanol no es una reacción espontánea. Por lotanto, para el modelo se evaluó la conversión electrocatalítica de metano a alcoholesde cadena corta en condiciones de presión y temperatura ambiente, mediante uncatalizador Cu-Ni@NiO2 debido a su alto rendimiento [35]. Los productos de la reacciónelectrocatalítica son metanol y etanol, por lo que una etapa adicional de separaciónfue necesaria.

*Datos adicionales sobre las bases de diseño pueden ser encontradas en el material suplementario

Estimación de costos

Con el fin de realizar una primera aproximación a los costos de construcción e instalación de las plantas de producción de etileno que se estudian en este artículo, se utilizaron los balances de materia de cada proceso para dimensionar los equipos en función del caudal másico o volumétrico en cada operación unitaria. Con base en los resultados obtenidos, se buscó información de los precios de los equipos necesarios. Después, se aplicó una tasa de nacionalización del 40 % a cada equipo con el fin de estimar los aranceles de importación y, finalmente, se aplicó el factor de Hand correspondiente para calcular los costos internos de la planta (ISBL). Posteriormente, se calcularon los costos externos de la planta (OSBL), los costos de ingeniería y contingencia como factores delos ISBL y OSBL, así como los costos de operación y costos variables por compra de materias primas [36].

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Biomasa

Para la selección de la biomasa, se optó por utilizar papa de descarte (Solanumtuberosum) producida en Ecuador. Este material fue elegido debido a su abundancia, bajo costo y alto contenido de almidón, características que lo convierten en un recurso viable para la obtención de etanol. De hecho, la papa es el cuarto cultivo alimentario más importante del mundo, con una producción estimada de 388 millones de toneladas en 2017, liderada por Asia con más del 50.4 % del total mundial y seguida por Europa (31.5 %), América (11.4 %), África (6.4 %) y Oceanía (0.6 %) [37]. Por otro lado, en el año 2017, en el Ecuador se produjeron 377 mil toneladas de papa, principalmente en el norte y centro de la región interandina, siendo la provincia del Carchi la mayor productora con el 36.14 % de la masa [38].

Tratándose de un producto perecedero, si no se maneja adecuadamente en su cosecha, manipulación y transporte, la papa se deteriora rápidamente y deja de ser apta para el consumo humano. Como consecuencia, las pérdidas generalmente llegan a un 25 % del valor de la cosecha. Esto significa que la cuarta parte de lo que se produce en el campo no llega al consumidor [39]. No obstante, otros estudios indican que en Ecuador el porcentaje de papa de desecho es inferior, alcanzando solamente el ~13 % de la producción [31, 39, 40]

La “papa de rechazo”, es la porción de papa cultivada que no se puede comercializar en las ciudades del país por los siguientes motivos: el tamaño del producto es muy pequeño para su venta, errores en la cosecha que provocaron cortes o irregularidades en el producto, o el producto creció con deformidades o cavidades [39].

Actualmente, la papa de desecho se utiliza como alimento para animales, abono para los terrenos o para el consumo propio de agricultores; sin embargo, esta podría tener un uso potencial como una materia prima para la elaboración de bioetanol y, en consecuencia, de bioetileno.

Ahora bien, en cuanto a composición de la papa, esta puede contener entre un 69.4 y un 72.3 % de almidones y más de un 88 % en carbohidratos totales, lo que supondría entre un 5.4 y un 10 % de proteínas [40]. Es decir, debido a su alto contenido de azúcares, resulta ser un sustrato adecuado tanto para ser sometido a procesos de fermentación anaeróbica con el objetivo de producir metano, como a procesos de fermentación alcohólica con el fin de obtener etanol.

Diseño de las plantas

Las bases del diseño del proceso para la producción de etileno se muestran en la Tabla 1. Se estandarizó el flujo másico de materia prima en función de la disponibilidad de papas de descarte disponibles en la provincia del Carchi, Ecuador. Es decir, se asumió una producción de papa anual en Ecuador de 377 mil toneladas, de las cuales cerca del36 % son producidas en la provincia del Carchi, y de ese porcentaje, aproximadamente el 18.9 % corresponde a la fracción descartada (porcentaje que a su vez representa el promedio de la producción descartada en el país según la literatura) [31, 38, 39]. Además,se asume que todas las plantas propuestas operan durante 24 horas, 350 días al año(asumiendo 15 días de detención de la planta por actividades de mantenimiento). De esta manera, tanto el flujo másico de nafta como de biomasa fueron de 3.067 t/h y elrendimiento del producto principal fue comparable.

