síntesis de redes de proceso para la producción de Ésteres

Síntesis de Redes de Proceso para la Producción de Ésteres Principales del

Alcohol Isoamílico, Componente Principal del Aceite Fusel, utilizando la

Metodología P-Graph

Ing. Luis Gabriel Prieto Ríos

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Bogotá, D.C., Colombia

2019

Síntesis de Redes de Proceso para la Producción de Ésteres Principales del

Alcohol Isoamílico, Componente Principal del Aceite Fusel, utilizando la

Metodología P-Graph

Ing. Luis Gabriel Prieto Ríos

Trabajo final presentado como requisito parcial para optar al título de: Magíster en

Ingeniería Química

Director:

Ph. D. Iván Darío Gil Cháves

Línea de Investigación:

Síntesis de Procesos Químicos

Grupo de Investigación:

Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ingeniería, Departamento de Ingeniería Química y Ambiental

Bogotá, D.C., Colombia

2019

“Es en el cambio donde encontramos el

propósito”.

Heráclito

Agradecimientos

Doy gracias a Dios por permitirme ingresar, realizar y culminar esta maestría. Es Él quien

finalmente hace posible la realización de las metas y sueños y permite conocer las

personas para alcanzarlos en los lugares y momentos precisos. Gracias por tantas

casualidades.

Quiero dedicar este trabajo en memoria de mi padre, Gabriel Prieto, cuyo ejemplo de tesón

me recordó la motivación necesaria para salir avante en los momentos más difíciles del

trabajo. A mi madre Ana Lucía Ríos, por su infinito amor, paciencia y motivación; en

especial, por recordarme que a veces son necesarios los saltos de fe para alcanzar los

sueños. A mi hermano Vladimir y hermanas Diana y Tatiana por su amor y apoyo

constante, así como por el apoyo en el diseño de algunas de las gráficas descritas en el

presente documento por parte de mi hermana Tatiana.

Agradezco de forma especial al ingeniero Iván Darío Gil por su paciencia, apoyo y

acompañamiento constante como director del presente proyecto para permitir realizarlo

con un alcance más real, al ingeniero Gerardo Rodríguez por su apoyo y seguimiento

desde el Grupo de Investigación en Procesos Químicos y Bioquímicos y al ingeniero César

Sánchez, ya que la profunda admiración y respeto que tengo por él influyó

considerablemente en tomar la decisión de realizar esta maestría

Quiero realizar una mención especial a mi amigo y colega ingeniero Jean Pierre Andrés

Pimentel porque su profundo conocimiento y dominio de los conceptos en ingeniería

química permitió resolver muchos de los problemas críticos presentados en el desarrollo

del presente trabajo final de maestría. Mi total agradecimiento, admiración y respeto.

Agradezco también a mi novia Johanna Sánchez por su paciencia, amor y apoyo constante

durante el tiempo de realización del proyecto.

Finalmente, quiero agradecer también a la Universidad Nacional por permitirme hacer parte

de ella y formarme como mejor profesional, al grupo de investigación de procesos

Químicos y Bioquímicos y a mis colegas del grupo.

“Cuando la gratitud es tan absoluta las palabras sobran”. Álvaro Mutis

Resumen IX

Resumen

El presente trabajo resume la síntesis de redes de proceso para los ésteres principales del

alcohol isoamílico, componente principal del aceite fusel, utilizando la metodología P-

graph. El estudio inició con el análisis del contexto y el proceso productivo del bioetanol

en Colombia para, posteriormente, definir qué es el aceite fusel y la importancia de su

componente mayoritario, el alcohol isoamílico, como precursor en la elaboración de

ésteres con aplicaciones de sabores y fragancias. Posteriormente, se realizó una

exploración inicial sobre cuáles de los ésteres de isoamilo reportados en la literatura tienen

aplicaciones en sabores y fragancias para luego definir los ésteres principales del alcohol

isoamílico como aquellos que presentan proveedores a nivel mundial reportados, rutas de

síntesis reportadas a través de la reacción de Fisher y disponibilidad en el mercado en

grandes cantidades. Una vez conocidos los ésteres principales del alcohol isoamílico,

estos fueron clasificados mediante un análisis de factores multicriterio que permite calcular

un índice acumulativo con base en aspectos económicos, ambientales y sociales.

Posteriormente se realizó un análisis técnico y económico mediante el modelado y

simulación de procesos convencionales y de destilación reactiva para aquellos ésteres de

isoamilo que contaran con modelos de cinética química reportados en la literatura.

Finalmente, con base en los resultados del análisis técnico económico, fue implementada

y resuelta la metodología P-graph mediante la construcción y evaluación de una

superestructura. Como resultados finales, se ilustran las redes de proceso obtenidas junto

con sus respectivas rentabilidades las cuales fueron evaluadas bajo diversas condiciones

de mercado

Palabras clave: Ésteres de Alcohol Isoamílico, Síntesis de Redes de Proceso,

Metodología P-graph, Análisis de Factores Multicriterio, Modelado y simulación de

procesos, Análisis técnico económico

X Abstract

Abstract

This work summarizes the process network synthesis for the main esters of isoamyl

alcohol, main component of fusel oil, using the P-graph methodology. The study began with

the analysis of the bioethanol context and production process in Colombia and later the

definition of fusel oil and the importance of its major component, isoamyl alcohol, as a

precursor in the elaboration of esters with applications of flavors and fragrances.

Subsequently, an initial research was conducted to identify which isoamyl esters reported

in the literature have applications in flavors and fragrances to then define the main esters

of isoamyl alcohol as those with reported global suppliers, synthesis routes reported

through Fisher's reaction and market availability in large quantities. Once the main esters

of isoamyl alcohol were known, they were classified through a multi-criteria factor analysis

that allows calculating a cumulative index based on economic, environmental and social

aspects. Later, a technical and economic analysis was carried out through the modeling

and simulation of conventional and reactive distillation processes for those isoamyl esters

that would have chemical kinetic models reported in the literature. Finally, based on the

results of the technical and economic analysis, the P-graph methodology was implemented

and solved through the construction and evaluation of a superstructure. As final results, the

obtained process networks are illustrated with their respective profitability, which were

evaluated under diverse market conditions.

Keywords: Isoamyl Alcohol Esters, Process Network Synthesis, P-graph Methodology,

Multi-criteria factor analysis, Process modeling and simulation, Technical and Economic

Analysis

Contenido XI

Contenido

Pág.

Resumen ........................................................................................................................ IX

Abstract........................................................................................................................... X

Contenido ...................................................................................................................... XI

Lista de Figuras ........................................................................................................... XIV

Lista de Tablas ........................................................................................................... XVII

Lista de Símbolos y Abreviaturas ............................................................................... XX

Introducción .................................................................................................................... 1

1. Origen de Alcohol Isoamílico y Ésteres de Isoamilo ............................................. 5 1.1 Retos y tendencias energéticas globales y locales ............................................. 5 1.2 Hoja de Ruta – Bioetanol – Colombia ................................................................. 8

Importancia de Bioetanol en la Planeación Estratégica a Largo Plazo ............. 8 Metas a corto, mediano y largo plazo .............................................................. 9 Barreras ......................................................................................................... 10 Acciones a ejecutar ....................................................................................... 12

1.3 Intención del Proyecto ...................................................................................... 13 1.4 Bioetanol .......................................................................................................... 13

Proceso productivo ........................................................................................ 14 Aceite Fusel ................................................................................................... 18 Alcohol Isoamílico .......................................................................................... 21

1.5 Esterificación y Ésteres .................................................................................... 24 Aplicaciones .................................................................................................. 25

2. Definición de ésteres principales del alcohol isoamílico .................................... 26 2.1 Metodología ..................................................................................................... 27

Exploración inicial .......................................................................................... 28 Selección Inicial ............................................................................................. 30 Análisis de Factores ...................................................................................... 33

2.1.3.1 Indicadores Económicos ......................................................................... 33 2.1.3.2 Indicadores Ambientales......................................................................... 37 2.1.3.3 Indicadores Sociales ............................................................................... 45

Selección Final .............................................................................................. 53

XII Contenido

3. Análisis de Esquemas de Proceso ....................................................................... 58 3.1 Selección de Tipo de Proceso........................................................................... 58 3.2 Procesos Industriales de Producción ................................................................ 60

Procesos Industriales Convencionales .......................................................... 60 Procesos Industriales Simultáneos ................................................................ 63

3.3 Condiciones de Operación ................................................................................ 65 Acetato de Isoamilo ....................................................................................... 65 Propanoato de Isoamilo ................................................................................. 68 Butirato de Isoamilo ....................................................................................... 70 Benzoato de Isoamilo .................................................................................... 72 Caproato de Isoamilo .................................................................................... 74 Lactato de Isoamilo ....................................................................................... 76 Laurato de Isoamilo ....................................................................................... 79 Salicilato de Isoamilo ..................................................................................... 81

3.4 Resultados de Evaluación ................................................................................. 83 Acetato de Isoamilo ....................................................................................... 84 Propanoato de Isoamilo ................................................................................. 85 Butirato de Isoamilo ....................................................................................... 86 Benzoato de Isoamilo .................................................................................... 87 Caproato de Isoamilo .................................................................................... 88 Lactato de Isoamilo ....................................................................................... 89 Laurato de Isoamilo ....................................................................................... 90 Salicilato de Isoamilo ..................................................................................... 91

4. Síntesis de Redes de Proceso - Metodología P-graph ........................................ 92 4.1 Síntesis de redes de proceso ............................................................................ 93 4.2 Metodología P-graph ........................................................................................ 94

Superestructura ............................................................................................. 94 Axiomas ........................................................................................................ 97 Algoritmos ..................................................................................................... 97

4.2.3.1 Función Objetivo .................................................................................... 98 4.2.3.2 Caracterización de Costos - Simulación de Operaciones Unitarias ...... 102

4.3 Resultados ...................................................................................................... 106 Notación de superestructura ........................................................................ 106 Superestructura final ................................................................................... 109 Solución de algoritmo MSG ......................................................................... 109 Solución de algoritmo SSG.......................................................................... 111 Solución de algoritmos sin análisis de la demanda ...................................... 111

4.3.5.1 Solución de algoritmo SSG+LP ............................................................ 111 4.3.5.2 Solución de algoritmo ABB ................................................................... 112

Solución de algoritmos con análisis de la demanda .................................... 117 4.3.6.1 Solución de algoritmo SSG+LP ............................................................ 121 4.3.6.2 Solución de algoritmo ABB ................................................................... 122

5. Conclusiones y recomendaciones ..................................................................... 127 5.1 Conclusiones .................................................................................................. 127 5.2 Recomendaciones .......................................................................................... 130

Anexo I: Propiedades de Ésteres de Isoamilo. Análisis de Factores ............... 133 2-Metilbutirato de Isoamilo ..................................................................................... 134

Contenido XIII

Acetato de Isoamilo ................................................................................................ 135 Benzoato de Isoamilo ............................................................................................. 136 Butirato de Isoamilo ................................................................................................ 137 Cinamato de Isoamilo ............................................................................................. 138 Decanoato (Caprato) de Isoamilo ........................................................................... 139 Fenilacetato de Isoamilo......................................................................................... 140 Formiato de Isoamilo .............................................................................................. 141 Hexanoato (Caproato) de Isoamilo ......................................................................... 142 Isobutirato de Isoamilo ........................................................................................... 143 Isovalerato de Isoamilo .......................................................................................... 144 Lactato de Isoamilo ................................................................................................ 145 Laurato de Isoamilo ................................................................................................ 146 Octanoato (Caprilato) de Isoamilo .......................................................................... 147 p-Metoxicinamato de Isoamilo ................................................................................ 148 Propanoato de Isoamilo.......................................................................................... 149 Salicilato de Isoamilo .............................................................................................. 150 Valerato de Isoamilo ............................................................................................... 151

Anexo II: Caracterización de Costos - Operaciones Unitarias .......................... 152 Acetato de Isoamilo ................................................................................................ 153 Propanoato de Isoamilo.......................................................................................... 153 Butirato de Isoamilo ................................................................................................ 154 Benzoato de Isoamilo ............................................................................................. 155 Caproato de Isoamilo ............................................................................................. 159 Lactato de Isoamilo ................................................................................................ 162 Laurato de Isoamilo ................................................................................................ 165 Salicilato de Isoamilo .............................................................................................. 168

Referencias .................................................................................................................. 171

XIV Lista de Figuras

Lista de Figuras

Pág.

Figura 1. Producción de Bioetanol a nivel mundial ........................................................... 6

Figura 2. Evolución en producción de bioetanol. Principales Productores. ....................... 7

Figura 3. Evolución en producción de bioetanol. Colombia. ............................................. 7

Figura 4. Metas a corto, mediano y largo plazo - Bioetanol en Colombia - 2015 a 2030. 10

Figura 5. Proyección de producción de bioetanol en Colombia. OCDE. 2018-2026. ...... 14

Figura 6. Proceso productivo – Bioetanol ....................................................................... 15

Figura 7. Proceso de destilación - Bioetanol .................................................................. 16

Figura 8. Composición de aceite fusel en Colombia ....................................................... 21

Figura 9. Fórmula estructural del alcohol isoamílico ....................................................... 22

Figura 10. Reacción de esterificación – Éster Carboxílico .............................................. 24

Figura 11. Metodología de selección de ésteres principales del alcohol isoamílico ........ 27

Figura 12. Procesos industriales secuenciales o convencionales ................................... 60

Figura 13. Procesos industriales simultáneos................................................................. 60

Figura 14. Proceso Industrial de Producción - Esquema Convencional .......................... 62

Figura 15. Procesos Industriales Simultáneos - Destilación Reactiva ............................. 64

Figura 16. Evaluación - Esquema de Proceso - Acetato de Isoamilo .............................. 84

Figura 17. Perfil de composición - Fracción molar fase líquida. Ácido Acético

Alcohol Isoamílico Acetato de Isoamilo Agua .................................................. 84

Figura 18. Evaluación - Esquema de Proceso - Propanoato de Isoamilo ....................... 85

Figura 19. Perfil de composición - Fracción molar fase líquida. Ácido Propanoico

Alcohol Isoamílico Propanoato de Isoamilo Agua ............................................ 85

Figura 20. Evaluación - Esquema de Proceso - Butirato de Isoamilo ............................. 86

Figura 21. Perfil de composición - Fracción molar fase líquida. Ácido Butírico

Alcohol Isoamílico Butirato de Isoamilo Agua .................................................. 86

Lista de Figuras XV

Figura 22. Resultados Evaluación – Esquema de Proceso Convencional – Producción de

Benzoato de Isoamilo ..................................................................................................... 87


Caproato de Isoamilo ..................................................................................................... 88


Lactato de Isoamilo ........................................................................................................ 89


Laurato de Isoamilo ........................................................................................................ 90


Salicilato de Isoamilo ...................................................................................................... 91

Figura 27. Notación de superestructura ......................................................................... 95

Figura 28. Operación Unitaria - Destilación - Superestructura ....................................... 95

Figura 29. Ejemplo - Superestructura ............................................................................ 96

Figura 30. Costos de Instalación - Operaciones Unitarias ............................................101

Figura 31. Representación destilación reactiva - Esquema convencional y

Superestructura. ............................................................................................................106

Figura 32. Representación Reacción - Esquema convencional y Superestructura. ......107

Figura 33. Representación Separación 1 - Esquema convencional y Superestructura. 108

Figura 34. Representación Separación 2 - Esquema convencional y Superestructura. 109

Figura 35. Superestructura Final ..................................................................................110

Figura 36. Ruta óptima identificada sin análisis de la demanda por los algoritmos SSG+LP

y ABB. ...........................................................................................................................113

Figura 37. Ruta cercana al óptimo identificada sin análisis de la demanda por los

algoritmos SSG+LP y ABB. ...........................................................................................114





Figura 40. Kilogramos totales exportados - Partidas arancelarias relacionadas con los

ésteres de interés: Acetato de Isoamilo; Benzoato de Isoamilo; Butirato de

Isoamilo; Caproato de Isoamilo; Lactato de Isoamilo; Laurato de Isoamilo; ......118

Figura 41. Kilogramos totales importados - Partidas arancelarias relacionadas con los

ésteres de interés: Acetato de Isoamilo; Benzoato de Isoamilo; Butirato de

Isoamilo; Caproato de Isoamilo; Lactato de Isoamilo; Laurato de Isoamilo; ......119

XVI Lista de Figuras

Figura 42. Ruta óptima identificada con análisis de la demanda por los algoritmos SSG+LP

y ABB. ........................................................................................................................... 123

Figura 43. Ruta cercana al óptimo identificada con análisis de la demanda por los

algoritmos SSG+LP y ABB. ........................................................................................... 124





Lista de Tablas XVII

Lista de Tablas

Pág.

