Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 468
https://doi.org/10.69639/arandu.v11i1.232
Evaluación económica de la obtención de bioetanol a partir de
desechos orgánicos mediante la simulación del proceso
Economic evaluation of the obtaining of bioethanol from organic waste through the
simulation of the process
Daniel Esgardo Mendoza Zambrano
daniel.mendoza@utm.edu.ec
https://orcid.org/0009-0006-3169-1037
Instituto de Admisión y Nivelación de la Universidad Técnica de Manabí
Portoviejo – Ecuador
Héctor Andrés Zambrano Noboa
hector.zambrano@utm.edu.ec
https://orcid.org/0000-0003-1251-7579
Instituto de Admisión y Nivelación de la Universidad Técnica de Manabí
Portoviejo – Ecuador
Lady Monserrate Cedeño Pinargote
lady.cedeno@utm.edu.ec
https://orcid.org/0009-0009-2283-3998
Instituto de Admisión y Nivelación de la Universidad Técnica de Manabí
Portoviejo – Ecuador
Shuebrt Lenin Aray Navia
shubert.aray@utm.edu.ec
https://orcid.org/0009-0006-0124-9256
Instituto de Admisión y Nivelación de la Universidad Técnica de Manabí
Portoviejo – Ecuador
Joseph Fabricio Guillen García
joseph.guillen@utm.edu.ec
https://orcid.org/0009-0003-8378-8277
Instituto de Admisión y Nivelación de la Universidad Técnica de Manabí
Portoviejo – Ecuador
Artículo recibido: 20 mayo 2024 - Aceptado para publicación: 26 junio 2024
Conflictos de intereses: Ninguno que declarar
RESUMEN
La investigación se enfocó en determinar la factibilidad de una planta productora de bioetanol a
escala industrial en la ciudad de Portoviejo utilizando como materia prima la composición de
desechos orgánicos provenientes de la industria alimentaria. La simulación del proceso se realizó
mediante la utilización software SuperPro Designer donde se plantearon alternativas tecnológicas
como la destilación y la separación por membranas. Los flujos finales del sistema obtuvieron un
grado alcohólico superior al 95 % m/m con un porcentaje de rendimiento del 9.26% para la
destilación y del 7.59% para el proceso de separación por membrana. Por su parte, para la
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 469
evaluación financiera se añadieron especificaciones tecno-económicas al proceso como precios
de equipos, insumos, energía, consumibles, mano de obra, costos directos e indirectos. En cuanto
a la economía, el resultado fue interpretado mediante índices económicos proporcionados por el
programa, obteniendo valores positivos de rentabilidad con un tiempo de retorno de la inversión
superior a los 3 años y un costo unitario de producción de 0.87$/Litro para el proceso de
destilación y 1.33$/Litro para el proceso de separación por membrana. Para el análisis de
sensibilidad se plantearon 3 escenarios distintos donde modificaron variables de costo de venta,
consumibles y utilidades producidas por la planta.
Palabras clave: bioetanol, desecho orgánico, evaluación económica, simulación
ABSTRACT
The research was based on determining the feasibility of an industrial-scale bioethanol production
plant in the city of Portoviejo using the composition of organic waste from the food industry as
raw material. The simulation of the process was carried out using the SuperPro Designer software
where technological alternatives such as distillation and membrane separation were proposed.
The final flows of the system obtained an alcoholic degree higher than 95% m / m with a yield
percentage of 9.26% for distillation and 7.59% for the membrane separation process. For its part,
for the financial evaluation, technical-economic specifications were added to the process such as
prices of equipment, supplies, energy, consumables, labor, direct and indirect costs. Regarding
the economy, the result was interpreted by economic indices provided by the program, obtaining
positive profitability values with a return-on-investment time of more than 3 years and a unit
production cost of $ 0.87 / liter for the process. distillation and $ 1.33 / L for the membrane
separation process. For the sensitivity analysis, 3 different scenarios were proposed where
variables: cost of sale, consumables and profits produced by the plant were modified.
Keywords: bioethanol, organic waste, economic evaluation, simulation
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Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 470
INTRODUCCIÓN
Los desechos orgánicos (DO) son considerados un problema creciente en el mundo (EPA,
2018). Según lo establecido por (Russell et al., 2013) existen diversos factores que derivan a la
generación de desechos como desbordamiento, almacenamiento ineficiente, el traslado, la
degradación, cambios ambientales y comportamiento humano.