Tabla1. Resumen de las bases de diseño.

Craqueo térmico de nafta

En la Figura 1 se muestra el diagrama de la producción de etileno mediante craqueo térmico de nafta.

Figura 1. Diagrama de flujo simplificado de la planta de producción de etileno por craqueo térmico de nafta.

El diagrama de flujo del modelo de la planta que funciona por craqueo de nafta semuestra en la Figura 2.

Figura 2. Diagrama de flujo de la planta de producción de etileno por craqueo térmico de nafta considerandouna entrada de materia prima (nafta) de 3.067 t/h.

Las condiciones de operación y conversiones por reacción del horno de craqueo se muestran en la Tabla 2.

Tabla2. Resumen de los parámetros de operación y rendimiento utilizados para el modelaje del horno de craqueo.

Dado que la nafta es una mezcla de diversos hidrocarburos, se decidió modelar las reacciones de craqueo tomando como referencia su composición típica [22] y las reacciones estequiométricas asociadas. En el diagrama de proceso, la corrienteS1 representa la alimentación de nafta al horno de craqueo, donde únicamente seeleva su temperatura sin modificar su composición, dando lugar a la corriente S2 a la salida del calentador. La corriente S3 corresponde al caudal másico de vapor. Por suparte, S4 identifica la mezcla de hidrocarburos obtenida tras el craqueo; esta mezclase enfría en un intercambiador, generando las corrientes S5 y S6, ambas de agua,mientras que S7 mantiene la misma composición que S4. El caudal másico S7 ingresaa un separador que remueve el agua que será posteriormente utilizada y se representacomo S24, mientras que S8 es la corriente de hidrocarburos que ingresa a una etapade compresión (S9) y posteriormente a una etapa de separación. La corriente S25 estácompuesta únicamente por sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, los cuales seconsideran los componentes principales del “gas agrio” [41], mientras que la corriente S10está compuesta por los gases de craqueo que a su vez atraviesan una etapa posteriorde separación. El caudal másico S11 corresponde entonces a los hidrocarburos máspesados C5-C7 y el S12 a una fracción más ligera que a su vez atraviesa un procesoadicional de separación. En S13 se separan hidrocarburos C3 y C4 y gas de síntesis. S14corresponde a una corriente mezclada de propileno y propano, mientras que S15 esuna mezcla de butano, butadieno y gas de síntesis que, en este modelo, no atraviesauna siguiente etapa de purificación. Es así como, la corriente S16 está compuesta por metano, etileno y etano. En la corriente S17 el metano es separado de los hidrocarburosC2, los cuales corresponden a la corriente S18. Esta corriente atraviesa una siguienteetapa de purificación y el producto (etileno) sale por la corriente S19, mientras que eletano por S20. El etileno es enfriado mediante un intercambiador de calor que utiliza un flujo másico de agua proveniente de S24, S22 corresponde al etileno enfriado yS21 al agua calentada que sale del intercambiador de calor. El etileno es comprimido y finalmente sale por S23.

De la misma manera, el diagrama de flujo simplificado del modelo basado en fermentación de biomasa se muestra en la Figura 3 y en la Figura 4 se muestra el diagrama final del proceso (Tabla 3)

Figura 3. Diagrama de flujo simplificado de la planta de producción de etileno por deshidratación de etanolproducido mediante fermentación de biomasa.

Figura 4. Diagrama de flujo de la planta de producción de etileno por deshidratación de etanol producido mediante fermentación de biomasa, considerando una entrada de materia prima (papas de descarte) de 3.067 t/h.

Tabla 3. Resumen de los parámetros de operación y rendimiento utilizados para el modelaje de los reactores principales donde ocurre la reacción química.