Tabla 1. Caracterización de aceite fusel - Materia Prima: Remolacha azucarera - País:

Turquía ........................................................................................................................... 19

Tabla 2. Caracterización de aceite fusel – Porcentajes de alcoholes en mayor proporción -

Materia Prima: Caña de Azúcar - País: Brasil ................................................................. 19

Tabla 3. Caracterización de aceite fusel – Porcentajes en peso - Componentes en mayor

proporción - Materia Prima: Caña de Azúcar - País: Brasil ............................................. 20

Tabla 4. Caracterización de aceite fusel - Seis muestras analizadas - Porcentajes en peso

- Materia Prima: Caña de Azúcar - País: Colombia ........................................................ 20

Tabla 5. Propiedades generales del alcohol isoamílico .................................................. 22

Tabla 6. Ésteres obtenidos. Fase de Exploración .......................................................... 28

Tabla 7. Ésteres de isoamilo sin proveedores reportados a nivel mundial...................... 30

Tabla 8. Ésteres de isoamilo de uso especializado y no comerciales a gran escala. ..... 31

Tabla 9. Ésteres de isoamilo sin reacciones de Fischer reportadas ............................... 32

Tabla 10. Ésteres de isoamilo factibles de producción ................................................... 32

Tabla 11. Propiedades para determinación de indicadores económicos. Acetato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 35

Tabla 12. Propiedades para determinación de indicadores ambientales. Acetato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 43

Tabla 13. Propiedades para determinación de indicadores sociales. Acetato de Isoamilo

....................................................................................................................................... 52

Tabla 14. Análisis de Factores – Ésteres de Isoamilo - Tabla 10 ................................... 54

Tabla 15. Resultado - Sumatorias – Índice Acumulativo ................................................ 55

Tabla 16. Ésteres de isoamilo - Orden de Importancia - Índice Acumulativo .................. 56

Tabla 17. Ésteres de isoamilo - Análisis de Esquemas de Proceso ............................... 57

Tabla 18. Análisis de disponibilidad de materia prima (Alcohol Isoamílico) en Colombia.59

XVIII Lista de Tablas

Tabla 19. Ésteres de isoamilo de interés - Puntos de Ebullición ..................................... 61

Tabla 20. Ésteres de Isoamilo – Producción Industrial Convencional ............................. 62

Tabla 21. Ácidos carboxílicos para ésteres de isoamilo de interés - Puntos de Ebullición

....................................................................................................................................... 63

Tabla 22. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida -

Acetato de Isoamilo ........................................................................................................ 66

Tabla 23. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Vapor -

Acetato de Isoamilo ........................................................................................................ 66

Tabla 24. Condiciones de Operación - Equipo Destilación Reactiva - Acetato de Isoamilo

....................................................................................................................................... 67

Tabla 25. Modelo Cinético - Acetato de Isoamilo ............................................................ 68


Propanoato de Isoamilo .................................................................................................. 68

Tabla 27. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Vapor -

Propanoato de Isoamilo .................................................................................................. 69

Tabla 28. Condiciones de Operación - Equipo Destilación Reactiva - Propanoato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 69

Tabla 29. Modelo Cinético - Propanoato de Isoamilo ...................................................... 70


Butirato de Isoamilo ........................................................................................................ 71

Tabla 31. Condiciones de Operación - Equipo Destilación Reactiva - Butirato de Isoamilo

....................................................................................................................................... 71

Tabla 32. Modelo Cinético - Butirato de Isoamilo ............................................................ 72


Benzoato de Isoamilo...................................................................................................... 73

Tabla 34. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Benzoato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 73

Tabla 35. Modelo Cinético - Benzoato de Isoamilo ......................................................... 74


Caproato de Isoamilo ...................................................................................................... 75

Tabla 37. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Caproato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 75

Tabla 38. Modelo Cinético - Caproato de Isoamilo ......................................................... 76

Lista de Tablas XIX


Lactato de Isoamilo ........................................................................................................ 77

Tabla 40. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Lactato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 77

Tabla 41. Modelo Cinético - Lactato de Isoamilo ............................................................ 78


Laurato de Isoamilo ........................................................................................................ 79

Tabla 43. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Laurato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 79

Tabla 44. Modelo Cinético - Laurato de Isoamilo ........................................................... 80


Salicilato de Isoamilo ...................................................................................................... 81

Tabla 46. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Salicilato de

Isoamilo .......................................................................................................................... 81

Tabla 47. Modelo Cinético - Salicilato de Isoamilo ......................................................... 83

Tabla 48. Características de Métodos Heurísticos y Métodos Algorítmicos. Síntesis de

Redes de Proceso .......................................................................................................... 93

Tabla 49. Costos de utilidades ......................................................................................103

Tabla 50. Costos fijos y proporcionales de instalación y operación. ..............................104

Tabla 51. Operaciones unitarias - Tabla 50 ...................................................................105

Tabla 52. Soluciones - Algoritmo SSG+LP sin análisis de la demanda del mercado .....112

Tabla 53. Partidas arancelarias - Ésteres de Interés .....................................................117

Tabla 54. Demanda de kilogramos - Ésteres de Interés ................................................120

Tabla 55. Soluciones - Algoritmo SSG+LP con análisis de la demanda del mercado ....122

XX Lista de Símbolos y Abreviaturas

Lista de Símbolos y Abreviaturas

Símbolos con letras latinas Símbolo Término Unidad SI Definición

%p Porcentaje peso a peso % 100soluto

solución

m%

m

ca Actividad para la especie química c 1 Sección 3.3

i , jA Parámetro energético binario - Modelo

NRTL 1 Sección 3.3

cAATP Potencial de Toxicidad Acuática Aguda

para la especie química c L/mg Ec. (2.15)

AATP Indicador normalizado - Potencial de

Toxicidad Acuática Aguda 1 Ec. (2.19)

AP Potencial de acidificación o de lluvia ácida 1 Sección 2.1.3.2

AP Indicador normalizado - Potencial de

acidificación o de lluvia ácida 1 Ec. (2.18)

b Punto de corte de la función lineal de los

costos de instalación $ USD Ec. (4.5)

B Flujo de fondos - Destilación reactiva kg/h Figura 15

i , jB Parámetro energético binario - Modelo

NRTL K Sección 3.3

cBCF Factor de bioconcentración de la especie

química c 1 Ec. (2.13)

BCF Indicador normalizado - Factor de

bioconcentración 1 Ec. (2.18)

cC Concentración de la especie química c kmol/L Sección 3.3

cCATP Potencial de Toxicidad Acuática Crónica

para la especie química c L/mg Ec. (2.16)

Lista de Símbolos y Abreviaturas XXI

Símbolo Término Unidad SI Definición

CATP Indicador normalizado - Potencial de

Toxicidad Acuática Crónica 1 Ec. (2.19)

CEPCI Índice de Coste de Plantas de Ingeniería

Química 1 Ec. (4.7)

pCF Fracción de materias primas que se

transforman en el producto p 1 Ec. (2.3)

TC Número total de especies químicas c

asociadas a la reacción química r 1 Ec. (2.28)

D Flujo de destilado - Destilación reactiva kg/h Figura 15

cD Probabilidad de biodegradación de la

especie química c 1 Ec. (2.14)

cDP Factor de Degradabilidad Primaria para la

especie química c 1 Ec. (2.14)

DP Indicador normalizado - Factor de

Degradabilidad Primaria 1 Ec. (2.18)

aE Energía de activación - Reacción química

directa J/mol Sección 3.3

'

aE Energía de activación - Reacción química

inversa J/mol Sección 3.3

50cEC

Concentración Efectiva Media para la

especie química c mg/L Ec. (2.16)

cEx Explosividad de la especie química c % vol. Ec. (2.27)

Ex Indicador normalizado - Explosividad 1 Ec. (2.28)

AF Flujo de alimento del componente A -

Destilación reactiva kg/h Figura 15

BF Flujo de alimento del componente B -

Destilación reactiva kg/h Figura 15

cFx Inflamabilidad de la especie química c 1 Clasificación

NFPA 704

Fx Indicador normalizado - Inflamabilidad 1 Ec. (2.30)

i , jG Parámetro energético binario - Modelo

NRTL 1 Sección 3.3

XXII Lista de Símbolos y Abreviaturas


GWP Potencial de calentamiento global 1 Ec. (2.12)

idGWP Potencial de calentamiento global

indirecto 1 Ec. (2.11)

GWP Indicador normalizado - Potencial de

calentamiento global 1 Ec. (2.18)

0

cfH

Entalpía de formación en el estado

estándar para la especie química c kJ/mol Ec. (2.34)

rH Entalpía de reacción kJ/mol Ec. (2.33)

0

rH Entalpía de reacción en el estado

estándar kJ/mol Ec. (2.34)

Hr Indicador normalizado - Entalpía de

reacción 1 Ec. (2.33)

cHTPE Potencial de Toxicidad Humana por

Inhalación para la especie química c ppm-1 Ec. (2.39)

HTPE Indicador normalizado - Potencial de

Toxicidad Humana por Inhalación 1 Ec. (2.19)

cHTPI Potencial de Toxicidad Humana por

Ingestión para la especie química c kg/mg Ec. (2.38)

HPTI Indicador normalizado - Potencial de

Toxicidad Humana por Ingestión 1 Ec. (2.19)

0

cvapH Entalpía de vaporización en el estado

estándar para la especie química c kJ/mol Ec. (2.35)

0k Constante de velocidad - Reacción

química directa

Acorde con

la cinética Sección 3.3

0

'k Constante de velocidad - Reacción

química inversa

Acorde con


aguaK Constante de adsorción en equilibrio para

el agua L/mol Sección 3.3.6

alcoholK Constante de adsorción en equilibrio para

el alcohol isoamílico L/mol Sección 3.3.6

eqK Constante de equilibrio químico - Sección 3.3

Lista de Símbolos y Abreviaturas XXIII


cowK Coeficiente de reparto octanol/agua para

la especie química c 1

octanol

agua

soluto

soluto

50cLC

Concentración Letal media para la

especie química c mg/L Ec. (2.15)

50cLD

Dosis Letal media para la especie química

c mg/kg Ec. (2.38)

cLEL Límite de explosividad inferior para la

especie química c % vol. Ec. (2.27)

m Pendiente de las funciones lineales de los

costos de instalación $ USD Ec. (4.6)

m" Pendiente de las funciones lineales de los

costos de operación $ USD Ec. (4.6)

M Máxima capacidad de una operación

unitaria dentro de una red de proceso 1 Ec. (4.2)

cM Peso Molecular de la especie química c g/mol Ec. (2.11)

pM Peso Molecular del producto p g/mol Ec. (2.2)

rmM Peso Molecular de la materia prima rm g/mol Ec. (2.2)

pm Cantidad de masa producida del producto

p t Ec. (2.2)

p

out

Pm Flujo másico del producto de interés pP a

la salida de la operación unitaria O t/año Ec. (4.1)

in

rmm Flujo másico de la materia prima rm a la

entrada de una operación unitaria O t/año Ec. (4.1)

cN Número de carbonos de la especie

química c 1 Ec. (2.11)

RcN Etapas de rectificación - Destilación

reactiva 1 Figura 15

RxN Etapas reactivas - Destilación reactiva 1 Figura 15

StN Etapas de agotamiento - Destilación

reactiva 1 Figura 15

XXIV Lista de Símbolos y Abreviaturas


O Conjunto de todas las operaciones

unitarias 1 Ec. (4.1)

PpO

+ Subconjunto de operaciones unitarias que

forman los productos de interés pP 1 Ec. (4.1)

rmO

− Subconjunto de operaciones unitarias que

consumen las materias primas rm 1 Ec. (4.1)

ODP Potencial de disminución de la capa de

ozono 1 Sección 2.1.3.2

ODP Indicador normalizado - Potencial de

disminución de la capa de ozono 1 Ec. (2.18)

rmOr Indicador Binario - Origen Renovable -

Materias Primas 1 Ec. (2.17)

Or Indicador normalizado - Origen Renovable

- Materias Primas 1 Ec. (2.17)

P Presión atm Unidad

fundamental

rmPC Costo de las materias primas rm por

unidad de masa $ USD/t Ec. (2.2)

PCOP Potencial de oxidación fotoquímica 1 Sección 2.1.3.2

PCOP Indicador normalizado - Potencial de

oxidación fotoquímica 1 Ec. (2.18)

pP Productos de interés en el proceso 1 Ec. (4.1)

pPP Precio de venta del producto p por

unidad de masa $ USD/t Ec. (2.2)

Presión de la reacción química r atm Unidad

fundamental

rP Indicador normalizado – Presión de la

reacción química r 1 Ec. (2.32)

R Reflujo kmol/h Figura 15

gR Constante universal de los gases J/mol·K Sección 3.3

Lista de Símbolos y Abreviaturas XXV


vr Velocidad de reacción Acorde con


cRx Reactividad de la especie química c 1 Clasificación

NFPA 704

Rx Indicador normalizado - Reactividad 1 Ec. (2.29)

T Temperatura K Unidad

fundamental

cTLVTWA Límite de exposición ponderado por

tiempo para la especie química c ppm Ec. (2.39)

rT Temperatura de la reacción química r ºC Unidad

fundamental

rT Indicador normalizado - Temperatura de

la reacción química r 1 Ec. (2.31)

cTx Toxicidad para la especie química c 1 Clasificación

NFPA 704

Tx Indicador normalizado - Toxicidad 1 Ec. (2.40)

cUEL Límite de explosividad superior para la

especie química c % vol. Ec. (2.27)

pVA Valor agregado del producto p $ USD/h Ec. (2.2)

rVA Valor agregado de la reacción r $ USD/h Ec. (2.1)

rVAT Indicador - Valor Agregado Total de la

reacción r 1 Ec. (2.4)

catW Masa de catalizador kg Sección 3.3

cx Fracción molar de la química c - Sección 3.4.7

cBx Fracción másica de la especie química c

en la corriente de fondos B 1 Figura 15

cDx Fracción másica de la especie química c

en la corriente de destilado D 1 Figura 15

opx Capacidad o tamaño de cada operación

unitaria 1 Ec. (4.1)

rX Conversión de la reacción química r % Ec. (2.37)

XXVI Lista de Símbolos y Abreviaturas


rX Indicador normalizado - Conversión de la

reacción química r 1 Ec. (2.37)

rmx Fracción másica de materia prima rm

respecto al total de masa alimentada 1 Ec. (2.17)

opy Variable binaria que indica la inclusión o

exclusión de una operación unitaria 1 Ec. (4.1)

cAz Fracción másica de la especie química c

en la corriente de alimentación A 1 Figura 15

cBz Fracción másica de la especie química c

en la corriente de alimentación B 1 Figura 15

op op( x ,y )z Rentabilidad USD/año Ec. (4.1)

Símbolos con letras griegas Símbolo Término Unidad SI Definición

Constante que describe la parte fija del costo

total de operación para cada operación

unitaria

USD/año Ec. (4.5)

c Volatilidad relativa de la especie química c 1 Figura 15

i , j Parámetro energético binario - Modelo NRTL 1 Sección 3.3

Constante que describe la parte proporcional

del costo total de operación para cada

operación unitaria

USD/año Ec. (4.6)

Cambio o variación en el valor de una variable 1 Ec. (2.33)

pP Constante de precio de venta del producto de

interés pP USD/t Ec. (4.1)

rm Constante de compra de la materia prima rm USD/t Ec. (4.1)

r

Desviación estándar de los indicadores de las

c especies químicas asociadas a la reacción

r

1 Ec. (2.18)

i , j Parámetro energético binario - Modelo NRTL 1 Sección 3.3

Lista de Símbolos y Abreviaturas XXVII


c Coeficiente estequiométrico de la especie

química c

1 Ec. (2.34)

p Coeficiente estequiométrico del producto p 1 Ec. (2.2)

rm Coeficiente estequiométrico de la materia

prima rm

1 Ec. (2.2)

r ,I Indicador normalizado respecto a la reacción

r y al indicador I

1 Ec. (2.18)

Subíndices Subíndice Término

c Especie química

cat Catalizador

f Formación

g Gases

I Indicador

id Indirecto

i , j Componentes - Modelo NRTL

op Operación unitaria

p Producto

pP Producto de interés

r Reacción

Rc Zona de rectificación – Destilación reactiva

rm Materia Prima

Rx Zona reactiva – Destilación reactiva

St Zona de agotamiento - Destilación reactiva

T Total

v Velocidad de reacción

Superíndices Superíndice Término

‘ Reacción inversa

XXVIII Lista de Símbolos y Abreviaturas

Superíndice Término

" Costos de operación

+ Productos que se forman en el proceso

− Materias primas que se consumen en el proceso

0 Estado Estándar

TC Número total de especies químicas c asociadas a la reacción química r

in Flujo a la entrada de una operación unitaria

NP Número total de productos p

op Operación unitaria

out Flujo a la salida de una operación unitaria

RM Materia Prima

Abreviaturas Abreviatura Término

ABB Algoritmo Acelerado de Ramificación y Acotamiento

BACEX Base de Datos de Comercio Exterior

5BOD Demanda Bioquímica de Oxígeno medido después de 5 días

CAS Número de registro e identificación numérica de compuestos químicos

COD Demanda Química de Oxígeno

GHS Sistema Globalmente Armonizado

ha Hectárea

L.D. Límite de Detección

MSG Algoritmo Generador de Estructura Máxima

NOEC Concentración sin efectos observados

NRTL Modelo de actividad - Non-Random Two-Liquid

OCDE Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico

PEI Potencial de Impacto Ambiental

SSG Algoritmo de Solución de Generación de Estructuras

SSG LP+ Algoritmo SSG con programación lineal

t Tonelada métrica

UNIFAC Modelo de actividad – UNIQUAC Functional-group Activity Coefficients

Introducción

Una de las problemáticas energéticas actuales a las que se enfrentan gran parte de las

naciones a nivel mundial, incluyendo Colombia, consiste en buscar alternativas y

estrategias que permitan disminuir la dependencia de los combustibles fósiles. El uso de

la biomasa para producir energía y otros productos de valor agregado como el bioetanol

corresponde a una de las estrategias para lograr dar solución a una parte de esta

problemática.

En Colombia, se espera que el bioetanol tenga un crecimiento en su producción en los

próximos años principalmente por las ventajas estratégicas con las que cuenta el país.

Algunas de estas ventajas son: gran disponibilidad de tierras arables, la creciente demanda

interna de bioetanol debido a la política de mezcla publicada en la ley 693 de 2001 en la

cual se proyecta el incremento paulatino del uso del bioetanol como oxigenante de la

gasolina pasando de 8 % en volumen para el año 2015 hasta llegar al 85 % en volumen

para el año 2030 y la reciente firma del acuerdo de paz, la cual plantea la necesidad de

realizar una modernización paulatina en los procesos agroindustriales del país.

Debido al crecimiento que se espera para la producción de bioetanol en el país resulta

relevante no solamente enfocarse en estrategias que faciliten y mejoren la obtención del

bioetanol sino también en alternativas que mejoren la explotación de los subproductos

inherentes a la producción del mismo.

Uno de los subproductos que más interés ha generado en los últimos años corresponde al

aceite fusel, una mezcla de alcoholes de orden superior que debe ser retirada en la sección

de purificación del bioetanol y cuya composición mayoritaria en alcohol isoamílico plantea

la posibilidad de emplear dicho alcohol como materia prima en la formación de compuestos

químicos con un mayor valor agregado.