El Ministerio de Ambiente de Ecuador (MAE) confirma que solamente el 28% de los
desechos son dirigidos a rellenos sanitarios, lugares que en primera instancia se controlan, pero
con el pasar del tiempo y la reducida gestión administrativa acaban en botaderos. El 72% de los
desechos restantes son dispuestos en ríos, arroyos y espacios abiertos que causan diversos
problemas como bloqueo de vías fluviales alcantarillas, deslizamientos de tierra, la reproducción
de insectos y roedores. (MAE, 2018). Conforme a datos del 2016, la generación anual de residuos
del Ecuador fue de 4.06 millones de toneladas, 0.74 kg per cápita; cifra que aumentó para el 2017
generando 5.4 millones de toneladas de desechos anuales lo que sugiere una gestión integral
planificada de residuos (MAE, 2018). No obstante, el control de ingeniería puede reducir estas
causas, aunque el comportamiento y la actitud son los factores más difíciles de gestionar (Russell
et al, 2013).
Se ha implementado el uso de estos residuos para la producción de bioenergía como salida
esta problemática; incrementándose potencialmente su uso en diversos países de América y
Europa (Kiran, Trzcinski & Liu, 2014). Estudios sostienen que la utilización de DO como fuente
potencial de bioenergía es competitiva en comparación calidad y precio contra otros combustibles
fósiles tradicionales, también se resalta la considerable reducción de gases nocivos al ambiente
(Aburto et al., 2008; Kiran et al, 2014).
Consecuentemente, investigaciones preliminares afirman que la producción de etanol
mediante DO resulta rentable por su amplio uso y diversificación en el mercado global;
reportando ganancias netas positivas en dependencia del país y la zona geográfica en donde se
encuentra realizado el estudio (Murillo et al., 2014; Hernandez et al., 2016; Gomez et al., 2018).
De lo anterior, se deriva la importancia de evaluar económicamente la obtención de bioetanol en
la ciudad de Portoviejo a partir de DO provenientes de la industria alimentaria y demostrar si
resulta factible su producción de en el Ecuador.
Por otro lado, existen diversos métodos ampliamente utilizados para la transformación de
desechos DO en bioetanol: como la incineración, pirólisis y gasificación (Espinosa et al., 2015).
Sin embargo, autores como (Vázquez & Dacosta, 2007; Pham., et al, 2015) desestiman estos
procesos termoquímicos por el alto contenido de humedad de la materia orgánica y una mayor
cantidad de energía para su funcionamiento.
En cuanto al proceso de fermentación, es uno de los más utilizados industrialmente ya que
considera costos operativos y de capital relativamente bajos (Daystar et al., 2015; Foust et al.,
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 471
2009). Por consiguiente, se utilizó el proceso de fermentación como método más idóneo para la
transformación del DO y así aprovechar el alto contenido de glucosa 45% m/m que en teoría
reporta la composición de materia orgánica investigada por (Muhammad, 2019) para ser
convertida en etanol.
METODOLOGIA
La simulación del proceso se realizó mediante la utilización del software SuperPro
Designer al que se le incorporaron operaciones unitarias necesarias para la estimar la producción
en una planta a escala industrial. Seguidamente se añadieron los valores determinísticos al
proceso. En cuanto al flujo tecnológico se siguió la metodología empleada por (Muhammad,
2019).
Especificaciones Tecnológicas
La planta opera de forma continua 1 ton/h y cuenta con equipos para el tratamiento del DO.
El proceso empieza con la reducción de la materia orgánica a través de la molienda seguido del
proceso de fermentación. Posteriormente, la torta húmeda es pasada por el filtro rotatorio para
separar los sólidos que posee el cultivo de fermentación para su tratamiento final mediante las
propuestas tecnológicas de estudio. El flujo tecnológico se representa en la Figura 1
Figura 1
Esquema del proceso de obtención de bioetanol
Desecho Orgánico (DO)
Se utilizó una alimentación de DO proveniente de desperdicios alimentarios que tiene un
contenido de humedad del 78% reportada por Muhammad (2019) con una biomasa rica en glucosa
y demás componentes para su aprovechamiento. La Tabla 1 se muestra la fracción másica del
desecho en base húmeda.
Tabla 1
Valor medio de la composición de DO (% m/m).
Componente
Fracción
Másica (%)
Almidón
19
Ceniza
2
Grasas
14
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 472
Fibra
5
Glucosa
45
Proteínas
15
Fuente: Muhammad (2019).
Molienda
Consiste es pulverizar los residuos lignocelulósicos hasta disminuir el grosor de partícula
de 0.2-2 milímetros para un mejor manejo del material hacia el fermentador (Rodriguez, 2014).