El proceso consta de una etapa de pretratamiento físico de reducción de tamaño que nofue modelada en el software utilizado, sin embargo, se asume que, al entrar al proceso, lapapa de descarte tiene un diámetro de partícula adecuado. Un flujo másico de biomasade 3.067 t/h que corresponde a la corriente S1 se mezcla con agua (S2) en una proporciónaproximada de 1:10 tomando como base el estudio de Jimenez-Gutiérrez [42]. El procesoes catalizado con ácido sulfúrico, el mismo que también ingresa por S2 y representa un1 % del flujo de agua. Esta mezcla corresponde a la corriente S3 que posteriormente escalentada sin ningún cambio adicional en su composición y se representa con el flujoS4. Luego, S4 es enviado a una etapa de hidrólisis ácida a 120 °C y 1.5 bar y los productoshidrolizados corresponden a la corriente S5. Posteriormente, el flujo es enviado a una etapade neutralización donde ingresa hidróxido de calcio sólido (S6) que será removido en unaetapa posterior. La corriente S7 corresponde a los productos de la hidrólisis ya neutralizados,estos productos atraviesan una etapa de descompresión (S8) y después son enviados a unseparador que remueve la fracción sólida (S9). Los productos de las hidrólisis libres de sólidos(S10) son enviados a un intercambiador de calor que reduce hasta 31 °C para comenzar laetapa de fermentación. El intercambiador de calor opera con un flujo de agua de 32.2 t/h.

La etapa de producción de etanol ocurre en un tanque de fermentación y se asumeque 100 % de los azúcares liberados del almidón son fermentados, entonces la corrienteS22 corresponde al flujo de agua fría de entrada y el flujo S23 al flujo de agua calienteque ya atravesó el intercambiador de calor. Es así como S11 corresponde a los azúcaresfermentables que ingresan al reactor y S12 corresponde a los productos de la fermentación.

Los productos de la fermentación se envían a un separador ideal, el cual elimina eldióxido de carbono generado como subproducto (corriente S13). Posteriormente, elflujo se dirige a un destilador, simulado también como un separador ideal, a través de lacorriente S14, donde se concentra el etanol. El etanol obtenido se extrae por la corrienteS15 y se conduce hacia un calentador.

El agua separada del alcohol corresponde a la corriente S23, la cual se recircula haciauna etapa previa del proceso. Una vez calentado, el etanol conforma la corriente S16,que alimenta un reactor de deshidratación catalítica con Al₂O₃, operando a presiónatmosférica, 400 °C y 10 bar.

El etileno producido en la deshidratación se obtiene en la corriente S17, la cual se envía aun separador que remueve el agua (corriente S19). El etileno purificado (corriente S18) seconduce a una etapa de compresión, dando lugar al etileno comprimido en la corriente S20.

Figura 5. Diagrama de flujo simplificado de la planta de producción de etileno por deshidratación de etanolproducido mediante digestión anaeróbica de biomasa seguida de una etapa de conversión catalítica con Cu-Ni@NiO2.

El segundo proceso modelado para la obtención de bioetileno fue la oxidaciónelectrocatalítica del metano con catalizador para producción de alcoholes de bajocarbono, con selectividad mejorada hacia el etanol. Para este proceso se consideró lamisma biomasa de alimentación del proceso de fermentación, es decir, tres toneladasde papas de descarte por hora, detallada en el balance de masa, mostrado en la Figura 5 y Figura 6.

Figura 6. Diagrama de flujo de la planta de producción de etileno por deshidratación de etanol producidomediante digestión anaeróbica de biomasa seguida de una etapa de conversión catalítica con Cu-Ni@NiO2,considerando una entrada de materia prima (papas de descarte) de 3.067 t/h.

Tabla 4. Resumen de los parámetros de operación y rendimiento utilizados para el modelaje de los reactoresprincipales donde ocurre reacción química.

La biomasa que corresponde a la corriente S1 (3.067 t/h) se mezcla con agua (S2) a enuna proporción aproximada de 1:10 de manera similar que en el proceso anterior. Lacorriente S3, a su vez, corresponde al flujo de biomasa-agua que ingresa a un calentadory por consiguiente S4 corresponde al mismo flujo másico después de atravesar uncalentador. En este caso, se consideró una etapa de pretratamiento químico en un reactor a 120 °C y 1.5 bar, no obstante, en este caso no se catalizó la reacción con ningúnácido a diferencia del proceso anterior.

Los productos del pretratamiento (S5) pasan una etapa de descompresión y el flujose representa como S6, posteriormente son enviados a una etapa de separacióndonde se remueve la lignina por la corriente S7 y el material no hidrolizado (S8) a unintercambiador de calor que reduce la temperatura del flujo de productos hasta 26 °Cpara iniciar la etapa de digestión. Las corrientes S9 y S10 corresponden a la entrada ysalida de agua del intercambiador de calor respectivamente, mientras que S11 es elproducto líquido de la hidrólisis que ingresa a una etapa de fermentación.