2 Introducción

Los ésteres de isoamilo son uno de los productos químicos de mayor interés que podrían

producirse a partir del alcohol isoamílico contenido en el aceite fusel. Esto se debe a que

su aplicación en la industria de sabores y fragancias los hace aptos para la elaboración de

gran número de productos de uso personal como: jabones, cremas, alimentos, geles de

afeitar, perfumes de uso diario, entre otros.

A causa del reciente interés en la producción de ésteres de isoamilo, numerosos estudios

relacionados han sido publicados, los cuales están enfocados básicamente en dos ejes

temáticos: a) la determinación de modelos que describan la cinética de la reacción de

esterificación tales como los estudios reportados para el laurato de isoamilo, caproato de

isoamilo, salicilato de isoamilo, lactato de isoamilo y benzoato de isoamilo y b) la

determinación de la factibilidad de producción a través de la intensificación de procesos,

específicamente, la destilación reactiva, tales como el acetato de isoamilo, butirato de

isoamilo y el propionato de isoamilo.

A pesar de los estudios descritos previamente, aún existen numerosos ésteres que no han

sido explorados y plantean una problemática, ya que se desconoce si los ésteres que se

producen actualmente resultarían ser los más rentables o importantes de producir o si, por

el contrario, existen otro tipo de ésteres de isoamilo, que permitan mejorar el uso actual

del alcohol isoamílico contenido en el aceite fusel y de forma general, la rentabilidad del

proceso productivo de bioetanol.

Con el ánimo de explorar una solución a esta problemática fue propuesto el presente

trabajo final de maestría, el cual utiliza una metodología secuencial que puede resumirse

con base en los temas abordados en cada uno de los capítulos del trabajo.

El capítulo uno busca contextualizar al lector sobre los retos y tendencias energéticas a

nivel global y en Colombia para luego describir el proceso productivo de bioetanol, el

subproducto denominado aceite fusel y el componente mayoritario del mismo, el alcohol

isoamílico. Finalmente, se ilustran brevemente los usos potenciales que presenta el alcohol

isoamílico, resaltando la importancia que tiene su aplicación como precursor en la

formación de ésteres de isoamilo.

Introducción 3

El capítulo dos resume los resultados de realizar una exploración inicial sobre cuáles de

los ésteres de isoamilo reportados en la literatura tienen aplicaciones en sabores y

fragancias para luego definir los ésteres principales del alcohol isoamílico como aquellos

que presentan proveedores a nivel mundial reportados, rutas de síntesis reportadas a

través de la reacción de Fisher y disponibilidad en el mercado en grandes cantidades. Una

vez conocidos los ésteres principales del alcohol isoamílico, el capítulo dos ilustra paso por

paso la manera como fueron clasificados por importancia mediante un análisis de factores

multicriterio que permite calcular un índice acumulativo con base en aspectos económicos,

ambientales y sociales. Sobresale que, el capítulo dos, muestra como ésteres de isoamilo

principales algunos de los cuales no han sido reportados en la literatura y efectivamente

plantean la necesidad de su estudio para ampliar las aplicaciones del alcohol isoamílico

contenido en el aceite fusel y mejorar en forma general, la rentabilidad del proceso de

bioetanol.

El capítulo tres inicia con un breve contexto sobre los esquemas de proceso más comunes

asociados a la producción de ésteres para luego definir cuáles de dichos procesos son los

que se consideran aptos en la producción de cada uno de los ésteres de isoamilo

principales. Luego, se resumen las condiciones de diseño asociadas a cada proceso para

finalmente evaluar su factibilidad técnica utilizando la herramienta computacional Aspen

Plus.

Finalmente, el capítulo cuatro contextualiza al lector sobre la síntesis de redes de proceso

y la metodología P-graph para luego implementar dicha y evaluar dicha metodología con

base en los procesos técnicamente factibles obtenidos en el capítulo tres. Como resultado

final se obtuvo varias redes de proceso que plantean la producción de ésteres de isoamilo

cuyos procesos productivos aún no habían sido reportados en la literatura, tales como el

proceso productivo del lactato de isoamilo, caproato de isoamilo, entre otros.

Como conclusión, el presente trabajo permite explorar un mayor número de aplicaciones

del alcohol isoamílico como precursor en la fabricación de ésteres y plantea las bases para

continuar con posteriores investigaciones que permitan mejorar la aplicación que tiene

actualmente el alcohol isoamílico contenido en el aceite fusel y, de forma general, la

rentabilidad global del proceso productivo de bioetanol.

4 Introducción

Sobresale que, como resultado del presente proyecto de investigación fueron realizadas

las siguientes presentaciones:

Título: Characterization of a fusel oil distillation high boiling point waste and synthesis of a

separation network of its main components.

Evento: 10th World Congress of Chemical Engineering.

Lugar: Barcelona - España

Fecha: Octubre 1 - 5 de 2017

Modalidad: Póster

Título: Síntesis de redes de proceso para la producción de ésteres derivados del Alcohol

Isoamílico, componente principal del Aceite Fusel, mediante la metodología P-graph

Evento: XXIX Congreso Nacional de Ingeniería Química y profesiones afines

Lugar: Manizales - Colombia

Fecha: Octubre 18 - 20 de octubre de 2017

Modalidad: Póster

Y se logró la aceptación de presentación en el siguiente evento académico:

Título: Application of multi-criteria decision analysis and P-graph methodology for the

selection of best isoamyl alcohol esters

Evento: 12th European Congress of Chemical Engineering

Lugar: Florencia - Italia

Fecha: Septiembre 15 - 19 de 2019

Modalidad: Póster

Adicionalmente, debido a que una gran parte de los resultados obtenidos en el presente

trabajo son inéditos y representan un avance en la exploración de un mayor número de

aplicaciones para el alcohol isoamílico y el mejoramiento del proceso productivo de

bioetanol en general, se proyecta realizar mínimo una publicación de carácter internacional

con base en los resultados obtenidos.

1. Origen de Alcohol Isoamílico y Ésteres de Isoamilo

El presente capítulo busca contextualizar al lector sobre los retos y tendencias energéticas

a nivel global y en Colombia como preámbulo para analizar la importancia del proceso

productivo de bioetanol a nivel local y su proyección a mediano y largo plazo.

Posteriormente, el capítulo describe el proceso productivo de bioetanol haciendo especial

énfasis en el origen de uno de los subproductos denominado aceite fusel. Dicho

subproducto para efectos del presente trabajo, tiene gran importancia debido a que

corresponde a la materia prima que permite obtener el alcohol isoamílico. Una vez definido

el origen del alcohol isoamílico se ilustran brevemente los usos potenciales que presenta,

resaltando la importancia que tiene su aplicación como precursor en la formación de

ésteres de isoamilo. Finalmente, en una sección se aclara qué son los ésteres, la reacción

de síntesis más usual para su producción y la importancia de estos en la industria de

aromas y fragancias.

1.1 Retos y tendencias energéticas globales y locales

Uno de los mayores retos de las naciones a nivel mundial consiste en buscar alternativas

o mejoras a los procesos industriales actuales que permitan suplir la creciente demanda

energética y, de esta forma, se pueda mantener un desarrollo económico y tecnológico

sostenible, de cara a un eventual agotamiento de los combustibles fósiles y a una paulatina

tendencia a disminuir su uso con los años [1], [2].

Para enfrentar este reto, algunos países, incluyendo Colombia, han recurrido a una

planeación estratégica a largo plazo elaborando una hoja de ruta energética; en otras

palabras, han realizado una planeación a largo plazo involucrando diferentes partes

interesadas (Gobierno, Academia, Industria y Usuarios Finales), con el ánimo de lograr un

6 Capítulo 1. Origen de Alcohol Isoamílico y Ésteres de Isoamilo

consenso sobre necesidades, barreras y metas energéticas comunes, obtener soluciones

tecnológicas que puedan satisfacer dichas necesidades y producir acciones sistemáticas

de ejecución a corto, mediano y largo plazo que permitan la implementación de las

soluciones obtenidas. [3], [4].

Las hojas de ruta energéticas actuales tanto de países desarrollados como en vía de

desarrollo tienen en común el tema del uso de la biomasa para producir energía y otros

productos de valor agregado. Esto se debe a que hoy en día, la biomasa es considerada

como el mayor recurso renovable de interés global para disminuir la dependencia de los

combustibles fósiles y el impacto ambiental de los mismos [4], [5], [6].

Dentro de los productos de mayor interés de obtención a partir de la biomasa se encuentra

el bioetanol debido a que es el biocombustible más utilizado a nivel mundial [1], [7], [8] y

los datos históricos de los últimos años muestran un incremento importante en su

producción (Ver Figura 1), siendo notorio su crecimiento en los principales países

productores, Estados Unidos y Brasil, con un aumento superior a los 33 y 8,6 billones de

litros, respectivamente, en un periodo de tiempo de 2007-2017 (Ver Figura 2). Para el caso

particular de Colombia, en un periodo de tiempo de 2008-2017, se registra un incremento

superior a los 110 millones de litros. [1], [9]

Figura 1. Producción de Bioetanol a nivel mundial Fuente: Adaptado de Ramesh [10]

Capítulo 1. Origen de Alcohol Isoamílico y Ésteres de Isoamilo 7

Figura 2. Evolución en producción de bioetanol. Principales Productores.

Año 2007 Año 2017. Fuente: Autor con datos de Renewable Fuel Association [9]

Figura 3. Evolución en producción de bioetanol. Colombia.

Fuente: Autor con datos de Fedebiocombustibles [11]


Dado el comportamiento histórico de la producción de bioetanol descrito previamente y

teniendo en cuenta las políticas globales actuales de disminuir paulatinamente la

dependencia de los combustibles fósiles, es de esperar que el uso y consumo de bioetanol

continúe creciendo en los próximos años y su proceso productivo siga siendo uno de los

temas de estudio de mayor interés dentro de las hojas de ruta energéticas a nivel mundial

[1], [9]. El marco del presente trabajo utiliza la producción de bioetanol a nivel local, por tal

razón; con el ánimo de contextualizar un poco más el panorama nacional, en la siguiente

sección se resume la hoja de ruta del bioetanol en Colombia.

1.2 Hoja de Ruta – Bioetanol – Colombia

Es posible describir la hoja de ruta energética del bioetanol en Colombia clasificándola en

cuatro secciones: a) importancia del bioetanol en la planeación estratégica a largo plazo,

b) metas, c) barreras y d) acciones a ejecutar, con base en lo descrito principalmente por

Colciencias [3], González-Salazar [4] y Procolombia [12]. Esta clasificación se enmarca

dentro del interés de fomentar el movimiento del agro en el país y la necesidad de disminuir

paulatinamente tanto la dependencia de los combustibles fósiles como la emisión de gases

de efecto invernadero.

Importancia de Bioetanol en la Planeación Estratégica a Largo Plazo

Gran parte de las razones por las cuales el bioetanol en Colombia se encuentra dentro de

la planeación estratégica a largo plazo, se pueden resumir con base en lo descrito por

Colciencias [3] y Procolombia [12]:

a) Colombia tiene una tasa de rendimiento de caña de azúcar mayor (85,96 t/ha) en

comparación a países como Brasil, China e India, (75,34 t/ha, 70,59 t/ha y 67,43

t/ha, respectivamente).

b) La disponibilidad de tierra en Colombia es de aproximadamente 7,4 millones de

hectáreas aptas para el desarrollo de agro-carburantes sin afectar bosques

naturales. En consecuencia, Colombia es uno de los países a nivel mundial con

más tierras arables.


c) Se espera que la demanda interna de bioetanol en el país, para el año 2020, sea

aproximadamente 1.400 millones de litros de etanol y dado que la oferta es mayor

que la demanda, es probable que la producción local aumente.

d) La gasolina debe ser mezclada con bioetanol de acuerdo con la política de mezcla

publicada en la Ley 693 de 2001 también conocida como ley de alcoholes. Esta ley

busca disminuir los impactos ambientales generados por los motores de

combustión interna convencionales al obligar que la gasolina sea oxigenada con

alcoholes carburantes en la cantidad y calidad que establezca el Ministerio de

Minas y Energía y se espera que los niveles de mezcla de etanol y gasolina tiendan

a incrementarse con los años, dependiendo de los niveles de oferta y otras

variables.

e) La reciente firma del acuerdo de paz plantea la posibilidad de que, hacia el futuro,

Colombia se enfoque en la modernización de la agricultura, mejorando la calidad

de vida de las áreas rurales y fortaleciendo su gran potencial bioenergético.

f) El incremento en la producción de bioetanol en Colombia podría permitir a futuro la

exportación del mismo a naciones donde la producción interna no sea suficiente y

su necesidad de uso sea creciente.

Metas a corto, mediano y largo plazo

Con base en lo descrito por González-Salazar [4], la hoja de ruta energética del bioetanol

en Colombia plantea como metas a corto, mediano y largo plazo, el incremento paulatino

del uso del bioetanol como oxigenante de la gasolina pasando de E8 en el 2015 hasta

llegar a E851 para el año 2030 [4]. Ver Figura 4. Conviene señalar que, esta proyección se

encuentra ligada a la política de mezclado (Ley 693 de 2001) y está de acuerdo con las

políticas del Ministerio de Minas y Energía planteadas en el Decreto 4892 de 2011. No

obstante, el valor de referencia E85 se considera voluntario y no constituye una obligación

1 E significa etanol anhidro y 85 % el porcentaje volumétrico de alcohol anhidro presente en la mezcla de gasolina - alcohol; por lo tanto, E85 significa 85 % en volumen de alcohol anhidro en la mezcla gasolina – alcohol, conocida también como gasohol


para las partes interesadas. En consecuencia, el porcentaje de mezcla podría ser inferior

al 85 % y depende de los ajustes paulatinos que realice el Ministerio de Minas y Energía.

Figura 4. Metas a corto, mediano y largo plazo - Bioetanol en Colombia - 2015 a 2030. Fuente: Adaptado de [4]

Sobresale que dentro de la planeación elaborada por González-Salazar [4], se consideró

para el año 2030 alcanzar una concentración de E85 y no E100. Esto se debe

principalmente a algunas razones tecnológicas de los vehículos como: a) el desempeño

del vehículo, principalmente a bajas temperaturas, mejora al mantener una parte de

gasolina en la mezcla de combustible, b) utilizar etanol al 100 % permite que el contenido

de agua aumente y, por lo tanto, pueden presentarse problemas al conducir y c) el marco

de regulación en muchos países, incluyendo Colombia, Estados Unidos, Brasil y Ecuador

permite la combinación del etanol con esta cantidad de hidrocarburos. [4]

Barreras Las metas definidas en la Figura 4 tienen asociadas varias barreras que es necesario

identificar con el ánimo superarlas posteriormente por medio de acciones a ejecutar. Estas

barreras se pueden resumir con base en lo descrito por González-Salazar [4], como sigue:

- Barreras regulatorias: Relacionadas a la falta de mayores políticas y regulaciones

para los biocombustibles, o la creación de una nueva institución que permita

centralizar las acciones o políticas. Las ventajas que tendría la centralización de las

políticas regulatorias son:

o Unificar la posición oficial del gobierno frente a los biocombustibles

o Definir metas a largo plazo claras para los biocombustibles, apuntando al

mejoramiento del desarrollo sostenible del país.

o Centralizar la definición de estándares y reglas lo cual permitiría reducir la

participación de terceros en las políticas de los biocombustibles


o Fomentar una discusión dentro del gobierno para direccionar los

biocombustibles desde una perspectiva energética, del agro y del medio

ambiente

- Barreras de mercado: Relacionadas con el precio actual del bioetanol, el cual se

encuentra definido por la variación del precio del crudo, commodities y la tasa de

cambio. Esto resulta inconveniente ya que el precio depende solamente del

mercado macroeconómico y no tiene en cuenta las condiciones del mercado local.

Estas condiciones económicas también repercuten en que las compañías que

ofrecen vehículos sean renuentes a la implementación de tecnologías que

funcionen con mezclas de etanol y gasolina en proporciones superiores.

- Barreras de aceptación pública: Relacionadas con:

o Falta de aceptación del marco regulatorio actual

o Falta de estrategias y planes de manejo tecnológico y medioambiental que

permitan mostrar que los beneficios asociados a los procesos con bioetanol

son mayores a las desventajas [13].

o Falta de aceptación de nuevas tecnologías por las partes interesadas

incluyendo usuarios finales

- Barreras tecnológicas: Relacionadas con:

o Dificultades para la obtención de materias primas aptas

o Incompatibilidad y problemas de operabilidad del bioetanol en motores

antiguos y no flexibles

o Problemas debido a la transferencia tecnológica limitada (falta de

conocimiento y necesidad de investigación y desarrollo).


Acciones a ejecutar

Una vez conocidas las metas y las barreras de la hoja de ruta energética en Colombia, se

resumieron las acciones a ejecutar planteadas por Colciencias [3], González-Suarez [4] y

el Departamento Nacional de Planeación [13] de la siguiente forma:

a) Establecer una distribución de tierras más balanceada y democrática que fomente

el uso de la tierra rural de una manera más productiva y amigable con el medio

ambiente. (Ley 1448 de 2011 - Ley de Víctimas y Restitución de Tierras).

b) Todas las partes interesadas incluyendo gobierno, pequeñas, medianas y grandes

empresas y la academia deben hacer parte de la toma de decisiones relacionadas

con el bioetanol.

c) Implementar programas que reduzcan el costo de producción de bioetanol y

mejoren la eficiencia en la cosecha, recolección y explotación de los residuos.