Se utilizó un equipo de molienda tipo amoladora con capacidad industrial de 1000 kg/h.
Fermentador
Se simuló el uso de un fermentador anaerobio con tiempo de residencia de 20 horas; allí
se recreó una fermentación en estado sólido. Según lo establecido por (Vázquez & Dacosta, 2007),
la fermentación alcohólica ocurre cuando la glucosa es convertida en etanol mediante la siguiente
reacción estequiométrica:
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2 Ec. 1
La principal ruta metabólica da lugar a la producción de etanol más dióxido de carbono
entre otros metabolitos. Para favorecer la producción de alcohol se utilizó levadura
saccharomyces cerevisiae, en la que se estableció una temperatura de trabajo de 35°C sin
considerar una inactivación de la levadura por sus características termo-tolerantes (De la Prida.,
2012).
Filtro de Tambor
Se optó por un filtro de tambor rotario debido a su utilidad con líquidos que contienen un
alto contenido de sólidos, alrededor del 15-30% que podrían obstruir otras formas de filtro (Smith
& Scott, 2005). Su implementación en el sistema se debe a la gran cantidad de sólidos que posee
la materia orgánica.
Subproductos
El flujo de residuos del proceso de conversión se considera un subproducto aprovechable,
como abono (biocompost) y fertilizante orgánico que genera un valor agregado al proceso.
Propuestas tecnológicas
Destilación
Los destiladores permiten separar por evaporación el etanol del cultivo de fermentación
(Vázquez & Dacosta, 2007). Por consiguiente, la destilación se basó en sistemas de separación
etanol-agua (Rios & Marin, 2010). Las condiciones de operación del proceso se especifican en
la Tabla 2.
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 473
Tabla 2
Datos de operación del proceso de destilación
Datos de operación
Valor
Relación de reflujo
1.5
Presión
1.013 bar
Eficiencia de las etapas
80%
Temperatura final del condensador
30 °C
Agente de enfriamiento
Glicol
Temperatura de calentamiento
100 °C
Agente de calentamiento
Vapor
Fuente: Elaboración propia
Uso de Membrana
El filtro utilizado está compuesto por membranas porosas hidrófobas. Investigaciones
realizadas por (Banat & Simandl, 1999; Baeyens, Kang, Appels, Dewil & Tan, 2015) mantienen
que el flujo permeado aumenta gradualmente con el incremento de la temperatura de alimentación
en rangos de 37 °C a 61°C. Por consiguiente, se ha consideró una etapa de precalentamiento de
la materia orgánica de 37 °C antes de ingresar al filtro para favorecer la permeabilidad. El
producto final se purificará utilizando un tamiz molecular o tecnología de deshidratación 3A con
un tamaño de poro nominal de 3 angstroms. (Brown & Brown, 2014; Kwiatkowski et al., 2006).
Evaluación económica
La economía es un factor de vital importancia al momento de emprender cualquier
proyecto ya que es muy útil para lograr compromisos técnicos y económicos (Lauzurique et al.,
2017).
Por consiguiente, es necesario evaluar la factibilidad de cada alternativa planteada
mediante los indicadores económicos conocidos como Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna
de Retorno (TIR). Otros indicadores como margen de utilidad neta, margen de utilidad bruta,
tiempo de retribución, costos netos operacionales, porcentaje de retorno de la inversión (ROI) son
parte esencial del análisis de factibilidad de un proyecto de inversión.
Especificaciones Tecno-económicas
Las especificaciones tecno-económicas tomando a consideración la ubicación geográfica y
los costos de producción para el desarrollo del proyecto se detallan a continuación:
1. El precio de adquisición de equipos está acorde a el tamaño, construcción y diseño
generado por el simulador. Consiguientemente, se realizó una búsqueda web en el mercado
chino (Alibaba.com) asumiendo el precio de embarque (FOB) y los valores
correspondientes a la importación: impuestos nacionales (IVA, aranceles, nacionalización
del equipo, aduanas, salida de capitales) y el transporte hacia la planta en Portoviejo,
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 474
Manabí, Ecuador. La Tabla 3 muestra la descripción simulada por el programa y el costo
unitario de los equipos necesarios para la realización de ambos proyectos tecnológicos.