El reactor fue diseñado para operar a presión atmosférica y temperatura ambientebajo condiciones anaeróbicas. Una vez generado el biogás, la corriente S12 se dirigea un separador que remueve el agua (S14). El gas seco resultante (S13) se conduceposteriormente a un segundo separador para eliminar el dióxido de carbono (S15). En lasimulación, ambos equipos se representaron como separadores ideales. A continuación,la corriente de metano puro (S16) alimenta un reactor de electrocatálisis, donde elhidrocarburo se transforma en alcoholes simples (principalmente etanol y metanol). Elproceso ocurre en presencia de agua (corriente S17) y utilizando un catalizador de Cu–Ni@NiO₂, bajo condiciones ambientales de presión y temperatura.

La corriente resultante (S18), compuesta por alcoholes, se somete a una etapa deseparación que permite obtener metanol (S19) y etanol (S20). El etanol separadose conduce a un calentador y, a través de la corriente S21, alimenta un proceso dedeshidratación catalítica, siguiendo un esquema análogo al descrito previamente.

El efluente de esta etapa (S22), constituido por una mezcla de etileno y agua, se envíaa un separador que produce dos corrientes: etileno puro (S23), que posteriormente secomprime y se obtiene como producto final en la corriente S25, y agua residual (S24),correspondiente al subproducto del proceso de deshidratación catalítica.

El balance de masa y el rendimiento porcentual de etileno con respecto a la masa de materia prima para cada proceso se detalla en la Tabla 5.

Tabla 5. Resultados principales de los balances de masa de cada proceso.

Costo de los equipos

Para estimar el costo de los equipos se consideraron las operaciones unitarias principales de cada proceso (Tabla 6 - 7).

Tabla 6. Rendimiento porcentual de etileno con respecto a la masa de materia prima para las diferentes rutas de producción analizadas.

Tabla 7. Estimación del costo de los equipos para la producción de etileno mediante los tres procesos contemplados

Además de los costos de los equipos, se estimaron los costos internos de la planta(ISBL), los costos externos (OSBL), los costos de ingeniería, los costos de contingencia,así como la inversión total requerida para los tres procesos productivos analizados (Tabla8). También se calcularon los costos operativos y variables asociados (Tabla 9).

Para la estimación de los costos internos (ISBL) se aplicó una modificación de la metodologíapropuesta por Sinnott y Towler [43]. En primer lugar, se recopilaron valores actualizados deequipos a través de portales web y se determinó la cantidad necesaria en función de los flujos másicos o volumétricos obtenidos en las simulaciones de proceso. Adicionalmente,se consideró una tasa de nacionalización del 40 % sobre el valor de los equipos, con el finde reflejar aranceles e impuestos aplicables a la importación en Ecuador. Posteriormente,se aplicaron los factores de Lang y Hand correspondientes, de acuerdo con el tipo deequipo, conforme a la metodología factorial de los mismos autores.

En cuanto a los costos externos (OSBL), estos se estimaron como un porcentaje de losISBL: 50 % para el proceso basado en craqueo de nafta y 40 % para los dos procesos deorigen renovable. Finalmente, los costos de ingeniería y de contingencia se calcularoncomo un 10 % y 15 %, respectivamente, de la suma de ISBL y OSBL (Tabla 8).

Tabla 8. Estimación del costo total de inversión para los tres procesos productivos analizados.

Para el caso de los costos operativos, se estimó la cantidad de trabajadores necesariospara operar las tres plantas modeladas y se estimaron sus salarios anuales. De esta manera,las dos plantas que utilizan procesos verdes de producción tendrían el mismo personal,mientras que la planta que utiliza el proceso de craqueo de nafta tendría más personalen las áreas de técnicos de laboratorio, como operadores, personal administrativo y deseguridad, debido a la cantidad adicional de coproductos producidos.

Por otro lado, los costos de la materia prima fueron obtenidos mediante búsqueda enportales web de proveedores autorizados que operan en el mercado ecuatoriano, asícomo los costos del servicio eléctrico. En este sentido, los costos variables se reportanen unidades monetarias en dólares americanos por kilogramo de producto principalproducido (Tabla 9).

Tabla 9. Estimación de costos operativos y costos variables.