Dicho programa puede complementarse con beneficios en el desarrollo o

importación de maquinaria y equipo.

d) Implementar un programa de incentivos que fomente el desarrollo local o el

ensamblaje de vehículos capaces de funcionar con mezclas altas de bioetanol –

gasolina o reducir las tarifas de importación.

e) Realizar estudios que permitan transformar los vehículos de combustión interna

actuales que funcionan solamente con gasolina, en vehículos flexibles total o

parcialmente para poder utilizarlos durante la transición del uso de mezclas poco

concentradas a muy concentradas de etanol – gasolina.

f) Implementar un programa de incentivos enfocados a reducir las tarifas de

importación de suministros de agricultura, utilizados por los productores locales de

biomasa y biocombustibles.


g) Contar con esquemas de certificación que demuestren los beneficios de

implementar el bioetanol a las personas que pagan impuestos y a las autoridades.

h) Establecer un marco que evite la deforestación, la pérdida de biodiversidad, el

desplazamiento de comunidades y la contaminación del agua y del suelo

i) Mantener como primera alternativa la fermentación continua de caña de azúcar

junto con su posterior destilación para la obtención de etanol, debido a que es una

tecnología relativamente madura y disponible; además de que ya ha sido

implementada de forma exitosa en el país.

j) Garantizar el tratamiento de aguas de los efluentes para asegurar buenos

estándares de calidad en las aguas subterráneas y superficiales.

k) Realizar estudios ambientales rigurosos sobre el uso del suelo, el agua, el impacto

que tienen en la biodiversidad y las emisiones del ciclo de vida.

1.3 Intención del Proyecto

El presente trabajo busca aportar a la acción a ejecutar descrita previamente en el numeral

c), la cual busca proponer formas de mejorar la eficiencia en la explotación de los residuos

o subproductos asociados a la producción de bioetanol; en este caso, se busca proponer

alternativas de producción de ésteres a partir del componente mayoritario (alcohol

isoamílico) contenido en la mezcla subproducto o residuo denominada aceite fusel. Para

contextualizar más sobre este residuo, en las siguientes secciones se da una breve

descripción sobre el bioetanol y su proceso productivo, el origen del aceite fusel, el alcohol

isoamílico, los ésteres y sus potenciales usos.

1.4 Bioetanol

El bioetanol es un biocombustible convencional obtenido a partir de un proceso biológico

de fermentación de materias primas ricas en carbohidratos. Generalmente, se utilizan

como materias primas aquellas provenientes de ligno – celulosas o residuos orgánicos

(caña de azúcar, remolacha, trigo, maíz, sorgo, papa, yuca, etc.) [14]


En Colombia, se utiliza mayoritariamente como materia prima la caña de azúcar y de

acuerdo con la OCDE [15], la producción actual para el año 2018 es de aproximadamente

561 millones de litros de etanol y se espera que para el año 2026, esta producción aumente

gradualmente hasta los 603 millones de litros. (Ver Figura 5)

Figura 5. Proyección de producción de bioetanol en Colombia. OCDE. 2018-2026. Fuente: Adaptado con datos de OCDE [15]

Proceso productivo

El proceso productivo para la obtención de bioetanol a partir de caña se puede resumir con

base en lo descrito en la Figura 6. Dicho proceso inicia con el ingreso de la caña de azúcar

a la planta donde pasa por una primera operación conocida como preparación, en la cual

la caña se corta o desfibra y se separan las arenas, el polvo y los metales provenientes de

su transporte y cosecha. Posteriormente, la caña preparada pasa a un proceso de

molienda donde se extrae el jugo contenido en la fibra y se obtiene un subproducto sólido

denominado bagazo, el cual se utiliza como combustible para la generación de vapor en

calderas y como materia prima en la elaboración de papel. [16], [17]

540

550

560

570

580

590

600

610

2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024 2025 2026

Pro

du

cció

n (

Mill

on

es d

e Li

tro

s)

Año


Figura 6. Proceso productivo – Bioetanol Fuente: Adaptado de BNDES [17]

Después, el jugo de caña se calienta hasta una temperatura cercana al punto de ebullición

y pasa a una sección de tratamiento químico donde se agrega cal para disminuir la acidez

y favorecer la precipitación de la mayor cantidad de impurezas posibles. Estas impurezas

se remueven en un proceso posterior de clarificación y filtración donde se obtiene un jugo

clarificado y una torta de filtrado también conocida como cachaza, la cual se utiliza

normalmente como fertilizante o como materia prima en la extracción de cera [18]. Luego,

el jugo clarificado se evapora para remover la mayor cantidad de agua contenida en él y

así obtener meladura. Esta meladura se cristaliza y centrifuga, y a partir de estos procesos

se obtiene posteriormente azúcar y mieles.

Las operaciones unitarias de tratamiento de caña de azúcar desde su ingreso a la planta

hasta la obtención de las mieles son comunes tanto para la producción de azúcar como

para la producción de bioetanol y son dichas mieles las materias primas principales para

la obtención de este último.


El proceso de producción de bioetanol continúa con la mezcla y enfriamiento de las mieles

obtenidas previamente para luego pasarlas a una etapa de fermentación donde ocurre la

transformación de los azúcares presentes en la mezcla en etanol y dióxido de carbono

mediante unas condiciones específicas de temperatura, pH, concentración de azúcares,

nutrientes y presencia de levaduras. [19]

La corriente de salida, producto de la fermentación, se denomina mosto y contiene un

porcentaje de etanol que oscila entre el 7 y 9 % en peso. Las operaciones subsiguientes a

la obtención del mosto están enfocadas en la recuperación y purificación del etanol

producido. La primera etapa consiste en sedimentar el mosto y luego purificar la fase

líquida denominada vino en una serie de columnas de destilación [19]. Ver Figura 7.

Figura 7. Proceso de destilación - Bioetanol Fuente: Adaptado de Cenicaña [19] y Leyva [20]

La primera columna de destilación consta de dos secciones, una sección superior,

denominada columna desgasificadora, donde se alimenta el vino y se separan los gases

disueltos como dióxido de carbono, incondensables y compuestos livianos de alta

volatilidad como aldehídos, metanol y ésteres. Luego hay una sección inferior denominada

columna despojadora cuya función principal consiste en realizar el agotamiento del etanol

y obtener por la cima, vapor de etanol diluido con una concentración cercana al 40 y 50 %


en peso y por el fondo una mezcla denominada vinaza, subproducto que contiene una

concentración de etanol menor al 0,05 % en peso y, por lo general, sirve como precursor

en la formación de abonos y fertilizantes [21].

La segunda columna de destilación, denominada columna de aldehídos, tiene como

alimento la corriente resultante de la columna desgasificadora y se encarga de recuperar

el etanol por el fondo y por la cima concentra y recupera las impurezas livianas (aldehídos

y ésteres, principalmente) [19].

Posteriormente, el vapor de etanol diluido obtenido de la primera columna de destilación y

el etanol recuperado proveniente de la columna de aldehídos se llevan a una tercera

columna de destilación denominada columna rectificadora, en la cual se obtiene por la

cima, etanol rectificado con una concentración cercana al 95 % en peso, listo para ser

deshidratado. Por el fondo, se obtiene una mezcla de agua con algunos ácidos en

concentraciones de partes por millón que se envían a la planta de tratamiento de aguas y

se conoce como flemaza. Finalmente, se obtiene como corrientes laterales, unas mezclas

de alcoholes superiores denominadas aceite fusel liviano y aceite fusel pesado [19].

El aceite fusel liviano está compuesto principalmente por alcoholes amílicos y el aceite

fusel pesado está compuesto principalmente por alcoholes propílicos. Estas corrientes

eventualmente se combinan dependiendo de los requerimientos de la planta. Sin embargo,

el aceite fusel liviano usualmente se lleva a un tanque de reserva donde se enfría y

posteriormente se mezcla con agua para obtener dos fases líquidas: una fase acuosa rica

en etanol que se envía nuevamente a la columna de rectificación para su procesamiento y

una fase orgánica que se almacena en tanques de reserva y que, para efectos del presente

trabajo, es lo que se denomina aceite fusel. [20]

Finalmente, el etanol rectificado se deshidrata, empleando tamices moleculares, para

obtener etanol anhidro (bioetanol) cuya concentración es superior al 99 % y el cual es

posteriormente adecuado para su posterior distribución y consumo.


Con base en lo anterior, es posible concluir que dentro del proceso productivo de bioetanol

se forman, de manera inherente, varios subproductos en distintas etapas tales como:

bagazo, vinaza, flemaza, aceite fusel, entre otros. Dado el objetivo del presente proyecto,

en la siguiente sección se profundiza sobre el subproducto de interés: el aceite fusel y su

composición.

Aceite Fusel

El aceite fusel se define como una mezcla de alcoholes superiores, congéneres de la

fermentación alcohólica, que debe ser retirada de la columna de rectificación en el proceso

de purificación del etanol; pues la tendencia natural es que se acumule en la misma [22].

La proporción de formación de aceite fusel varía considerablemente dependiendo de la

materia prima utilizada para la fermentación. Sin embargo, generalmente oscila entre uno

a once litros de aceite fusel por cada mil litros de etanol producido [22], [23]

Los principales usos que se le han dado al aceite fusel son [22], [24], [25] :

- Generación de energía mediante su quema en calderas

- Comercialización como solvente para algunas aplicaciones industriales

- Desnaturalizante de alcoholes

- Antiespumante en la producción de azúcar

- Precursor en la formación de saborizantes y plastificantes

Sin embargo, dado que es una mezcla rica en alcoholes de orden superior, uno de los usos

de mayor interés en la actualidad es la obtención de ésteres a partir de dichos alcoholes

lo cual puede realizarse de acuerdo con dos procesos: a) separación de alcoholes y

posterior esterificación de los mismos o b) esterificación y separación simultánea del aceite

fusel aplicando integración de procesos; principalmente, destilación reactiva. [26], [27],

[28], [29], [30], [31].


Varias caracterizaciones experimentales han sido realizadas para determinar la

composición del aceite fusel y las cantidades relativas de sus componentes principales. Es

posible notar que, dependiendo de la materia prima utilizada en el proceso, las

composiciones del aceite fusel varían. Sin embargo, en la mayoría de caracterizaciones se

tiene que el componente de mayor proporción es el alcohol isoamílico. (Ver Tabla 1 a Tabla

4).

Tabla 1. Caracterización de aceite fusel - Materia Prima: Remolacha azucarera - País:

Turquía

Componente Porcentaje en peso (%) Porcentaje molar (%)

Etanol 12,4 20,67

Alcohol n-Propílico 3,5 4,47

Alcohol isobutílico 9,5 9,85

Alcohol Isoamílico 74,6 65,01

Fuente: Kuçuk [32]

Tabla 2. Caracterización de aceite fusel – Porcentajes de alcoholes en mayor proporción

- Materia Prima: Caña de Azúcar - País: Brasil

Componente Concentración

Promedio (g/L)

Muestra 1

(%)

Muestra 2

(%)

Muestra 3

(%)

Metanol 16,6 3,3 2,3 0,7

Etanol 28,4 5,7 1,5 3,3

Alcohol n-Propílico 11,9 1,8 0,8 1,8

Alcohol Isobutílico 158 16,4 17,8 25,5

Alcohol Isoamílico 390 46,8 46,6 54,0

% total de alcoholes

en la mezcla 705 74,0 69,0 85,3

Fuente: Pérez [33]

Para el caso particular de Colombia, la composición del aceite fusel se encuentra resumida en la Tabla 4.


Tabla 3. Caracterización de aceite fusel – Porcentajes en peso - Componentes en mayor

proporción - Materia Prima: Caña de Azúcar - País: Brasil

Componente Muestra 1

(% en peso)

Muestra 2

(% en peso)

Muestra 3

(% en peso)

Agua 9,52 10,86 16,18

Etanol 9,94 4,82 11,03

Alcohol n-Propílico 0,92 0,41 0,37

Alcohol Isobutílico 5,76 7,66 10,19

Alcohol n-Butílico 0,64 0,42 0,16

Alcohol Isoamílico 65,26 73,43 56,37

Alcohol n-Amílico 0,06 0,05 0,01

Fuente: García [22]

Tabla 4. Caracterización de aceite fusel - Seis muestras analizadas - Porcentajes en

peso - Materia Prima: Caña de Azúcar - País: Colombia

Componente M1 (% p) M2 (% p) M3 (% p) M4 (% p) M5 (% p) M6 (% p)

Agua 10,19 10,56 10,22 12,30 10,98 5,52

Etanol 2,04 2,82 1,40 6,26 3,23 4,89

Alcohol

Isopropílico <L.D.* <L.D.* <L.D.* <L.D.* <L.D.* 1,69

Alcohol n-

Propílico <L.D.* <L.D.* <L.D.* 3,18 1,99 4,76

Alcohol

Isobutílico <L.D.* 7,28 5,87 3,77 14,23 7,14

Alcohol n-

Butílico <L.D.* 1,37 1,51 1,31 1,43 1,35

Alcohol

Isoamílico 80,74 69,73 69,95 68,47 64,68 71,52

Alcohol n-

Amílico <L.D.* <L.D.* <L.D.* <L.D.* <L.D.* <L.D.*

Compuestos no

detectados 3,37 3,51 6,31 0,10 2,12 1,53

Nota: <L.D.*: Por debajo del límite de detección: 50 ppm Fuente: Montoya[34].


Gráficamente, la composición promedio del aceite fusel en Colombia con base en lo

descrito en la Tabla 4 se puede resumir como sigue:

Figura 8. Composición de aceite fusel en Colombia Fuente: Autor con datos de Montoya [34]

De acuerdo con la Figura 8, es posible concluir que el aceite fusel en Colombia tiene una

composición de aproximadamente 70 % en peso de alcohol isoamílico. Dicho alcohol

generalmente se obtiene con alta pureza, realizando una destilación o rectificación sobre

el aceite fusel [35], [36]. Teniendo en cuenta lo anterior, el presente estudio busca trabajar

con el alcohol isoamílico que ha sido previamente purificado y obtenido a partir del aceite

fusel sin contemplar el proceso y las etapas necesarias para su purificación. En la siguiente

sección se describen, de manera general, el alcohol isoamílico, sus propiedades y cuál de

todos sus usos potenciales será analizado.

Alcohol Isoamílico

El alcohol isoamílico es un líquido incoloro que hace parte de una familia de ocho isómeros

conocida como alcoholes amílicos. Estos alcoholes tienen cinco carbonos, comparten un

peso molecular de 88,15 g/mol y se encuentran distribuidos de la siguiente forma: cuatro

alcoholes primarios, tres alcoholes secundarios y un alcohol terciario [37]. En la Figura 9

se ilustra la fórmula estructural del alcohol isoamílico, donde se observa que hace parte de

los alcoholes primarios.


Figura 9. Fórmula estructural del alcohol isoamílico Fuente: Autor

Tal como fue mencionado previamente, es posible obtener alcohol isoamílico a partir de la

rectificación del aceite fusel [35] [36]. Sin embargo, dicho alcohol también se encuentra

presente en cerca de 230 especies naturales que incluyen: manzana, banano, guayaba,

melón, papaya, durazno, pera, piña, entre otros. [38]

Algunas de las principales propiedades del alcohol isoamílico, con base en lo descrito por

Pohanish [37], son:

Tabla 5. Propiedades generales del alcohol isoamílico

CAS 123-51-3

Peso Molecular - g/mol 88,17

Fórmula química C5H12O

Temperatura de ebullición - °C 132

Temperatura de fusión - °C -117

Temperatura crítica - °C 307

Gravedad específica a 20 °C 0,82

Calor latente de vaporización - J/kg 5.016x105

Calor de combustión - J/kg -376,8

Punto de inflamabilidad - °C 43

Temperatura de autoignición - °C 350

Fuente: Pohanish [37]


Por otro lado, los principales usos y áreas de aplicación reportados para el alcohol

isoamílico son [20], [39]:

- Precursor en la fabricación de ésteres

- Uso como solvente en la producción de catalizadores de la industria del propileno

- Fabricación de herbicidas

- Fabricación de inhibidores de corrosión

- Preparación de surfactantes

- Fabricación de antiespumantes

- Reactivo para la estimación de grasa en lácteos

- Diluyente en la fabricación de tintas, lacas y gomas.

- Materia prima para la fabricación de fármacos como Barbamil o Validol

A pesar de las numerosas aplicaciones del alcohol isoamílico previamente mencionadas,

el presente proyecto busca enfocarse solamente en su potencial para la fabricación de

ésteres. Esto está justificado teniendo en cuenta varias razones: a) la producción y

comercialización de ésteres de isoamilo tiene un gran interés comercial debido a que

pueden emplearse en un amplio espectro de productos de uso personal dado que tienen

sabores y aromas frutales [20], [31] b) se espera que la producción de bioetanol conlleve

a una producción mayor de aceite fusel y en consecuencia, exista una disponibilidad mayor

de alcohol isoamílico en los próximos años que permita producir ésteres de isoamilo; c) en

los últimos años se han presentado varias publicaciones relacionadas con la fabricación

de ésteres a partir del alcohol isoamílico tales como: acetato de isoamilo [29], [40], butirato

de isoamilo [31], propionato de isoamilo [30], entre otros. Sin embargo, existen numerosos

ésteres que aún no se encuentran estudiados y representan una oportunidad de

investigación y exploración y d) cada uno de los trabajos publicados hasta el momento

analizan la factibilidad de producir un único éster. Sin embargo, el presente trabajo analiza

varios de ellos a la vez, planteando cuáles resultarían más aptos o factibles de producir

utilizando como materia prima el alcohol isoamílico.

Como complemento, en la siguiente sección se describe con mayor detalle qué son los

ésteres, la ruta de síntesis más usual para su producción y sus principales aplicaciones.