Tabla 3
Costo de equipos para la obtención de bioetanol a partir de DO
Tecnología
Equipo
Descripción
Destilación
Amoladora
Capacidad 1000.00 kg / h
Fermentador
Volumen del recipiente 25930.62 L
Filtro de vacío rotativo
Área de filtro 1.60 m2
Columna de destilación
Volumen de la columna 134.53 L
Columna de destilación
Volumen de la columna 31.77 L
Calentador eléctrico
Potencia eléctrica 3.54 kW
Intercambiador de calor
Área de intercambio de calor 0.04 m2
Válvula de compuerta
Diámetro de la válvula 0.34 cm
Bomba centrífuga
Potencia de la bomba 1.67 kW (1 HP)
Valvula
Diámetro de la válvula 0.88 cm
Equipo no listado
TOTAL
Tecnología
Equipo
Descripción
Membrana
Amoladora
Capacidad 1000.00 kg / h
Fermentador
Volumen del recipiente 25930.62 L
Filtro de vacío rotativo
Área de filtro 1.60 m2
Filtro de Membrana
Área de la membrana 5.22 m2
Tamiz Molecular 3A
Flujo 78,96 kg / h
Intercambiador de calor
Área de intercambio de calor 0.04 m2
Bomba centrífuga
Potencia de la bomba 1.67 kW (1 HP)
Válvula de globo
Diámetro de la válvula 1.47 cm
Equipo no listado
TOTAL
Fuente: Elaboración Propia.
2. Se adaptaron los supuestos técnicos en el simulador como costos operativos y costos totales
de la planta. Los costos directos o variables y costos fijos o indirectos de la planta están
acorde a las necesidades del proyecto como se indica en la Tabla 4.
Tabla 4
Costos totales cargados a la planta de producción de bioetanol
Costo directo total de la planta (TPDC) (costo físico)
Destilación
Membrana
1. Costo de compra de equipo
204000
217000
2. Instalación
72000
96 000
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 475
3. Tubería de proceso
71000
76000
4. Instrumentación
82000
87000
5. Aislamiento
6000
7000
6. Eléctrico
20000
22000
7. Edificios
92000
98000
8. Mejora del jardín
31000
33000
9. Instalaciones auxiliaries
82000
87000
TPDC
659000
721000
Costo indirecto total de la planta (TPIC)
Destilación
Membrana
10. Ingeniería
165000
180000
11. Construcción
231000
252000
TPIC
396000
433000
Costo total de la planta (TPC = TPDC + TPIC)
Destilación
Membrana
TPC
1055000
1154000
3D. Honorarios y contingencias del contratista (CFC)
Destilación
Membrana
12. Honorarios del contratista
53000
58000
13. Contingencia
105000
115000
CFC = 12 + 13
158000
173000
3E. Costo directo de capital fijo (DFC = TPC + CFC)
Destilación
Membrana
DFC
1213000
1327000
Fuente: Elaboración propia.
3. Los requerimientos energéticos también están considerados e implementado en este
análisis como la electricidad 10.5¢/Kw-h y el agua a 1.50 $/m3 según la tarifa de servicios
industriales para la ciudad. (ARCONEL, 2021; PORTOAGUAS, 2021).
4. Se consideró el gasto laboral de los empleados y operarios de la planta cumpliendo con las
leyes ecuatorianas. Por consiguiente, se estimó un promedio de 3.53$/hora según la ley
orgánica para la justicia laboral en el Ecuador (CEPAL, 2021).
5. Se tomará como ingreso principal a la producción de bioetanol y se compararan los costos
unitarios de producción contra los costos de venta del bioetanol al mercado nacional de
como objeto de análisis; mientras que el abono orgánico (biocompost) proveniente de los
sólidos del filtrado será tomado como ingreso residual. Sin embargo, en el proyectó se
omitió los ingresos por venta de fertilizante para evitar los costos de producción que
conlleva la purificación de esta sustancia.
6. Se asignó un precio de venta inicial 0.70 USD por litro de bioetanol y un precio de 0.08
USD por libra de Biocompost. Estos valores serán modificados en el análisis de
sensibilidad de acuerdo a los precios de venta actuales en el Ecuador.
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 476
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Simulación del Proceso.
El esquema de la Figura 2 muestra el proceso de obtención de bioetanol a partir de DO
utilizando la destilación como primera alternativa tecnológica. Seguidamente, la
Tabla 5 muestra el balance de masa efectuado en el simulador con las principales
corrientes y composiciones másicas del proceso.
Figura 2
Esquema del proceso de simulación para la obtención de Bioetanol mediante destilación.