Los procesos circulares son fundamentales en la búsqueda de sostenibilidad y eficiencia, ya que proponen un modelo donde los recursos son reutilizados, recicladoso regenerados, minimizando así el desperdicio y el impacto ambiental [44]. A diferenciade los procesos lineales que se basan en la secuencia de “extraer, producir, desechar”,los modelos productivos circulares permiten que los materiales tengan una vida útilprolongada y se reincorporen al ciclo productivo, reduciendo la necesidad de extraernuevas materias. Este enfoque no solo promueve una economía más responsable, sinoque también impulsa la innovación, mejora la resiliencia de las cadenas de suministro ycontribuye a la conservación de los ecosistemas.

Este trabajo buscó comparar un proceso lineal de producción de etileno mediantecraqueo térmico de nafta con dos procesos circulares basados en el aprovechamiento depapa de descarte producida en Ecuador con el fin de obtener bioetileno. Los dos procesoscirculares presentan una ventaja significativa con respecto al proceso convencional deproducción en términos de aprovechamiento de biomasa residual sin afectar a las cadenasde suministro o utilización adicional de tierras de cultivo, de tal manera que se estaríaaprovechando la totalidad de las papas de descarte que se producen en la provincia delCarchi [38]. Sin embargo, ninguno de los dos procesos evaluados es comparable con elproceso productivo tradicional en términos de rendimiento y costos.

Los dos procesos circulares analizados en este estudio tienen como punto de partidalos residuos agrícolas para la producción de etileno. Sin embargo, es relevante destacarque las dos rutas sostenibles evaluadas emplean etanol como compuesto precursor.En el caso de la obtención de etanol mediante fermentación de biomasa y posteriordeshidratación del alcohol para obtener etileno, la ruta productiva es factible y bienestudiada [45, 46]. No obstante, no es posible obtener rendimientos competitivos debidoal alto contenido de agua de la papa, lo que se traduce en una fracción fermentablepequeña [34], incluso cuando una porción importante de esta masa seca es almidón,que fácilmente se hidroliza a azúcares más simples [18].

Por otro lado, si bien la oxidación electrocatalítica del metano para la producción debioetileno representa una alternativa alineada con varios principios de la químicaverde, entre ellos, el uso de catálisis para reducir subproductos, el diseño orientado ala eficiencia energética (al operar a presión y temperatura ambiente), la utilización dematerias primas renovables, el empleo de materiales de baja toxicidad y bajo impactoambiental, así como la minimización del uso de solventes [47], el proceso presentaun rendimiento relativamente bajo. En particular, durante la etapa de digestión, lametanización alcanza apenas 0.32 L CH₄/g VSS digeridos [34]

Adicionalmente, la conversión electrocatalítica de metano a etanol utilizando Cu-Ni@NiO2 como catalizador solamente ha sido estudiada a escala de laboratorio, por lo que,actualmente su implementación debería ser descartada por falta de tecnología deescala industrial.

Adicionalmente, el proceso convencional de producción de etileno por craqueo dehidrocarburos presenta ventajas relevantes, pues, además del alto rendimiento de etilenoen comparación con la materia prima inicial (nafta en este caso), se producen otrossubproductos útiles en la industria química, tales como propano, propileno y metano, entreotros. Además de que el costo de inversión es significativamente menor (0.41 y 0.42 vecesel costo de las plantas por fermentación y digestión, respectivamente). En términos decostos variables, el craqueo de nafta sigue siendo el proceso más competitivo, seguido porel proceso de fermentación de biomasa (4.2 veces más costoso que el proceso de craqueo)y finalmente la digestión anaerobia (16.8 veces más costosa que el craqueo de nafta).

Por otro lado, existe una ventaja de los dos procesos circulares con respecto del procesolineal en el apartado de costos fijos de operación. Sin embargo, esta ventaja se debeúnicamente a la cantidad de coproductos generados, es decir, el proceso de craqueode nafta permite una mayor cantidad de líneas de negocio en comparación con los dosprocesos circulares, y por lo tanto, requiere de personal adicional. En consecuencia, sucosto operativo es un 28 % superior al costo de los procesos que utilizan biomasa comomateria prima.

Los procesos circulares planteados consideran diferentes aspectos ambientales, tales como el uso de recursos renovables y el aprovechamiento de los residuos de la producción agrícola, minimizando así los “desechos”, ya que se habla del uso de las papas de descarte como materia prima; mientras que, en el proceso lineal, el aspecto ambiental más relevante es el uso de recursos no renovables. Además, estos procesos buscan identificar oportunidades de mejora mediante tecnologías más eficientes y el uso de recursos renovables.