1.5 Esterificación y Ésteres

En química orgánica, un éster se define como una molécula o grupo funcional obtenido a

partir de la combinación de un ácido y un alcohol con una pérdida simultánea de agua. Los

ésteres más comunes son aquellos obtenidos a partir de un ácido carboxílico,

denominados ésteres carboxílicos y abreviados generalmente de la forma RCOOR o

RCO2R [41]:

Figura 10. Reacción de esterificación – Éster Carboxílico Fuente: Autor

La reacción descrita en la Figura 10, también conocida como reacción de Fischer, es la

reacción más utilizada para la obtención y preparación de ésteres. La definición de sus

condiciones de operación y del proceso en general depende en gran medida del equilibrio

químico y del catalizador empleado. [42]

Para llevar a cabo una reacción de Fischer, es necesario contar con un catalizador ácido

debido a que la mayoría de ácidos carboxílicos son débiles y requieren de tener un medio

ácido homogéneo o heterogéneo para protonarse y reaccionar [43]. Dentro de los

catalizadores ácidos más usuales se tienen los ácidos sulfúrico y p-toluensulfónico como

catalizadores homogéneos y las resinas de intercambio iónico como catalizadores

heterogéneos. En general, los catalizadores homogéneos presentan una mejor actividad

catalítica. Sin embargo, algunas veces pueden favorecer reacciones secundarias que

cambian las características de color y olor de los productos finales o pueden generar

corrosión dentro de los equipos. Por tal razón, es más usual ver reacciones de

esterificación utilizando resinas de intercambio iónico fuertemente ácidas. [20], [31]


Aplicaciones

Dentro de las principales aplicaciones de los ésteres se tienen: [31], [42]

- Fabricación de solventes

- Elaboración de monómeros y polímeros

- Fabricación de plastificantes

- Fabricación de agentes surfactantes

- Fabricación de saborizantes y fragancias

Debido a que la fabricación de saborizantes y fragancias es una de las aplicaciones más

atractivas desde el punto de vista económico, ya que este tipo de ésteres tienen un valor

considerable en el mercado a pesar de no tener un volumen de producción tan elevado

[31], el presente trabajo busca analizar aquellos ésteres derivados del alcohol isoamílico

que tienen como uso principal la fabricación de saborizantes y fragancias y se pueden

sintetizar mediante una reacción de Fischer.

2. Definición de ésteres principales del alcohol isoamílico

Como fue descrito previamente, los ésteres derivados del alcohol isoamílico (ésteres de

isoamilo) han despertado gran interés en la actualidad debido a su importancia comercial

y alta demanda por parte de industrias de alimentos, bebidas, fragancias, cosméticos,

farmacéuticos, entre otras. Esto se debe principalmente a que, las propiedades

fisicoquímicas de estos ésteres están relacionadas con sabores y aromas frutales que los

hacen aptos para la elaboración de un sinnúmero de productos de uso personal tales

como: jabones, cremas, alimentos, geles de afeitar y perfumes de uso diario [20], [26], [31],

[40]

A causa del reciente interés en la producción de ésteres de isoamilo, numerosos estudios

relacionados han sido publicados, los cuales están enfocados básicamente en dos ejes

temáticos: a) determinación de la cinética de reacción de esterificación tales como los

estudios reportados para el laurato de isoamilo [44], caproato de isoamilo [43], salicilato de

isoamilo [45], lactato de isoamilo [46] y benzoato de isoamilo [47] y b) determinación de la

factibilidad de producción a través de la intensificación de procesos, específicamente, la

destilación reactiva, tales como el acetato de isoamilo [40], butirato de isoamilo [31] y el

propionato de isoamilo [20], [30]. Sin embargo, aún existen numerosos ésteres que no han

sido estudiados y constituyen una oportunidad de investigación y exploración para

posteriores trabajos investigativos tales como el formiato de isoamilo, isobutirato de

isoamilo, isovalerato de isoamilo, entre otros.

Él presente trabajo requiere analizar entre varios ésteres de isoamilo, con aplicaciones en

saborizantes y fragancias, cuáles serían los que tienen un mayor potencial de producción

para luego establecer esquemas de proceso sobre los mismos. Para llevar a cabo esto, se

Capítulo 2. Definición de ésteres principales del alcohol isoamílico 27

estableció una metodología la cual se describe en el capítulo dos. Dicha metodología fue

adaptada del análisis de factores descrito en la literatura por Serna [48] y Narváez [42].

2.1 Metodología

La metodología empleada para determinar cuáles de los ésteres derivados del alcohol

isoamílico son los que presentan un mayor potencial de producción se encuentra descrita

en la Figura 11 . Dicha metodología fue adaptada con base en lo descrito por Serna [48] y

Narváez [42] y consta de cuatro etapas principales: a) exploración inicial, b) selección

inicial, c) análisis económico, ambiental y social y d) análisis de resultados y selección final.

El desarrollo de cada una de estas etapas se describe a continuación.

Figura 11. Metodología de selección de ésteres principales del alcohol isoamílico Fuente: Adaptado de Serna [48]

28 Capítulo 2. Definición de ésteres principales del alcohol isoamílico

Exploración inicial

En esta fase de exploración inicial se realizó una identificación de aquellos ésteres

derivados del alcohol isoamílico que estuvieran relacionados con aplicaciones de

saborizantes y fragancias. Para ello, inicialmente se emplearon dos bases de datos

especializadas: SciFinder ® y Reaxys ® y se efectuaron búsquedas utilizando las

siguientes palabras clave: isopentyl ester, isopentyl alcohol, isoamyl alcohol, 3-Methyl-1-

butanol y 1-Butanol, 3-methyl-. Posteriormente, con el ánimo de garantizar que los

resultados obtenidos tuvieran aplicaciones en la industria de saborizantes y fragancias,

dichos resultados se contrastaron con los registros encontrados en la base de datos del

sitio web The Good Scents Company [49] para las palabras clave isoamyl e isopentyl. Esto

permitió seleccionar solamente aquellos ésteres de isoamilo que tuvieran aplicaciones en

la industria saborizantes y fragancias, ya que esta última base de datos aloja información

sobre sustancias cuyo principal uso está asociado a dicha industria.

Los resultados alcanzados se resumen en la Tabla 6. En total fueron identificados 56

ésteres derivados del alcohol isoamílico con aplicaciones en saborizantes y fragancias y

también fueron investigados los 56 ácidos carboxílicos inherentes para su producción.

Tabla 6. Resultados finales - Ésteres de isoamilo obtenidos en la exploración inicial

No. Ácido Carboxílico CAS Éster de Isoamilo CAS

1 Ácido 2-trans-hexenoico 13419-69-7 2-trans-hexenoato de

Isoamilo 72928-34-8

2 Ácido trans-cinámico 140-10-3 Trans-cinamato de

Isoamilo 85180-66-1

3 Ácido trans-crotónico 3724-65-0 Trans-crotonato de

Isoamilo 73545-17-2

4 Ácido 2-metilbutírico 116-53-0 2-metilbutirato de Isoamilo 27625-35-0

5 Ácido 2-metilheptanoico 1188-02-9 2-metilheptanoato de

Isoamilo 94133-55-8

6 Ácido 2-furanpropanoico 935-13-7 2-furanpropanoato de

Isoamilo 7779-67-1

7 Ácido 3-(3-furil) acrílico 39244-10-5 3-(3-furil) Acrilato de

Isoamilo 93859-17-7

8 Ácido 3-hidroxi-2-metilen-

butanoico 27977-20-4

3-hidroxi-2-metilen-butanoato de Isoamilo

80758-72-1

9 Ácido 3-(metiltio) propanoico 646-01-5 3-(metiltio) propanoato de

Isoamilo 93762-35-7

10 Ácido 4-pentenoico 591-80-0 4-pentenoato de Isoamilo 76649-18-8

11 Ácido Acético 64-19-7 Acetato de Isoamilo 123-92-2

12 Ácido Acetoacético 541-50-4 Acetoacetato de Isoamilo 2308-18-1

13 Ácido Angélico 565-63-9 Angelato de Isoamilo 10482-55-0

14 Ácido Antranílico 118-92-3 Antranilato de Isoamilo 28457-05-8

15 Ácido Benzoico 65-85-0 Benzoato de Isoamilo 94-46-2


No. Ácido Carboxílico CAS Éster de Isoamilo CAS

16 Ácido Butírico 107-92-6 Butirato de Isoamilo 106-27-4

17 Ácido Cinámico 621-82-9 Cinamato de Isoamilo 7779-65-9

18 Ácido Crotónico 107-93-7 Crotonato de Isoamilo 25415-77-4

19 Ácido Cáprico

(Ácido Decanoico) 334-48-5 Caprato de Isoamilo 2306-91-4

20 Ácido Fórmico 64-18-6 Formiato de Isoamilo 110-45-2

21 Ácido Geránico 459-80-3 Geranato de Isoamilo 68133-73-3

22 Ácido Heptanoico 111-14-8 Heptanoato de Isoamilo 109-25-1

23 Ácido 2-octinoico 5663-96-7 2-octinoato de Isoamilo 68555-60-2

24 Ácido Caproico

(Ácido Hexanoico) 142-62-1 Caproato de Isoamilo 2198-61-0

25 Ácido Isobutírico 79-31-2 Isobutirato de Isoamilo 2050-01-3

26 Ácido Isotiociánico 3129-90-6 Isotiocianato de Isoamilo 628-03-5

27 Ácido Isovalérico 503-74-2 Isovalerato de Isoamilo 659-70-1

28 Ácido Láctico 50-21-5 Lactato de Isoamilo 19329-89-6

29 Ácido Láurico

(Ácido Dodecanoico) 143-07-7 Laurato de Isoamilo 6309-51-9

30 Ácido Levulínico 123-76-2 Levulinato de Isoamilo 71172-75-3

31 Ácido Mandélico 90-64-2 Mandelato de Isoamilo 5421-04-5

32 Ácido Mirístico

(Ácido Tetradecanoico) 544-63-8 Miristato de Isoamilo 62488-24-8

33 Ácido Pelargónico (Ácido Nonaoico)

112-05-0 Pelargonato de Isoamilo 7779-70-6

34 Ácido Caprílico

(Ácido Octanoico) 124-07-2 Caprilato de Isoamilo 2035-99-6

35 Ácido p-Metoxicinámico 830-09-1 p-Metoxicinamato de

Isoamilo 71617-10-2

36 Ácido Palmítico 57-10-3 Palmitato de Isoamilo 81974-61-0

37 Ácido Fenoxiacético 122-59-8 Fenoxiacetato de Isoamilo 72845-77-3

38 Ácido Fenilacético 103-82-2 Fenilacetato de Isoamilo 102-19-2

39 Ácido Propanoico 79-09-4 Propanoato de Isoamilo 105-68-0

40 Ácido Pirúvico 127-17-3 Piruvato de Isoamilo 7779-72-8

41 Ácido Salicílico 69-72-7 Salicilato de Isoamilo 87-20-7

42 Ácido Senecioico 541-47-9 Senecioato de Isoamilo 56922-73-7

43 Ácido 2-tiofenocarboxílico 527-72-0 2-tiofenocarboxilato de

Isoamilo 35250-80-7

44 Ácido Tíglico 80-59-1 Tiglato de Isoamilo 41519-18-0

45 Ácido Undecilénico 112-38-9 Undecilenato de Isoamilo 12262-03-2

46 Ácido Valérico 109-52-4 Valerato de Isoamilo 2050-09-1

47 Ácido 2-furanbutírico 92638-98-7 2-furanbutirato de isoamilo 7779-66-0

48 Ácido 2-furoico 88-14-2 2-furoato de Isoamilo 615-12-3

49 Ácido 2-furanacrílico 539-47-9 2-furanacrilato de Isoamilo 79925-85-2

50 Ácido Ciclohexanocarboxílico 98-89-5 Ciclohexanocarboxilato de

Isoamilo 25183-19-1

51 Ácido p-Anísico 100-09-4 p-Anisato de Isoamilo 27739-29-3

52 Ácido Esteárico

(Ácido Octadecanoico) 57-11-4 Estearato de Isoamilo 627-88-3

53 Ácido Heptadecanoico 506-12-7 Heptadecanoato de

Isoamilo 100991-72-8

54 Ácido Pentadecanoico 1002-84-2 Pentadecanoato de

Isoamilo 827032-03-1

55 Ácido Nonadecanoico 646-30-0 Nonadecanoato de

Isoamilo 26720-28-5

56 Ácido Eicosanoico 506-30-9 Eicosanoato de Isoamilo 26720-32-1

Fuente: Autor


Selección Inicial

Debido a la gran cantidad de ésteres obtenidos en la fase de exploración, 56 en total de

acuerdo con la Tabla 6, fue necesario realizar una selección inicial de aquellos ésteres que

presentaran un mayor potencial para acotar el intervalo de trabajo. Para ello, fueron

descartados los ésteres que cumplieran con alguna de las siguientes condiciones:

a. Ésteres de isoamilo sin proveedores reportados a nivel mundial: Para la

comprobación de la carencia de proveedores a nivel mundial, fueron utilizadas las

bases de datos especializadas: SciFinder ®, Reaxys ® y ChemACX ® y las bases

de datos disponibles en línea: Chembid [50], Chemexper [51], Chemical Register

[52] y Molbase [53]. La búsqueda de proveedores dentro de las bases de datos

previamente mencionadas se hizo a partir de los números CAS obtenidos en la

sección anterior denominada exploración inicial. Los resultados obtenidos se

resumen en la Tabla 7.

Tabla 7. Ésteres de isoamilo sin proveedores reportados a nivel mundial

No. Éster de Isoamilo CAS

1 2-trans-hexenoato de Isoamilo 72928-34-8

2 Trans-cinamato de Isoamilo 85180-66-1

3 2-metilheptanoato de Isoamilo 94133-55-8

4 3-(3-furil) Acrilato de Isoamilo 93859-17-7

5 3-hidroxi-2-metilen-butanoato de Isoamilo 80758-72-1

6 4-pentenoato de Isoamilo 76649-18-8

7 Antranilato de Isoamilo 28457-05-8

8 Crotonato de Isoamilo 25415-77-4

9 Pelargonato de Isoamilo 7779-70-6

10 Fenoxiacetato de Isoamilo 72845-77-3

11 Senecioato de Isoamilo 56922-73-7

12 2-tiofenocarboxilato de Isoamilo 35250-80-7

13 2-furanbutirato de isoamilo 7779-66-0

14 2-furanacrilato de Isoamilo 79925-85-2

15 Ciclohexanocarboxilato de Isoamilo 25183-19-1

16 p-Anisato de Isoamilo 27739-29-3

17 Heptadecanoato de Isoamilo 100991-72-8

18 Pentadecanoato de Isoamilo 827032-03-1

19 Nonadecanoato de Isoamilo 26720-28-5

20 Eicosanoato de Isoamilo 26720-32-1

Fuente: Autor


b. Ésteres de isoamilo reportados para uso especializado y no comercial: Son

ésteres que presentan proveedores a nivel mundial. Sin embargo, solamente se

consiguen en calidad y condiciones analíticas y sus presentaciones comerciales no

superan los 100 g. Por tal razón, fueron considerados de poco uso comercial a gran

escala y de aplicación solo en laboratorio. Análogo al caso anterior, para la

comprobación fueron utilizadas las bases de datos especializadas: SciFinder ®,

Reaxys ® y ChemACX ® y las bases de datos disponibles en línea: Chembid [50],

Chemexper [51], Chemical Register [52] y Molbase [53]. Los resultados obtenidos

se resumen en la Tabla 8.

Tabla 8. Ésteres de isoamilo de uso especializado y no comerciales a gran escala.


1 Acetoacetato de Isoamilo* 2308-18-1

2 Trans-crotonato de Isoamilo 73545-17-2

3 Heptanoato de Isoamilo 109-25-1

4 Levulinato de Isoamilo 71172-75-3

5 Mandelato de Isoamilo 5421-04-5

6 Miristato de Isoamilo 62488-24-8

7 Palmitato de Isoamilo 81974-61-0

8 Tiglato de Isoamilo 41519-18-0

9 Undecilenato de Isoamilo 12262-03-2

10 Estearato de Isoamilo 627-88-3

* El acetoacetato de isoamilo sí tiene presentaciones comerciales superiores a los 100 g. Sin embargo, fue incluido en esta categoría ya que el ácido acetoacético necesario para su producción a través de una reacción de Fischer solamente se consigue en presentaciones de máximo 100 g

Fuente: Autor

c. Esteres de isoamilo sin rutas de síntesis reportadas a través de la reacción

de Fischer: A nivel industrial, la mayoría de procesos de producción de ésteres

operan utilizando la reacción de Fischer descrita previamente en la sección 1.5 [31].

A pesar de que existen rutas alternativas de producción de ésteres como la

alquilación de carboxilatos metálicos, acilación de haluros de acilo, alcohólisis de

nitrilos, transesterificación, carbonilación, entre otras [31], fueron seleccionados

solamente aquellos que tuvieran rutas de síntesis publicadas mediante la reacción

de Fischer ya que las reacciones alternas no necesariamente se utilizan para

procesos industriales. Para la comprobación de las rutas de síntesis fueron

empleadas las bases de datos especializadas: SciFinder ®, Reaxys ® y la base de

datos en línea Molbase [53]. Los resultados obtenidos se resumen en la Tabla 9.


Tabla 9. Ésteres de isoamilo sin reacciones de Fischer reportadas


1 2-furanpropanoato de Isoamilo 7779-67-1

2 3-(metiltio) propanoato de Isoamilo 93762-35-7

3 Angelato de Isoamilo 10482-55-0

4 Geranato de Isoamilo 68133-73-3

5 2-octinoato de Isoamilo 68555-60-2

6 Isotiocianato de Isoamilo 628-03-5

7 Piruvato de Isoamilo 7779-72-8

8 2-furoato de Isoamilo 615-12-3

Fuente: Autor

En consecuencia, luego de descartar los ésteres que cumplieran con una de las tres

condiciones previamente mencionadas, la selección inicial de ésteres de isoamilo se

describe en la Tabla 10.

Tabla 10. Ésteres de isoamilo factibles de producción


1 Acetato de Isoamilo 123-92-2

2 2-metilbutirato de Isoamilo 27625-35-0

3 Benzoato de Isoamilo 94-46-2

4 Butirato de Isoamilo 106-27-4

5 Cinamato de Isoamilo 7779-65-9

6 Caprato de Isoamilo 2306-91-4

7 Formiato de Isoamilo 110-45-2

8 Caproato de Isoamilo 2198-61-0

9 Isobutirato de Isoamilo 2050-01-3

10 Isovalerato de Isoamilo 659-70-1

11 Lactato de Isoamilo 19329-89-6

12 Laurato de Isoamilo 6309-51-9

13 Caprilato de Isoamilo 2035-99-6

14 p-Metoxicinamato de Isoamilo 71617-10-2

15 Fenilacetato de Isoamilo 102-19-2

16 Propanoato de Isoamilo 105-68-0

17 Salicilato de Isoamilo 87-20-7

18 Valerato de Isoamilo 2050-09-1

Fuente: Autor


Análisis de Factores

La selección inicial descrita en la Tabla 10 permite conocer cuáles ésteres de isoamilo, con

aplicaciones en saborizantes y fragancias, presentan mayor potencial de producción

respecto a los resultados de la exploración inicial. Esto se debe principalmente a que estos

ésteres: a) presentan proveedores a nivel mundial reportados, b) se consiguen en

cantidades analíticas e industriales, lo que permite inferir que es posible producirlos en

grandes cantidades y c) presentan rutas de síntesis reportadas a través de la reacción de

Fischer. Sin embargo, la Tabla 10 no es suficiente para conocer en detalle cuál o cuáles

de estos ésteres presentan el mayor potencial de producción. Por tal razón, fue

seleccionada una metodología de decisión multicriterio que permitiera clasificar y conocer

cuáles de los ésteres descritos en la Tabla 10 resultan ser los más relevantes para su

estudio y posterior análisis en el diseño de esquemas de proceso.