Tabla 5
Balance de masa del proceso de obtención de bioetanol mediante destilación
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
1
Almidón
190.00
19.00
Ceniza
20.00
2.00
Grasas
140.00
14.00
Fibra
50.00
5.00
Glucosa
450.00
45.00
Proteínas
150.00
15.00
Total
1000.00
100.00
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 477
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
2
Almidón
190.00
20.81
Ceniza
20.00
2.19
Etanol
195.62
21.42
Grasas
140.00
15.33
Fibra
50.00
5.48
Glucosa
67.50
7.39
Levadura
0.50
0.05
Proteínas
150.00
16.43
Agua
99.55
10.90
Total
913.17
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
H2O
Agua
100
1000
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
CO2
Dióxido de Carbono
186.88
19.12
Nitrógeno
606.46
62.05
Oxígeno
184.11
18.84
Total
977.44
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
3-4
Almidón
20.90
6.28
Etanol
186.29
55.95
Grasas
17.50
5.26
Fibra
5.00
1.50
Glucosa
10.13
3.04
Proteinas
45.00
13.51
Agua
48.17
14.47
Total
332.99
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
D1
Etanol
139.72
92.06
Agua
12.04
7.94
Total
151.76
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
D2
Etanol
97.80
95.31
Agua
4.82
4.69
Total
102.62
100.00
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 478
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
Bioetanol
Etanol
97.80
95.31
Agua
4.82
4.69
Total
102.62
100.00
Fuente: Elaboración Propia
Según estudios, utilizar un sistema de destilación compuesto por varias columnas logra
una mayor purificación del producto final (Kwiatkowski, McAloon, Taylor, & Johnston, 2006).
Por lo tanto, se implementó una doble destilación (azeotrópica) etanol-agua y una recirculación
de reflujo hacia columna es suficiente para producir etanol de grado combustible. La simulación
en cuanto al diseño general de las columnas de destilación se muestra en la Tabla 6.
Tabla 6
Factores de diseño en el proceso de Destilación.
Fuente: Elaboración Propia
Los resultados muestran que el diseño de la primera columna constaría de 9 platos
teóricos; mientras que para la segunda columna se necesitarían 8 platos teóricos en su
construcción. Otro factor de diseño a considerar es la tasa de reflujo de las columnas de
destilación. Según la teoría, este factor es la relación existente entre el líquido que ha regresado a
la columna y la cantidad de líquido eliminado (McCabe & Thiele, 1925). Como se muestra en la
Tabla 6, la primera columna tiene una tasa de reflujo de 1.707 que resulta mucho mayor a la
segunda columna 0.293 que se justifica por la calidad de la alimentación a la entrada del primer
destilador. Finalmente, se muestran los resultados simulados de las corrientes salientes del sistema
en la Tabla 7.
Tabla 7
Resultados simulados del proceso de obtención de bioetanol mediante la destilación.
Productos
Kg/h
l/h
% Rendimiento
Bioetanol
102.62
130.01
10.26
Biocompost
708.67
719.95
70.87
Fertilizanate
181.22
200.68
18.12
Fuente: Elaboración Propia
La la Figura 3 representa la implementación de la segunda alternativa tecnológica con
modificaciones al proceso de destilación, añadiendo un calentamiento previo de 37 °C y la
implementación de la membrana hidrofóbica Consecuentemente, al sistema se añade un tamiz
Destilador
Factor de Diseño
Valor
1
Número de platos teóricos
9.487
Relación de reflujo
1.707
2
Número de platos teóricos
7.918
Relación de reflujo
0.293
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 479
molecular o deshidrogenador que evita el paso de las moléculas de agua al producto final y
purifica el producto.
Figura 3
Esquema del proceso de obtención de Bioetanol a partir de DO mediante la separación por
membrana.
Tabla 8
Balance de masa del proceso de obtención de bioetanol a partir de DO mediante la separación
por membrana
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
1
Almidón
190.00
19.00
Ceniza
20.00
2.00
Grasas
140.00
14.00
Fibra
50.00
5.00
Glucosa
450.00
45.00
Proteinas
150.00
15.00
Total
1000
100.00
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 480
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
2
Almidón
190.00
20.81
Ceniza
20.00
2.19
Etanol
195.62
21.42
Grasas
140.00
15.33
Fibra
50.00
5.48
Glucosa
67.50
7.39
Levadura
0.50
0.05
Proteínas
150.00
16.43
Agua
99.55
10.90
Total
913.17
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
H2O
Agua
100.00
1000.00
CO2
Dióxido de
Carbono
186.88
19.12
Nitrógeno
606.46
62.05
Oxígeno
184.11
18.84
Total
977.44
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
3-4
Almidón
20.90
10.32
Etanol
97.81
48.30
Grasas
17.50
8.64
Fibra
5.00
2.47
Glucosa
10.13
5.00
Proteínas
45.00
22.22
Agua
6.18
3.05
Total
202.52
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
5
Etanol
72.78
92.17
Agua
6.18
7.83
Total
78.96
100.00
Corriente
Componentes
kg / h
% másico
Bioetanol
Etanol
72.78
95.93
Agua
3.09
4.07
Total
75.87
100.00
Fuente: Elaboración Propia
A continuación, se muestran los flujos másicos y volumétricos que corresponden a las
corrientes de los productos salientes del sistema de separación por membrana en la Tabla 9.