No obstante, toda la nafta consumida durante el proceso de craqueo constituye carbonoque no puede ser reincorporado a corto plazo en los ciclos naturales de reciclaje denutrientes. Este carbono terminará liberándose a la atmósfera en forma de dióxido decarbono, contribuyendo así a las emisiones de gases de efecto invernadero. Además,el proceso implica el uso de un recurso no renovable como el petróleo, cuyo consumoexcesivo puede acarrear consecuencias tanto económicas como ambientales [48].

CONCLUSIONES

La producción de etileno a partir de nafta es económica y técnicamente más viable que los procesos de bioetileno analizados, pues se trata de un proceso industrial maduro y ampliamente investigado desde hace más de 80 años. Sin embargo, se basa en la secuencia de “extraer, producir, desechar”, con un alto impacto ambiental debido a las cantidades considerables de energía que requiere y las grandes emisiones de gases de efecto invernadero que produce. No obstante, la producción de bioetileno en el Ecuador y en el mundo es técnicamente posible, a pesar de que enfrenta varios desafíos.

A nivel técnico, gran parte de la biomasa utilizada como materia prima no puede ser aprovechada, lo que reduce significativamente los rendimientos. Además, el uso de biorreactores en etapas como la fermentación o la digestión anaerobia requiere un control estricto de las condiciones de operación para garantizar la subsistencia de levaduras, arqueas y otros microorganismos.

En el ámbito económico, el proceso demanda etapas adicionales de pretratamiento de la biomasa antes de las conversiones deseadas (por ejemplo, la deshidratación del etanol). Esto aumenta la complejidad operativa y, en consecuencia, eleva el número de equipos necesarios, la demanda energética global y los costos de operación.

Desde la perspectiva ambiental, reemplazar materias primas convencionales por biomasa residual ofrece ventajas, como el aprovechamiento de desechos que, de otra forma, terminarían en rellenos sanitarios. Además, la oxidación de este tipo de biomasa no contribuye de la misma manera al cambio climático, ya que el carbono puede reciclarse mediante procesos naturales de reutilización de nutrientes. No obstante, las operaciones unitarias que transforman estos materiales suelen requerir reactivos contaminantes o peligrosos, además de condiciones de alta temperatura y presión o largos tiempos de residencia, lo que incrementa el espacio necesario para la planta.

Finalmente, al tratarse de procesos biológicos, los máximos rendimientos solo se alcanzan en condiciones óptimas de operación, las cuales no siempre son factibles. En muchos casos, además, los microorganismos requieren largos periodos de adaptación [49].

Finalmente, se recomienda realizar experimentos a escala de laboratorio o a escala piloto con el fin de optimizar las simulaciones basadas en la revalorización de los residuos agrícolas u otro tipo de residuos ricos en azúcares fermentables considerando rendimientos experimentales, dado que los flujos de producto obtenidos pudieron haber sido subestimados.

CONTRIBUCIONES DE LOS AUTORES

El presente trabajo fue realizado como proyecto final de la clase de “Diseño e Ingeniería Circular”, que forma parte del pénsum de estudio de la Maestría en Ingeniería Circular de la Universidad San Francisco de Quito USFQ.

Gabriel Vaca, Sonia Quiroga, Kimberly Rizzo y Dimas Pincay realizaron todo el trabajo de diseño bajo la guía de José Álvarez, quien también fue el responsable de verificar el dimensionamiento de los equipos, así como el análisis económico. Todos los autores participaron activamente en la preparación del manuscrito.

DECLARACIÓN SOBRE EL USO DE TECNOLOGÍAS DE IA GENERATIVA Y ASISTIDA EN LA REDACCIÓN

Durante la preparación de este trabajo, los autores utilizaron Perplexiy AI y ChatGPT con el único propósito de mejorar la calidad de la redacción del texto y, de manera ocasional, para orientar la búsqueda de artículos científicos. Posteriormente, los autores revisaron y editaron el contenido según consideraron necesario, asumiendo la plena responsabilidad por la versión final del texto y su contenido publicado.

DECLARACIÓN DE DISPONIBILIDAD DE DATOS

Los datos están disponibles en un repositorio de acceso abierto: Producción sostenible de etileno en Ecuador: análisis comparativo entre craqueo de nafta y procesos basados en biomasa de papa andina de descarte - Datos del modelo. https://doi.org/10.5281/zenodo.17979929

CONFLICTO DE INTERÉS

Los autores declaran que no hubo ningún conflicto de interés al realizar esta investigación.

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Notas de autor

jalvarezb@usfq.edu.ec

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