La metodología de decisión multicriterio seleccionada corresponde al análisis de factores

descrito por Serna [48] y Narváez [42]. Esta metodología es útil debido a que, partiendo

del conocimiento de los productos de interés, en este caso los ésteres descritos en la Tabla

10 y la definición de la ruta química para su producción, en este caso, la reacción de

Fischer, es posible realizar un análisis comparativo entre indicadores normalizados de tipo

económico, ambiental y social evaluados para cada éster de isoamilo que permite al final

conocer cuáles de estos son los más aptos para su producción garantizando su

sostenibilidad.

Los indicadores evaluados en el presente trabajo se describen a continuación:

2.1.3.1 Indicadores Económicos

Valor Agregado Total de Reacción r(VAT ) : El presente trabajo utiliza el valor agregado

total de la reacción como indicador económico. Dicho indicador corresponde a la diferencia

entre el precio de los productos que pueden venderse y los costos de la materia prima,

considerando la estequiometría de la reacción química. Se calcula con base en las

expresiones matemáticas descritas por Serna [48], Narváez [42] y Carvalho [54]:


1

NP

r pVA VA= (2.1)

1

RMrm rm rm

p p p p

p p

M PCVA m PP CF

M

= −

(2.2)

1

p p

p NP

p p

p

MCF

M

=

=

(2.3)

1

rr

NP

p p

p

VAVAT

m PP=

=

(2.4)

Donde rVA es el valor agregado de la reacción r ,

PVA es el valor agregado del producto

p , NP es el número total de productos, pm es la cantidad de masa producida, pPP es el

precio de venta del producto p , pCF es un factor para determinar la fracción de materias

primas que se transforma en el producto p , es el coeficiente estequiométrico para el

producto p o la materia prima rm , M es el peso molecular del producto p o de la materia

prima rm , rmPC es el costo de las materias primas y

rVAT es el valor agregado total de

la reacción r [48], [42].

Debido a que el único producto de interés que se comercializa a partir de la reacción de

Fischer es el éster, es posible entonces asegurar que las expresiones (2.1) y (2.3) toman

la forma:

p rVA VA= (2.5)

1pCF = (2.6)

Por otro lado, en acuerdo con la metodología descrita por Serna [48], los costos

energéticos no son considerados en los indicadores económicos del presente trabajo

debido a que en esta fase no se cuenta con suficiente información preliminar para el cálculo

de los requerimientos energéticos de proceso.


Con el ánimo de ilustrar la forma como fueron calculados cada uno de los indicadores, se

tomará como referencia uno de los 18 ésteres publicados en la Tabla 10; en este caso, el

acetato de isoamilo. Sobresale que, cada uno de los 18 ésteres fue analizado de la misma

forma como se describe a continuación.

El cálculo de cada indicador normalizado requiere conocer el valor numérico de una o

varias propiedades tanto de los reactivos como los productos. Para el caso de los

indicadores económicos, es necesario conocer los pesos moleculares, los precios de

compra de los reactivos y venta de los productos y los coeficientes estequiométricos de las

sustancias. Esta información se encuentra descrita en la Tabla 11

Tabla 11. Propiedades para determinación de indicadores económicos. Acetato de Isoamilo

Propiedad Ácido Alcohol Éster Agua

Nombre Ácido

Acético Alcohol

Isoamílico Acetato de Isoamilo

Agua

CAS 64-19-7 123-51-3 123-92-2 7732-18-5

Peso Molecular (g/mol) 60 88 130 18

Precio ($US/kg) 0,73* 1,068** 2,70*** 0

Coeficiente Estequiométrico

-1 -1 1 1

Nota: * Cotización - Fuente: Jinzhou Lvzhiyuan Fertilizer Factory [55] ** Cotización - Fuente: BACEX [56] *** Cotización - Fuente: Zhengzhou Yi Bang Industry Co. [57]

Fuente: Autor

En la presente investigación, los precios reportados para cada sustancia fueron cotizados

para grandes volúmenes de venta. Esto se debe a que estos precios constituyen un mejor

indicador para realizar una evaluación económica sobre un proceso productivo. [31]

Con el ánimo de comparar los ésteres de isoamilo de la Tabla 10 bajo condiciones

similares de producción, fue definida como constante la cantidad de masa producida pm

para cada éster; en este caso, el valor numérico corresponde a 1pm t= . Esto está en

acuerdo con lo descrito por Narváez [42] para un ejemplo similar relacionado con la

producción del acetato de etilo.


Reemplazando los valores descritos en la Tabla 11 y la expresión (2.6) en la expresión

(2.2), se tiene que:

1 60 730 1 88 1068

1 2700 1

1 130 1 130p

g $USD g $USD$USD mol t mol tVA t

g gt

mol mol

− −

= − +

(2.7)

1640 12pVA , $USD= (2.8)

Finalmente, reemplazando (2.8) y (2.5) en (2.4), se obtiene entonces el indicador

económico normalizado para el caso del acetato de isoamilo:

1640 12

1 2700

r, $USD

VAT$USD

tt

=

(2.9)

0 607rVAT ,= (2.10)

El valor numérico obtenido en la expresión (2.10) es adimensional y representa la

rentabilidad de la reacción química al producir 1 kilogramo de acetato de isoamilo. También

es posible interpretarlo como: por cada kilogramo vendido en 2,7 $USD/kg de acetato de

isoamilo se obtiene una rentabilidad del 60,7%; es decir, 1,64 $USD/kg. [58]

Un valor negativo sobre el indicador normalizado descrito en la expresión (2.4) indicaría

que el proceso desde la estequiometría de la reacción, no es rentable. Por tal razón, el

indicador económico es el primero que se evalúa al momento de realizar un análisis de

factores. [48], [42], [54]


2.1.3.2 Indicadores Ambientales

Los indicadores ambientales utilizados en el presente trabajo se clasifican en tres grupos:

1. Indicadores de Potencial de Impacto Ambiental (PEI): El primer grupo de indicadores

ambientales está compuesto por cuatro indicadores que han sido descritos y utilizados

previamente para determinar el potencial de impacto ambiental y se encuentran

descritos en los trabajos de: Young y Cabezas en su algoritmo de reducción de

desechos (WAR) [59] y las metodologías descritas por Srinivasan [60], Serna [48],

Narváez [42] y Toma [61]. Dichos indicadores son:

- Potencial de Calentamiento Global (GWP): El potencial de calentamiento global

(GWP) se define como la relación entre la cantidad de radiación infrarroja que una

unidad de masa de una especie química c absorbe durante su permanencia en la

atmósfera frente a la cantidad de radiación infrarroja que absorbe una unidad de

masa de CO2 durante su tiempo de vida en la atmósfera [59]. Generalmente, este

indicador se encuentra publicado solamente para sustancias con presencia de

halógenos, controladas por el protocolo de Montreal y sustancias como metano,

óxido nitroso, cloruro de metilo, entre otros [42]. Sin embargo, para aquellos

compuestos de origen fósil que presentan usualmente un tiempo de vida corto en

la atmósfera es posible definir el GWP a través de un potencial de calentamiento

global indirecto (GWPid), el cual es el utilizado para el presente trabajo y, de

acuerdo con Narváez [42], para una sustancia c se puede calcular como sigue:

44 c

id

c

NGWP

M= (2.11)

1

id

GWPGWP

= (2.12)

Donde, cN corresponde al número de carbonos y

cM corresponde al peso

molecular ambos relacionados a la especie química c .


Cabe resaltar que, el alcohol isoamílico al ser obtenido del aceite fusel, tiene un

origen renovable y en consecuencia su valor de GWPi y GWP es igual a cero. [42]

- Potencial de Disminución de la Capa de Ozono (ODP): Este indicador se define

como la comparación entre la velocidad a la cual una unidad de masa de una

especie química c reacciona con el ozono para formar oxígeno molecular frente a

la velocidad a la cual el triclorofluorometano (CFC-11) reacciona con el ozono para

formar oxígeno molecular. Para que una especie química tenga un valor numérico

en el indicador ODP, es necesario que dicha especie permanezca en la atmósfera

el tiempo suficiente para alcanzar la estratósfera y también debe contener un átomo

de cloro o bromo [59]. Debido a que ninguna de las sustancias descritas en el

presente trabajo tiene halógenos, para todas las sustancias este indicador tiene un

valor de cero.

- Potencial de Oxidación Fotoquímica (PCOP): Este indicador también se conoce

como el potencial de formación de smog y se define como la comparación entre la

velocidad a la cual una unidad de masa de una especie química c reacciona con

un radical hidroxilo (OH•) frente a la velocidad a la cual una unidad de masa de

etileno reacciona con un radical hidroxilo (OH•) [59]. Para efectos del presente

trabajo, los valores de este indicador fueron tomados de la herramienta

computacional WAR [62] con base en la disponibilidad de información de la misma.

- Potencial de Acidificación o Potencial de Lluvia Ácida (AP): Este indicador se

define como la comparación entre la velocidad de liberación de iones H+ a la

atmósfera promovida por una especie química c frente a la velocidad de liberación

de iones H+ a la atmósfera promovida por el SO2 [59]. Dicho indicador para todas

las especies químicas descritas en el presente trabajo tiene un valor de cero. [42]

2. Indicadores de Sistema Globalmente Armonizado de Clasificación y Etiquetado

de Productos Químicos (GHS): El segundo grupo de indicadores ambientales está

relacionados con el Sistema Globalmente Armonizado (GHS) publicado por las

Naciones Unidas [63]. Dichos indicadores evalúan particularmente el impacto que

tienen las especies químicas en el agua y son:


- Factor de Bioconcentración (BCF): De acuerdo con el GHS [63], Serna [48] y

Narváez [42], el factor de bioconcentración se define como el resultado neto de la

absorción, transformación y eliminación de una sustancia por un organismo debido

a la exposición con el agua. Usualmente, el cálculo de este indicador se realiza

utilizando como referencia el coeficiente de reparto octanol/agua reportado como

log Kow. En el presente trabajo, fue empleada la expresión descrita por Narváez [42]

para su cálculo:

0 79 0 40cc owlog(BCF ) , log(K ) ,= − (2.13)

Donde, los coeficientes de reparto log cowK para todas las c especies químicas

reportadas, fueron determinados con la herramienta computacional QSAR Toolbox

[64]

- Factor de Degradabilidad Primaria (DP): Este indicador se refiere a la

descomposición de moléculas orgánicas en moléculas más pequeñas, CO2, agua

y sales. [63], [48], [42]. Normalmente, se estima a partir de datos de degradabilidad

primaria publicados en un tiempo de 28 días, medidos de acuerdo con los

procedimientos definidos en las guías de pruebas de biodegradabilidad (A-F) de la

OCDE 301 [63] o a partir de la relación BOD5/COD [42].

En el presente documento, la degradabilidad primaria fue estimada para cada una

de las c especies químicas utilizando la herramienta BIOWIN 5, la cual viene

integrada al módulo computacional llamado EPI SUITE [65] y establece, mediante

un modelo lineal, la probabilidad de biodegradación (cD ) con base en el test de

biodegradación aeróbica OCDE 301-C del Ministerio de Industria y Comercio de

Japón. A pesar de que la herramienta EPI SUITE también tiene un modelo no lineal

para estimar la probabilidad de biodegradación, denominado BIOWIN 6; fue

seleccionado el modelo lineal debido a una mejor validación externa de los

resultados obtenidos frente al modelo no lineal [66].


La expresión para determinar el indicador PD se describe a continuación:

1

c

c

DPD

= (2.14)

- Potencial de Toxicidad Acuática Aguda (AATP): Este indicador se define como

la propiedad intrínseca que tiene una especie química c para provocar efectos

nocivos en los organismos acuáticos tras un periodo de exposición corto.

Normalmente se utiliza como referencia la concentración letal LC50 a 96 horas sobre

peces, la concentración efectiva EC50 a 48 horas sobre crustáceos o la

concentración efectiva EC50 a 72 o 96 horas sobre algas. [63], [42], [48].

En el presente trabajo, el indicador AATP fue calculado para cada especie química

utilizando como referencia el LC50 a 96 horas para la especie de peces Pimephales

Promelas (Fathead Minnows). Esta especie fue seleccionada debido a su gran

aceptación universal como indicador acuático y a su disponibilidad de información

[61]. Cabe resaltar que, todos los valores de LC50 reportados en este documento

fueron tomados de la herramienta computacional TEST desarrollada por EPA [67]

y la expresión matemática para calcular el indicador corresponde a:

50

1

c

cAATPLC

= (2.15)

- Potencial de Toxicidad Acuática Crónica (CATP): Este indicador se define como

la propiedad que tiene una especie química c para provocar efectos nocivos en los

organismos acuáticos, durante exposiciones determinadas, con relación al ciclo de

vida del organismo [63], [42], [48]. Para determinar el valor numérico de este

indicador es posible utilizar las concentraciones sin efectos observados (NOEC) o

concentraciones efectivas equivalentes (ECx) sobre las fases tempranas en la vida

de los peces (OCDE 210), reproducción de la Dafnia (OCDE 211) o inhibición del

crecimiento de algas (OCDE 201).


Para efectos del presente trabajo, el indicador CATP fue calculado con la

concentración efectiva media EC50 a 96 horas en algas verdes estimado utilizando

la herramienta computacional ECOSAR desarrollada por EPA [68]. La expresión

para determinar el indicador CATP se describe a continuación:

50

1

c

cCATPEC

= (2.16)

3. Potencial de Origen Renovable (Or): Este indicador constituye el último grupo de

indicadores ambientales utilizados y fue propuesto por Serna [48] y Narváez [42]. En

términos generales, rmOr es un indicador binario que indica si las materias primas

utilizadas en la reacción química son de origen renovable o no. Tiene un valor de cero

para las materias primas de origen renovable y un valor de uno para las materias primas

de origen no renovable. En caso de presentar materias primas de origen renovable y no

renovable, el valor normalizado se calcula como la fracción másica de la materia prima

respecto al total de la masa alimentada en la reacción:

1

RM

rm rm

rm

Or x Or=

= (2.17)

Debido a que el alcohol isoamílico es de origen renovable, el cálculo del indicador se

limitó a determinar la fracción másica solo de los ácidos carboxílicos, ya que éstos

últimos se asumen que son de origen no renovable. Sobresale que, para cada una de

las reacciones químicas asociadas a los 18 ésteres estudiados, se estableció una

relación molar estequiométrica con fines comparativos.

Una vez definidos los indicadores ambientales utilizados en el presente documento, se

establecieron las expresiones para realizar su normalización; en este caso, dichas

expresiones fueron tomadas de Serna [48] y Narváez [42], las cuales a su vez se basan

en el trabajo de Srinivasan [60] donde fueron definidas con base en los potenciales de

impacto ambiental (PEI) de 1.710 compuestos químicos y el teorema de Chebyshev.


Las expresiones se resumen a continuación:

( )

1

2

TC

c,I

cr ,I

r Tr I

GWPGWP

ODPODP

PCOPPCOP Potencial

AP APPotencial C

BCF BCF

DPDP

AATPAATP

= = +

(2.18)

( )

112

TC

c,I

cr ,I

r Tr I

Potencial

CATP CATPPotencial C

= = − +

(2.19)

Donde, r ,I corresponde al indicador normalizado respecto a la reacción r y al indicador

I ; c,IPotencial corresponde al valor del indicador I para cada una de las c especies

químicas asociadas a la reacción r ; ( )r I

Potencial corresponde al valor promedio de los

indicadores de las c especies químicas asociadas a la reacción r , corresponde a la

desviación estándar de los indicadores de las c especies químicas asociadas a la reacción

r y TC corresponde al número total de especies químicas c asociadas a la reacción

química r .

Es importante resaltar que, al utilizar el valor promedio de todos los indicadores para todos

los componentes de la reacción r , la normalización de los indicadores se realiza

asumiendo que todas las especies químicas tienen la misma importancia relativa. [42], [48]

Debido a que varios indicadores ambientales comparten la misma expresión de

normalización y se calculan de forma similar, solamente se describe el cálculo para el

potencial de calentamiento global (GWP), el potencial de Toxicidad Acuática Aguda (AATP)

y el potencial de origen renovable (OR) para el caso ejemplo; en este caso, el acetato de

isoamilo. Es necesario tener en cuenta que, con base en lo descrito previamente, los

indicadores ambientales normalizados para la disminución de la capa de ozono (ODP) y

acidificación (AP) tienen un valor de cero.


A partir de los datos descritos en la Tabla 12 es posible calcular los indicadores

ambientales normalizados para el caso del acetato de isoamilo. Para el cálculo del

indicador GWP normalizado el primer paso es reemplazar el número de carbonos y el peso

molecular de ácido carboxílico y del éster de isoamilo en la expresión (2.11) de forma

análoga a lo descrito en la expresión (2.20) para el ácido acético:

44 2

1 4760

i ác.áceticoGWP ,−

= = (2.20)

Tabla 12. Propiedades para determinación de indicadores ambientales. Acetato de Isoamilo


Nombre Ácido

Acético Alcohol


Agua

Número de Carbonos 2 5 7 0


Potencial de Disminución de la Capa de Ozono (ODP)

0 0 0 0

Potencial de Oxidación Fotoquímica (PCOP) - WAR [62]

0,187 0,86 0,284 0

Potencial de acidificación (AP) 0 0 0 0

Coeficiente de reparto octanol/agua (Log Kow) - QSAR Toolbox [64]

-0,17 1,16 2,25 0

Potencial de Biodegradación BIOWIN 5 [65]

0,715 0,660 0,718 1,00

Concentración letal LC50

a 96 horas (mg/L)

Especie: Peces Pimephales Promelas TEST [67]

83,48 307,75 44,43 0

Concentración efectiva media EC50

a 96 horas (mg/L) Especie: Algas Verdes

ECOSAR [68]

4403,03 99,84 10,07 0

Fuente: Autor

Dado que el agua no tiene átomos de carbono el valor de GWPi y de GWP es igual a cero

para esta sustancia al igual que para el alcohol isoamílico, cuyo origen renovable también

ocasiona un valor de cero en el GWPi y el GWP.