Tabla 9
Resultados simulados del proceso de obtención de bioetanol mediante la separación por
membrana
Productos
kg/h
L/h
% Rendimiento
Bioetanol
75.87
96.25
7.59
Biocompost
780.41
803.52
78.04
Fertilizanate
123.55
128.55
12.36
Fuente: Propia
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 481
En cuanto a los resultados, se observan diferencias notorias en el rendimiento de las
alternativas tecnológicas Esto se debe a que los equipos operan de manera distinta; y que las
bondades que ofrece la destilación en cuanto a la recirculación y enriquecimiento del producto
son inmejorables por la membrana hidrofóbica. Una vez finalizada la simulación, se procede a
analizar las composiciones del etanol como producto final. Consecuentemente se muestra la
composición final de las corrientes de bioetanol de ambas propuestas tecnológicas en la Tabla 10.
Tabla 10
Composición final de bioetanol en los procesos de destilación y de separación por membrana.
Propuesta
tecnológica
Composición
Flujo másico kg/h
% Composición másica
concentración (g/L)
Destilación
Etanol
97.802
95.305
752.269
Agua
4.8170
4.694
37.051
Membrana
Etanol
72.779
95.925
756.150
Agua
3.091
4.074
32.121
Fuente: Propia
Según se observa en la Tabla 10 se indica la composición másica de etanol y agua
logrados mediante la simulación. Se hace énfasis en los resultados obtenidos para ambas
alternativas; en donde el proceso de destilación que obtuvo una composición másica del 95.3%
m/m mientras que el proceso de separación por membrana obtuvo un resultado ligeramente mayor
del 95.92 % m/m a consecuencia de la implementación del tamiz molecular a su sistema de
purificación.
Evaluación Económica
Para proyectos orientados a generar ingresos, es necesario estimar tanto el costo de
inversión como los diferentes costos e ingresos generados por la operación del proyecto. En
cuanto a los costos operacionales que están relacionados directamente con la operación de un
proyecto se muestran en la Figura 4.
Figura 4
Costo operacional porcentual de los procesos de producción de bioetanol
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 482
En la figura 4 se detalla cómo están repartidos los costos operativos del proceso de
producción de bioetanol mediante las propuestas tecnológicas planteadas en el proyecto. El
análisis de las gráficas denota diferencias significativas entre la cantidad de consumibles
generados por el proceso de destilación (1%) y el proceso de separación por membrana (23%).
Así como el valor de las materias primas que resulta afectado en el proceso. Esto se debe a la
cantidad de insumos necesarios para el proceso de separación, adquisición de membranas
hidrofóbicas, desecantes de tipo zeolitas consumidos en el deshidrogenado del producto final. En
cuanto a la dependencia del trabajo y de instalación el proceso de destilación resulta más costoso
debido a las altas temperaturas que maneja el sistema de destilación; lo cual se ve reflejado en las
utilidades que corresponden a electricidad, vapor, agentes caloríficos con los que simuló la planta.
Seguidamente, en la Tabla 11 se muestra el resumen ejecutivo del proceso de los procesos
mediante las dos alternativas tecnológicas de estudio.
Tabla 11
Resumen ejecutivo de los procesos de obtención de Bioetanol
Factor
Destilación
Membrana
Inversión de capital
1.321.000 $
1.434.000 $
Costo operacional
865.000 $ / año
979.000 $ / año
Costo operativo neto
864.613 $ / año
979.480 $ / año
Ingresos principals
375.000 $ / año
279.000 $ / año
Otros ingresos
828.752 $ / año
1.050.745 $ / año
Ingresos totals
1.203.000 $ / año
1.330.000 $ / año
Fuente: Elaboración Propia
Como se indicó anteriormente, la Tabla 11 muestra en forma de resumen las inversiones
de ambos procesos, los costos operacionales y el flujo de ganancias generadas por la venta de
bioetanol (ingreso principal) y el biocompost (otros ingresos). A simple vista, se observa una
menor inversión de capital en el proceso de destilación 1.321.000 USD a comparación del proceso
de separación por membrana 1.434.000 USD. Económicamente es asumible que la diferencia
radica al costo de consumibles anuales y la saturación de los desecantes del tamiz molecular que
utiliza el proceso de separación por membrana. No obstante, mediante el proceso de separación
por membrana se logra producir mayor cantidad de ingresos anuales 1330.000 USD debido al
bajo costo energético que produce a comparación del proceso de destilación 1.203.000 USD.