Luego de tener los valores de GWPi para el ácido y el éster, se calcula el valor de GWP

para los mismos utilizando la expresión (2.12):

1

0 681 47

ác.acéticoGWP ,,

= = (2.21)

Posteriormente se calcula el promedio y la desviación estándar de los valores de GWP

obtenidos incluyendo el valor de cero del alcohol y el agua. En este caso, el promedio tiene

un valor numérico de 0,28 y la desviación estándar 0,34. Finalmente, con estos resultados

se obtiene el indicador normalizado GWP reemplazando en la expresión (2.18):

0 68 0 0 42 0

0 2910 28 2 0 34 4

, ,GWP ,

, ( , )

+ + += =

+ (2.22)

Para el cálculo del indicador normalizado AATP, el primer paso es reemplazar para cada

sustancia, la concentración letal LC50 a 96 horas para la especie de peces Pimephales

Promelas en la expresión (2.15) de forma análoga a lo descrito en la expresión (2.23) para

el ácido acético:

211 20 10

83 48ác acéticoAATP ,

,

−

− = = (2.23)

Dado que son organismos acuáticos, el agua no tiene un valor de concentración letal LC50,

por tal razón, su valor de AATP es cero.

Posteriormente se calcula el promedio y la desviación estándar de los valores de AATP

obtenidos incluyendo el valor de cero del agua. En este caso, el promedio tiene un valor

numérico de 39 43 10, − y la desviación estándar 21 01 10, − . Finalmente, con estos

resultados se obtiene el indicador normalizado AATP reemplazando en la expresión (2.18)

:

2 3 2

3 2

1 20 10 3 25 10 2 25 10 00 319

9 43 10 2 1 01 10 4

, , ,AATP ,

, ( , )

− − −

− −

+ + += =

+

(2.24)


Finalmente, para el cálculo del indicador normalizado Or, el primer paso es calcular la

fracción másica del ácido carboxílico, en este caso, el ácido acético. Asumiendo una

relación molar estequiométrica, se tiene una relación 1:1 molar entre el ácido acético y el

alcohol isoamílico. En consecuencia, utilizando el peso molecular de cada uno se tiene

que:

60

0 40560 88

ác acético

gx ,

( )g− = =

+ (2.25)

Y dado que el ácido acético es de origen no renovable el valor de Or es uno. En

consecuencia, reemplazando en la expresión (2.17) se tiene que:

0 405 1 0 405OR , ,= = (2.26)

2.1.3.3 Indicadores Sociales

Los indicadores sociales definidos en el presente trabajo se dividen en dos grupos:

1. Indicadores de seguridad: Estos indicadores fueron tomados de los trabajos de Serna

[48] y Narváez [42], los cuales a su vez provienen del desarrollo realizado por parte de

Srinivasan [60], y buscan evaluar la seguridad de acuerdo con dos clasificaciones:

a) Naturaleza de las especies químicas: Dentro de esta clasificación se tienen los

siguientes indicadores:

o Explosividad (Ex): La explosividad se define como la tendencia que tiene

cada una de las especies químicas c para formar mezclas explosivas en el

aire [60], [48]. Es calculada a partir de la diferencia entre los límites de

explosividad superior (UEL) e inferior (LEL) para cada compuesto:

c c cEx UEL LEL= − (2.27)


Su normalización está definida con base en la siguiente expresión definida

por Srinivasan [60]:

1 100

TC

c

c T

ExEx

C=

= (2.28)

DondecEx corresponde a la explosividad de la c especie química y

TC es

el número total de especies o compuestos químicos.

Para el presente trabajo, los valores de explosividad superior UEL e inferior

LEL reportados en la literatura se encontraban limitados solamente a unas

cuantas sustancias. Por tal razón, para aquellas sustancias donde no fue

posible obtener los valores de UEL y LEL a partir de fuentes bibliográficas,

estos fueron estimados a partir de las metodologías descritas por Hanley

[69] para el UEL y por Hshieh [70] para el LEL. Dichas metodologías fueron

seleccionadas debido a que ya han sido aplicadas en la literatura para la

estimación de UEL y LEL de acuerdo con lo publicado por Dong-Myeong

[71], utilizando como referencia la entalpía de combustión [72].

o Reactividad (Rx): La reactividad se define como la capacidad que tiene

una especie química c para reaccionar químicamente en presencia de

otras sustancias químicas [60], [48]. Se cuantifica a partir de la clasificación

dada por la norma NFPA 704 donde cero representa que la especie química

no tiene ninguna reactividad y cuatro representa que la especie química

podría detonar o descomponerse en mezclas explosivas a condiciones

ambiente [73].



1 4

TC

c

c T

RxRx

C=

= (2.29)


DondecRx corresponde al valor de reactividad de la c especie química y

TC es el número total de especies o compuestos químicos. Para el presente

trabajo, los valores de reactividad fueron tomados de fichas de seguridad

disponibles para las sustancias químicas.

o Inflamabilidad (Fx): La inflamabilidad se define como la facilidad que tiene

una especie química c para quemarse o encenderse en el aire [60], [48].

Se cuantifica a partir de la clasificación dada por la norma NFPA 704 donde

cero representa que la especie química no arderá y cuatro representa que

la especie química podría arder a menos de 25 °C [73].



1 4

TC

c

c T

FxFx

C=

= (2.30)

DondecFx corresponde al valor de inflamabilidad de la c especie química

y TC es el número total de especies o compuestos químicos.

Para el presente trabajo, los valores de inflamabilidad fueron tomados de

fichas de seguridad disponibles para las sustancias químicas.

b) Condiciones de operación: El segundo grupo de indicadores de seguridad está

relacionado con las condiciones a las cuales se realiza una reacción química

determinada. Dentro de esta clasificación se tienen los siguientes indicadores:

o Temperatura de Reacción (Tr): Para analizar la temperatura de reacción

como un indicador normalizado, dicha temperatura fue escalada en un

rango de cero a uno utilizando una distribución de frecuencias de

temperaturas para reacciones comunes [60]. La expresión de normalización

definida por Srinivasan [60] corresponde a:


( )

( )

0 005 0 125

0 020 0 500

1 25

1 25

r

r

, T ,

r

r , T ,

r

e ;T CT

e ;T C

− −

−

− =

−

(2.31)

Donde rT corresponde al valor de la temperatura de reacción. En el

presente trabajo, las temperaturas de reacción empleadas fueron tomadas

de la literatura.

o Presión de Reacción (Pr): Para analizar la presión de reacción como un

indicador normalizado, dicha presión fue escalada en un rango de cero a

uno utilizando una distribución de frecuencias de presiones para reacciones

comunes [60]. La expresión de normalización definida por Srinivasan [60]

corresponde a:

( )

( )

0 03 1

5 00 1

1 1

1 1

r

r

, P

r

, P

r

e ; P atmPr

e ; P atm

− −

−

− =

−

(2.32)

Donde rP corresponde al valor de la presión de reacción. En el presente

trabajo, todas las reacciones químicas se llevaron a cabo a presión

atmosférica (1 atm).

o Entalpía o Calor de Reacción (ΔHr): Para analizar la entalpía de reacción

como un indicador normalizado, dicha entalpía fue escalada en un rango de

cero a uno utilizando una distribución de frecuencias de entalpías de

reacción para reacciones comunes [60]. La expresión de normalización

definida por Srinivasan [60] corresponde a:

5 2

11

1 4 45 10 r

Hr, H−

= −+

(2.33)

Donde rH corresponde al valor de variación en la entalpía de reacción.


Para el presente trabajo, los valores de entalpía de reacción reportados en

la literatura se encontraban limitados solamente a unas cuantas sustancias.

Por tal razón, con el ánimo de mantener un indicador comparativo entre los

18 ésteres, todas las entalpías de reacción reportadas fueron determinadas

a partir de las entalpías de formación en el estado estándar (1 atm y 25 °C)

[42]:

0 0 0

c cr c f c f

productos reactivos

H H H = − (2.34)

Donde 0

rH corresponde al valor de la variación de la entalpía de reacción

en el estado estándar, c es el coeficiente estequiométrico de la especie

química c y 0

cfH corresponde a la entalpía de formación en el estado

estándar para cada especie química c .

Para aquellas sustancias líquidas donde no fue posible obtener los valores

de la entalpía de formación en el estado estándar a partir de fuentes

bibliográficas, como gran parte de los ésteres de isoamilo y algunos ácidos

carboxílicos, dichas entalpías fueron estimadas a partir de la definición de

la entalpía de vaporización [74]:

0 0 0

c c cvap f fH H (gas) H ( líquido) = − (2.35)

En consecuencia,

0 0 0

c c cf f vapH (líquido) H (gas) H = − (2.36)

Donde, las entalpías de formación como gas ideal en el estado estándar

0

fH (gas) fueron estimadas utilizando el software especializado Aspen Plus

® [75] y las entalpías de vaporización en el estado estándar fueron

estimadas utilizando el método de contribución de grupos descrito por

Kolská [76].


o Conversión (X): La conversión corresponde a una medida de la cantidad

de materia prima necesaria para alcanzar una producción determinada. El

indicador normalizado fue establecido con base en lo descrito por

Srinivasan [60]:

100

100

rXXr

−= (2.37)

Para el presente trabajo, las conversiones utilizadas fueron tomadas de

datos de síntesis reportados en la literatura.

2. Indicadores de salud ocupacional: El segundo grupo de indicadores sociales está

compuesto por tres indicadores relacionados con la salud ocupacional. Análogo al

primer grupo, estos indicadores han sido tomados de Serna [48] y Narváez [42], los

cuales a su vez provienen del desarrollo realizado por parte de Young y Cabezas [60]:

- Potencial de Toxicidad Humana por Ingestión (HTPI): De acuerdo con Young y

Cabezas [60], este indicador se calcula a partir de la siguiente expresión:

50

1c

c

HTPILD

= (2.38)

Donde, 50cLD corresponde a la dosis letal 50 % en ratas en mg/kg. En el presente

trabajo, los valores de 50cLD para cada una de las c especies químicas fueron

tomados de la herramienta computacional TEST desarrollada por EPA [67].

Por otro lado, la expresión para obtener el indicador normalizado HPTI

corresponde a la misma ecuación (2.19).

- Potencial de Toxicidad Humana por Inhalación (HTPE): De acuerdo con Young

y Cabezas [60], este indicador se calcula a partir de la siguiente expresión:

1

c

c

HTPETLVTWA

= (2.39)


Donde, cTLVTWA corresponde al límite de exposición ponderado por tiempo para

la especie química c . En el presente trabajo, los valores de cTLVTWA fueron

tomados de las fichas de seguridad de cada especie química con base en la

disponibilidad de información.

Por otro lado, la expresión para obtener el indicador normalizado HPTE

corresponde a la misma ecuación (2.19).

- Toxicidad (Tx): La toxicidad se define como la capacidad de una especie química

para ocasionar daños contra la salud o la vida de un organismo vivo al entrar en

contacto con él [60]. Se cuantifica a partir de la clasificación de salud dada por la

norma NFPA 704 donde cero representa que la especie química no representa

ningún peligro contra la salud y cuatro representa que la especie química, en un

periodo muy corto de tiempo, podría ocasionar lesiones graves e inclusive la muerte

[73]. Su normalización está definida con base en la siguiente expresión definida por

Srinivasan [60]:

1 4

TC

c

c T

TxTx

C=

= (2.40)

Donde cTx corresponde al valor de toxicidad de la c especie química y

TC es el

número total de especies o compuestos químicos.

Para el presente trabajo, los valores de toxicidad fueron tomados de fichas de

seguridad disponibles para las sustancias químicas.

Las propiedades necesarias para calcular cada uno de los indicadores sociales para el

caso ejemplo, el acetato de isoamilo, se describen en la Tabla 13. Debido a que la mayoría

de indicadores sociales se calculan de forma similar a los indicadores ambientales

previamente explicados, se ilustra solamente como ejemplo el cálculo del indicador de

toxicidad.


El cálculo del indicador normalizado de toxicidad Tx se realiza reemplazando para cada

sustancia, el valor de toxicidad o salud reportado por la NFPA 704 en la expresión (2.40):

2 1 1 0

0 254 4

Tx ,+ + +

= =

(2.41)

Tabla 13. Propiedades para determinación de indicadores sociales. Acetato de Isoamilo


Nombre Ácido

Acético Alcohol


Agua

Límite de explosividad superior (UEL) Pohanish [37]

19,9 9 7,5 0

Límite de explosividad inferior (LEL) Pohanish [37]

4 1,2 1 0

Reactividad - NFPA 704 Pohanish [37]

2 0 0 0

Inflamabilidad - NFPA 704 Pohanish [37]

2 2 3 0

Temperatura de reacción (°C) González [40]

90

Presión de reacción (atm) González [40]

1

Conversión de reacción González [40]

99

Dosis letal 50 %(LD50) en ratas (mg/kg) TEST [67]

3308,15 1301,13 16620,51 0

Límite de exposición ponderado por tiempo (TLVTWA) - ppm

Pohanish [37] 10 100 100 0

Toxicidad – Salud - NFPA 704 Pohanish [37]

2 1 1 0

Fuente: Autor


Selección Final

Una vez descrito el análisis de factores para uno de los 18 ésteres de la Tabla 10; en este

caso, el acetato de isoamilo, se aplicó la misma metodología para los 17 ésteres restantes

y se obtuvieron los resultados reportados en la Tabla 14. Es importante resaltar que, esta

última tabla tiene un éster adicional numerado como cero y corresponde al acetato de etilo,

el cuál fue estudiado en los trabajos de Serna [48] y Narváez [42] y para efectos del

presente trabajo fue calculado como comprobante para determinar que todos los

indicadores normalizados de los ésteres de isoamilo fueran correctos. Los resultados

obtenidos demuestran una buena correspondencia con la literatura [42], [48].

Adicionalmente, la Tabla 14 no reporta resultados para los indicadores ODP y AP, ya que

su valor para todas las sustancias trabajadas corresponde a cero; es decir, no aplican para

las sustancias involucradas.

Luego de conocer los resultados de cada indicador normalizado para cada éster de

isoamilo (Ver Tabla 14) fue necesario realizar el cálculo de un índice acumulativo, el cuál

es el que finalmente permite comparar, clasificar y conocer cuáles de los ésteres del

alcohol isoamílico son los que presentan mayor interés o factibilidad y para efectos del

presente trabajo, son los que se definen como ésteres principales del alcohol isoamílico.

El indicador acumulativo utilizado corresponde a una modificación del índice acumulativo

definido por Srinivasan [76] y publicado por Serna [48] y Narváez [42]:

1 1 1

A S H

ambiental seguridad s.ocupacional

a s h

CI Indicador Indicador Indicador VAT= = =

= + + − (2.42)

Donde CI es el indicador acumulativo, 1

A

ambiental

a

Indicador=

corresponde a la sumatoria de

los indicadores ambientales, 1

S

seguridad

s

Indicador=

corresponde a la sumatoria de los

indicadores de seguridad respecto a la naturaleza de las especies químicas y las

condiciones de proceso, 1

H

s.ocupacional

h

Indicador=

corresponde a la sumatoria de los

indicadores de salud ocupacional y VAT es el indicador económico normalizado.


Tabla 14. Análisis de Factores – Ésteres de Isoamilo - Tabla 10

Éster de Isoamilo – Numerados con base en la Tabla 10

Indicador Normalizado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

VAT 0,47 0,61 0,70 0,71 0,56 0,63 0,75 0,90 0,64 0,56 0,51 0,96 0,54 0,53 0,38 0,53 0,54 0,67 0,70

GWP 0,30 0,29 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,27 0,30 0,30 0,30 0,29 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30 0,30

PCOP 0,36 0,31 0,20 0,20 0,29 0,20 0,20 0,20 0,20 0,27 0,30 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,27 0,20 0,20

BCF 0,27 0,23 0,21 0,20 0,21 0,21 0,21 0,27 0,20 0,21 0,21 0,31 0,20 0,20 0,21 0,20 0,21 0,20 0,21

DP 0,55 0,75 0,69 0,69 0,75 0,64 0,75 0,75 0,75 0,69 0,69 0,75 0,75 0,75 0,70 0,61 0,75 0,69 0,75

AATP 0,30 0,32 0,21 0,20 0,23 0,21 0,26 0,25 0,21 0,21 0,21 0,27 0,25 0,25 0,26 0,23 0,23 0,21 0,21

CATP 0,80 0,78 0,80 0,80 0,79 0,80 0,80 0,75 0,80 0,79 0,80 0,71 0,80 0,80 0,80 0,80 0,79 0,79 0,80

Or 0,57 0,41 0,54 0,58 0,50 0,63 0,66 0,34 0,57 0,50 0,54 0,51 0,69 0,62 0,67 0,61 0,46 0,61 0,54

Ex 0,10 0,08 0,04 0,04 0,05 0,04 0,04 0,13 0,05 0,05 0,04 0,06 0,04 0,03 0,04 0,04 0,05 0,04 0,04

Rx 0,13 0,13 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,06 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Fx 0,50 0,44 0,38 0,25 0,38 0,25 0,25 0,44 0,31 0,38 0,31 0,25 0,25 0,25 0,25 0,25 0,38 0,25 0,38

Tr 0,20 0,28 0,10 0,35 0,30 0,44 0,12 0,30 0,35 0,30 0,35 0,33 0,35 0,12 0,31 0,24 0,31 0,26 0,12

Pr 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

Hr 0,00 0,00 0,02 0,00 0,00 0,02 0,02 0,00 0,01 0,00 0,01 0,00 0,05 0,00 0,03 0,00 0,00 0,00 0,00

X 0,02 0,01 0,13 0,10 0,01 0,05 0,66 0,09 0,15 0,06 0,03 0,15 0,20 0,40 0,11 0,17 0,01 0,60 0,20


Éster de Isoamilo – Numerados con base en la Tabla 10

Indicador Normalizado 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

HTPI 0,59 0,71 0,64 0,66 0,68 0,67 0,74 0,67 0,67 0,75 0,65 0,69 0,76 0,75 0,70 0,64 0,68 0,64 0,67

HTPE 0,79 0,76 0,80 0,80 0,80 0,78 0,80 0,79 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,80 0,78 0,80 0,80

Tx 0,19 0,25 0,25 0,19 0,38 0,19 0,19 0,38 0,25 0,25 0,25 0,19 0,19 0,25 0,25 0,31 0,25 0,31 0,31

Fuente: Autor

Es importante resaltar que, para efectos del presente trabajo, cada uno de los indicadores descritos en la Tabla 15 tiene la misma importancia o peso evaluativo. No obstante, el análisis actual podría complementarse en un trabajo futuro implementando metodologías más robustas como el Proceso de Jerarquía Analítica o el modelo DEMATEL, los cuales permiten variar la importancia o peso evaluativo de cada indicador [48].