Indicadores económicos
Costo Unitario de producción
Resulta una medida sencilla y eficiente para calcular la rentabilidad de un proceso. Por
consiguiente, en la Figura 5 se compara el precio unitario de producción por litro de bioetanol
simulados por cada propuesta tecnológica estudiada contra el valor del bioetanol del mercado.
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 483
Figura 5
Costo unitario de bioetanol mediante DO vs costo de bioetanol en el Ecuador
Para el proceso de separación por membrana el resultado simulado fue de 1.33$/L y el
costo de producción unitario del proceso de destilación de 0.87$/L. Ambos costos de producción
resultan poco atractivos a comparación del precio de venta del bioetanol producido en el Ecuador
a partir de caña de azúcar donde su valor ronda el 0.83$/litro en el mercado nacional. No obstante,
no se considera una medida totalmente determinante para decidir si un proceso es más factible
que otro. Este indicador es variable en dependencia al valor de venta al producto, el costo de
producción, la cantidad de equipos a utilizar insumos, mano de obra, consumibles, entre otros.
Margen bruto y Retorno de la Inversión (ROI)
Los indicadores económicos que corresponden al porcentaje de retorno de la inversión
(ROI) y el porcentaje de margen bruto por año para cada alternativa se indica en la Figura 6.
Figura 6
Indicadores económicos de rentabilidad de las alternativas tecnológicas
Según (Farris et al., 2010) el margen bruto representa la porción de cada dólar de ingresos
que el proyecto retendrá como ganancia total. La Figura 6 demuestra que el margen bruto anual
del proceso de destilación resultó ser del 28.16%, lo que significa que va a retener $ 0.28 de cada
$-
$0,20
$0,40
$0,60
$0,80
$1,00
$1,20
$1,40
$0,87
$1,33
$0,83
Costos unitarios de producción por litro de bioetanol
Destilación Membrana Precio Bioetanol (Fuente: PETROECUADOR)
28,16%
26,33%
31,30% 30,28%
22,00%
24,00%
26,00%
28,00%
30,00%
32,00%
Destilación Membrana
Indicadores económicos de rentabilidad
% Margen Bruto % Retorno de la inversión (ROI)
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 484
dólar de ingresos generados como ganancia. Por el contrario, el margen bruto de la separación
por membrana resultó ser menor 26.33%. Por su parte, El Retorno de la Inversión (ROI) es un
indicador que permite medir la rentabilidad que se obtiene a través de una inversión (Strong,
2009); lo cual hace que su interpretación sea muy importante al seleccionar la alternativa más
viable. Según los resultados obtenidos, el ROI para la destilación fue de 31.30% mientras que
para el proceso de separación por membranas fue del 30.28%.
Tiempo de Retribución (payback)
Su análisis es fundamental porque nos indica el tiempo exacto que será devuelta la
inversión. El tiempo de retribución para ambas alternativas se muestra en la Figura 7.
Figura 7
Tiempo de Retribución de las alternativas tecnológicas
El análisis de la Figura 7 demuestra que el tiempo de retribución para el proceso de
destilación es de 3.19 años y para el proceso de separación por membrana es de 3.3 años, por lo
que no existe diferencias significativas entre ambos procesos al momento de que sea devuelta la
inversión. No obstante, el tiempo de retribución del proceso de destilación es ligeramente menor
al proceso de separación por membrana.
Valor Actual Neto (VAN) y Tasa Interna de Retorno (TIR)
Los resultados de los indicadores del VAN y TIR para los proyectos tecnológicos se indican en
la Tabla 12.
Tabla 12
Indicadores VAN y TIR de las propuestas tecnológicas
Indicadores
Destilación
Membrana
VAN
1.500.000 $
1.548.000 $
TIR
21.02%
20.55%
Fuente: Elaboración Propia
El VAN como el TIR son capaces de predecir si un proyecto es viable o no, como también
muy útiles para valorar inversiones en activos fijos (Meza & De Jesús, 2008). Al observar cifras
de Valor actual neto VAN >0 se afirma que es rentable la inversión para ambas alternativas
tecnológicas, lo que significa que los proyectos son viables y atractivos para su ejecución.
Seguidamente, el valor de la TIR nos manifiesta a qué tasa se recuperará la inversión sin comparar
3,3
3,19
3,1 3,15 3,2 3,25 3,3 3,35
Tiempo de Retribución (años)
Destilación Membrana
Vol. 11/ Núm. 1 2024 pág. 485
entre proyectos; al observar la TIR > 0 para ambas alternativas se afirma que en ambos casos se
devuelve el capital invertido más ganancias de por medio.
Análisis de Sensibilidad
Implica la modificación de ciertas variables y escenarios ideales planteados para la
producción de bioetanol por lo que podría verse amenazada la viabilidad de los proyectos de
inversión. Se modificaron variables costo-producción y se plantearon 3 escenarios distintos:
1. Se limitó el uso de consumibles en la planta en un 75 % para ambos procesos,
especialmente la adquisición de desecantes, membranas y filtros.
2. Se modificó el costo de venta del bioetanol 0.85/ litro y del biocompost semejante a un
escenario más ideal en el Ecuador.
3. Se redujeron los gastos de utilidades de la planta a un 50%.
La figura 8 muestra el análisis de sensibilidad consecuentemente para proceso de obtención
de bioetanol mediante la destilación.
Figura 8
Análisis de sensibilidad del proceso de Destilación
El cambio de los indicadores de rentabilidad VAN y TIR para los tres escenarios posibles
del proceso de destilación son estudiados mediante el análisis de sensibilidad que se muestra en
la figura 8. En el cual se observa un incremento significativo en el tercer escenario posible cuando
se redujo el uso de las utilidades de la planta a un 50% por medio del proceso de Destilación. No
obstante, también se observó un ligero incremento de estos indicadores cuando se eliminaron los
consumibles en la planta y se modificó el precio de venta del bioetanol. Sin embargo, mediante
estas supuestas modificaciones el precio de unitario de producción sigue estando por debajo del
precio de venta del bioetanol comercial a diferencia del tercer escenario posible donde se
desprecia el 50% de las utilidades generadas por el consumo de energía en el proceso de
$0,86 $0,87
$0,62
$1.552.000 $1.650.000
$3.032.000
$ -
$ 500.000
$ 1.000.000
$ 1.500.000
$ 2.000.000
$ 2.500.000
$ 3.000.000
$ 3.500.000
$-
$0,10
$0,20
$0,30
$0,40
$0,50
$0,60
$0,70
$0,80
$0,90
$1,00
22% 22,11% 32,27%
VAN
Costo unitario de producción
TIR
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destilación. Seguidamente en la Figura 9 se muestra el análisis de sensibilidad efectuado para el
proceso de separación por membrana.
Figura 9
Análisis de sensibilidad del proceso de separación por membrana
La figura 9 denota aumentos significativos en la rentabilidad de los escenarios planteados
a través de los indicadores económicos que existen en análisis de sensibilidad. Los indicadores
VAN Y TIR del primer escenario resultaron en alza al suprimir el 75% de consumibles cargados
al proceso de separación por membrana que son relativamente costosos. Por consiguiente, el costo
unitario de producción también vio disminuido en el primer escenario, el costo para producir 1
litro bioetanol es de 1.03, aunque resulta poco significativo a comparación al valor de venta del
bioetanol en el mercado nacional. En cuanto a la estimación de los del segundo escenario hubo
variaciones minúsculas en cuanto al elevar el precio de venta del bioetanol. No obstante, al
eliminar las utilidades a un 50% el proceso resultó favorecido y se alcanzó un precio unitario de
1.08 USD por litro de bioetanol producido.
CONCLUSIÓN
La obtención de bioetanol a partir de DO resultó ser económicamente factible para ambas
alternativas ya que ambos ofrecen ganancias netas y rentables. Esto se ve reflejado mediante los
indicadores económicos utilizados en este estudio. Sin embargo, su viabilidad e implementación
en el país se ve seriamente afectada debido al costo operacional de la planta (consumibles,
utilidades, pretratamiento) disponibilidad de materia prima, rendimiento del proceso y la
competitividad con los precios de venta actuales del bioetanol convencional que están fijados en
el mercado. No obstante, la comparación entre alternativas tecnológicas se da preferencia al
proceso de destilación por su
$1,03
$1,33
$1,08
$2.926.000
$2.719.000
$1.649.000
$-
$500.000
$1.000.000
$1.500.000
$2.000.000
$2.500.000
$3.000.000
$3.500.000
$-
$0,20
$0,40
$0,60
$0,80
$1,00
$1,20
$1,40
30,08% 21,33% 28,83%
VAN
Costo unitario de producción
TIR
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