Tabla 15. Resultado - Sumatorias – Índice Acumulativo

Aspecto 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

VAT 0,47 0,61 0,70 0,71 0,59 0,63 0,75 0,90 0,64 0,56 0,51 0,96 0,54 0,53 0,38 0,53 0,54 0,67 0,70

1

A

ambiental

a

Ind.=

3,14 3,08 2,94 2,98 3,07 2,98 3,18 2,84 3,03 2,97 3,04 3,03 3,19 3,12 3,14 2,95 3,01 3,01 3,00

1

S

seguridad

s

Ind.=

0,95 0,93 0,72 0,74 0,73 0,79 1,09 0,97 0,86 0,78 0,74 0,86 0,89 0,80 0,74 0,70 0,75 1,15 0,73

1

H

s.ocupacional

h

Ind.=

1,57 1,72 1,69 1,64 1,85 1,63 1,73 1,84 1,72 1,80 1,70 1,68 1,75 1,80 1,75 1,75 1,71 1,76 1,79

CI 5,19 5,12 4,65 4,65 5,06 4,78 5,24 4,75 4,98 4,99 4,97 4,61 5,29 5,20 5,25 4,87 4,93 5,25 4,83

Fuente: Autor


Los resultados de evaluar las sumatorias y hallar el índice acumulativo se resumen en la

Tabla 15. De acuerdo con Serna [48] y Narváez [42], cuanto mayor sea el valor del índice

acumulativo, menos atractiva será la reacción o en este caso, el éster de isoamilo. Por tal

razón, con el ánimo de clasificar los ésteres de isoamilo en orden de importancia fue

realizada la Tabla 16.

.

A partir de los resultados obtenidos en la Tabla 16, el lactato de isoamilo se constituye

como el éster más importante o factible de producir desde la dimensión económica,

ambiental y social y el laurato de isoamilo es el éster que menor importancia presenta. Esto

se encuentra justificado en que, para el caso del lactato de isoamilo, el valor agregado

presenta una rentabilidad de alrededor del 96 % y para el caso del laurato de isoamilo, el

valor de los indicadores limita la obtención de una buena rentabilidad y un buen indicador

acumulado. Por tal razón, a pesar de la gran utilidad que tiene el análisis de factores para

tener una idea inicial sobre cuáles serían los productos más importantes a producir a partir

de una materia prima, en este caso, el alcohol isoamílico, es un análisis cuyo éxito se

encuentra sujeto a la disponibilidad de información de las sustancias que se desean

producir y a un posterior análisis sobre los esquemas de proceso asociados a la producción

de cada éster.

Tabla 16. Ésteres de isoamilo - Orden de Importancia - Índice Acumulativo

No. Éster de Isoamilo Índice Acumulativo - CI

1 Lactato de Isoamilo 4,61

2 2-metilbutirato de Isoamilo 4,65

3 Benzoato de Isoamilo 4,65

4 Formiato de Isoamilo 4,75

5 Cinamato de Isoamilo 4,78

6 Valerianato de Isoamilo 4,83

7 Fenilacetato de Isoamilo 4,87

8 Propanoato de Isoamilo 4,93

9 Isovalerianato de Isoamilo 4,97

10 Caproato de Isoamilo 4,98

11 Isobutirato de Isoamilo 4,99

12 Butirato de Isoamilo 5,06

13 Acetato de Isoamilo 5,12

14 Caprilato de Isoamilo 5,20

15 Caprato de Isoamilo 5,24

16 p-Metoxicinamato de Isoamilo 5,25

17 Salicilato de Isoamilo 5,25

18 Laurato de Isoamilo 5,29

Fuente: Autor


Una vez conocidos y clasificados los ésteres principales del alcohol isoamílico corresponde

definir el tipo de proceso para llevar a cabo su producción; ya que hasta el momento no se

han abordado los esquemas de proceso ni sus costos asociados. Para esto resulta

importante contar con la siguiente información: a) cantidad disponible de materia prima

para definir si el proceso se realizará en continuo o por lotes, b) cinética química y equilibro

de fases para cada reacción de Fischer asociada a cada éster de isoamilo, con el ánimo

de definir condiciones de operación y modelar esquemas de proceso lo más cercanos

posible a la realidad y c) información sobre esquemas de proceso ya realizados en la

literatura que sirvan como base de diseño para su implementación directa o con

modificaciones de acuerdo con los objetivos de proceso deseados.

Debido a la poca disponibilidad de información relacionada con cinéticas químicas,

equilibrios de fases así como condiciones de operación para los 18 ésteres de isoamilo, el

análisis de esquemas de proceso para el presente trabajo fue realizado solamente para

ocho de los 18 ésteres publicados en la Tabla 16 y se resumen en la Tabla 17

Tabla 17. Ésteres de isoamilo - Análisis de Esquemas de Proceso

No. Éster de Isoamilo Índice Acumulativo - CI


2 Benzoato de Isoamilo 4,65



5 Butirato de Isoamilo 5,06


7 Salicilato de Isoamilo 5,25


Fuente: Autor

Dada la extensión del tema, el análisis de esquemas de proceso será abordado en el

próximo capítulo. Sobresale que, a pesar de que algunos ésteres no serán analizados en

las secciones posteriores, los resultados de los índices acumulativos obtenidos en la Tabla

16 funcionan como referencia para futuras investigaciones relacionadas con el alcohol

isoamílico y la producción puntual de cada uno de estos ésteres y el análisis de esquemas

de proceso descrito a continuación podrá complementarse posteriormente cuando la

disponibilidad de información sea mayor.

3. Análisis de Esquemas de Proceso

Una vez definidos los ésteres de isoamilo de interés corresponde establecer cuáles

esquemas de proceso aplican y son factibles para su producción debido a que, hasta el

momento, no se han tenido en cuenta condiciones de proceso ni costos asociados. El

capítulo tres inicia con un breve contexto sobre los esquemas de proceso más comunes

asociados a la producción de ésteres para luego definir cuáles de dichos procesos son los

que se consideran aptos en la producción de cada uno de los ésteres de isoamilo de

interés. Luego, se resumen las condiciones de diseño asociadas a cada proceso para

finalmente evaluar su factibilidad técnica utilizando la herramienta computacional Aspen

Plus ® [75]. El análisis económico de proceso se realiza a partir de la evaluación técnica

de cada esquema y se aborda en el capítulo cuatro junto con la definición de redes de

proceso.

3.1 Selección de Tipo de Proceso

El primer paso para realizar un análisis de esquemas de proceso consiste en estudiar la

materia prima disponible; en este caso, el alcohol isoamílico, debido a que a partir de allí

es posible seleccionar entre un proceso por lotes o un proceso continuo [42]. En el presente

trabajo se realizó un análisis de materia prima disponible con base en los datos actuales

reportados en Colombia y se resume en la Tabla 18.

De acuerdo con Fedebiocombustibles [11], en los últimos cinco años Colombia ha

presentado una producción promedio de 410,37 millones de litros de bioetanol. Conforme

a lo descrito por Montoya [34], por cada mil litros de bioetanol se forman entre uno a once

litros de aceite fusel. Combinando la producción promedio de bioetanol de los últimos cinco

años y partiendo de una relación de cinco litros de aceite fusel por cada mil litros de

bioetanol, se obtiene una disponibilidad estimada de aceite fusel levemente superior a los

Capítulo 3. Análisis de Esquemas de Proceso 59

dos millones de litros en un año. Teniendo en cuenta que la densidad promedio del aceite

fusel corresponde a 0,8282 g/mL [34], la disponibilidad de aceite fusel corresponde a

1.699.272,7 kilogramos. Por otro lado, de acuerdo con la caracterización descrita

previamente en el capítulo dos, el alcohol isoamílico representa en promedio cerca del 70,8

(%p) del aceite fusel. En consecuencia, la disponibilidad actual de alcohol isoamílico es

ligeramente superior a 1.200.000 kilogramos en un año.

Tabla 18. Análisis de disponibilidad de materia prima (Alcohol Isoamílico) en Colombia.

Año 2013 2014 2015 2016 2017

Producción Bioetanol (Millones de Litros)

Fedebiocombustibles [11] 387,85 406,46 456,40 434,43 366,75

Producción promedio Bioetanol (Millones de Litros)

410,37

Relación de Formación Litros Aceite Fusel - Litros de Etanol

5:1000

Aceite Fusel Disponible (Litros)

2.051.890

Densidad promedio – Aceite Fusel (g/mL)

Montoya [34] 0,8282

Aceite Fusel Disponible (Kilogramos)

1.699.272,7

Alcohol Isoamílico (%p) Montoya [34]

70,8

Alcohol Isoamílico Disponible (Kilogramos)

1.203.906,4

Porcentaje Utilizable 85%

Alcohol Isoamílico Utilizable (Toneladas)

1.023,32

Horas de trabajo al año 8.000

Flujo de trabajo (kg/h)

127,92

Fuente: Autor

Debido a que la disponibilidad de la materia prima es variable cada año y depende en gran

medida de factores climáticos, económicos y sociales, se estableció que solamente el 85

% del alcohol isoamílico disponible es el que se puede utilizar para su procesamiento. Por

consiguiente, el alcohol isoamílico utilizable actualmente corresponde a 1.023,32

toneladas métricas anuales.

60 Capítulo 3. Análisis de Esquemas de Proceso

De acuerdo con Skogestad [77], un proceso continuo típico opera 24 horas diarias durante

8.000 horas en un año y trabaja con flujos másicos que se encuentran generalmente en

un rango de 0,01 kg/s hasta 10 kg/s. Debido a que es posible procesar 1.023,32 toneladas

de alcohol isoamílico en un año, esto genera un flujo másico de trabajo de 127,92 kg/h o

0,036 kg/s. En consecuencia, es posible realizar el procesamiento del alcohol isoamílico

para la producción de ésteres de isoamilo de forma continua, ya que la materia prima

disponible permite trabajar dentro del rango de operación usual para procesos continuos.

Con base en el flujo de trabajo descrito en la Tabla 18 fueron analizados los procesos

industriales de producción de ésteres de isoamilo que se describen a continuación.

3.2 Procesos Industriales de Producción

Los procesos industriales de producción de ésteres pueden clasificarse con base en dos

tipos de procesos: a) procesos secuenciales o convencionales (Ver Figura 12) o b)

procesos simultáneos (Ver Figura 13).

Figura 12. Procesos industriales secuenciales o convencionales Fuente: Adaptado de Prieto [78]

Figura 13. Procesos industriales simultáneos Fuente: Adaptado de Prieto [78]

Procesos Industriales Convencionales

Los procesos convencionales descritos en la Figura 12 son aquellos en los cuales la

reacción y separación se llevan a cabo en equipos diferentes, de forma secuencial y

generalmente hay presencia de reciclos que buscan mejorar el grado de conversión de las

materias primas en productos [31], [78]. De acuerdo con Durán [31], para el caso de los

ésteres, la conexión entre la zona de reacción y la zona de separación depende de las


propiedades de las sustancias involucradas en la reacción química; principalmente, de la

comparación entre los puntos de ebullición del éster y el agua [31]. Para efectos del

presente trabajo, estas propiedades se resumen en la Tabla 19.

Tabla 19. Ésteres de isoamilo de interés - Puntos de Ebullición

No. Éster de Isoamilo Temperatura de Ebullición - °C


2 Benzoato de Isoamilo 261



5 Butirato de Isoamilo 179


7 Salicilato de Isoamilo 278


Fuente: Autor

A partir de los datos descritos en la Tabla 19 es posible notar que los ésteres de isoamilo

de interés presentan un punto de ebullición mayor al del agua. En consecuencia, de

acuerdo con Durán [31], el esquema de procesamiento convencional para estos ésteres

debe estar compuesto de un reactor o tanque agitado y dos columnas de destilación. Dicho

esquema fue adaptado para las condiciones del presente trabajo y se visualiza en la Figura

14.

De acuerdo con la Figura 14, el esquema de procesamiento convencional utilizado en el

presente trabajo está compuesto de un alimento, principalmente ácido y alcohol, que se

precalienta e ingresa a un reactor agitado con remoción continua de vapor. Este vapor se

condensa y se separa en un decantador donde se obtiene una fase orgánica rica en alcohol

que retorna al reactor y una fase acuosa. Por su parte, la fase líquida obtenida en el reactor

contiene los productos y parte de los reactivos que no reaccionaron y se transporta a una

primera columna de destilación de la zona de separación o purificación donde se obtiene

por cima una mezcla compuesta principalmente por alcohol y agua y por fondo, una mezcla

de ácido y éster que posteriormente es separada en la columna de destilación número dos.

Las cimas de la columna uno y de la columna dos pasan cada una por un intercambiador

de calor y retornan a la misma temperatura de la reacción al reactor, con el ánimo de

aumentar la conversión y favorecer la formación de más productos, en este caso, éster y

agua.


Figura 14. Proceso Industrial de Producción - Esquema Convencional Fuente: Autor con base en lo descrito por Durán [31]

Cabe resaltar que, el esquema de producción industrial convencional descrito previamente

fue utilizado solo para cinco de los ocho ésteres de isoamilo debido a que: a) para estas

sustancias solamente se encontraban reportadas las cinéticas de reacción, b) son ésteres

que no presentan esquemas de proceso de producción industrial reportados y c) los tres

ésteres de isoamilo restantes han sido estudiados en la literatura mediante procesos

simultáneos de destilación reactiva que se describirán posteriormente. Los cinco ésteres

seleccionados para el esquema de producción industrial convencional se resumen en la

Tabla 20.

Tabla 20. Ésteres de Isoamilo – Producción Industrial Convencional

No. Éster de Isoamilo

1 Lactato de Isoamilo

2 Benzoato de Isoamilo

3 Caproato de Isoamilo

4 Laurato de Isoamilo

5 Salicilato de Isoamilo

Fuente: Autor

Por otro lado, es importante resaltar que la segunda columna de destilación separa el ácido

por la cima y el éster de isoamilo por fondo para la mayoría de los ésteres de isoamilo

descritos en la Tabla 20 excepto para el caso del lactato de isoamilo ya que el ácido láctico

tiene un punto de ebullición mayor que el del éster (Ver Tabla 21) y en consecuencia, el


lactato de isoamilo se obtiene por la cima y el ácido láctico no reaccionante que se recircula

al reactor por el fondo.

Tabla 21. Ácidos carboxílicos para ésteres de isoamilo de interés - Puntos de Ebullición

No. Éster de Isoamilo Temperatura de Ebullición - °C

1 Ácido Láctico 216,85

2 Ácido Benzoico 249,2

3 Ácido Caproico 205,8

4 Ácido Láurico 298,9

5 Ácido Salicílico 255,85

Fuente: Autor

Procesos Industriales Simultáneos

A diferencia de los procesos industriales convencionales, los procesos industriales

simultáneos constan de una unidad donde ocurre la reacción y la separación de manera

simultánea (Ver Figura 13). Generalmente, el proceso simultáneo que más interés

despierta en la producción de ésteres es la destilación reactiva debido a que es un proceso

que requiere un menor gasto energético, presenta una disminución en el número de

unidades de proceso y el grado de conversión es mayor en comparación con los procesos

convencionales [40], [79], [80].

A pesar de las numerosas ventajas, los esquemas de destilación reactiva pueden variar

significativamente para cada sistema reactivo y las propiedades de mezcla de las

sustancias involucradas [40], [79]. Por tal razón, el diseño de un esquema de destilación

reactiva para un sistema determinado requiere del estudio y establecimiento de diferentes

condiciones de proceso que permitan llegar a un proceso factible. Para efectos del

presente trabajo, realizar un diseño de destilación reactiva para cada uno de los ocho

ésteres de isoamilo de interés se encuentra fuera del alcance de trabajo; por tal razón,

solamente fueron analizados mediante procesos industriales simultáneos de destilación

reactiva, los sistemas de esterificación para el acetato de isoamilo, butirato de isoamilo y

propanoato de isoamilo, debido a que son sistemas que ya han sido diseñados, evaluados

y publicados en la literatura. No obstante, para estudios posteriores se sugiere realizar un

diseño y evaluación de la producción de los cinco ésteres de isoamilo de interés restantes

mediante procesos de destilación reactiva.


La Figura 15 describe el esquema de destilación reactiva convencional descrita por Luyben

[79] y utilizada en el presente trabajo. En dicho esquema, el reactivo liviano A es

alimentado en la sección inferior de la columna, pero no necesariamente en el fondo de la

columna. Asimismo, el reactivo pesado B es alimentado en la sección superior de la

columna, pero no necesariamente en la cima del equipo. La sección intermedia de la

columna es la zona reactiva y está compuesta por RxN etapas reactivas en las cuales, la

velocidad de reacción depende de la cinética de la reacción, la cantidad de catalizador, el

tiempo de residencia o el líquido retenido en cada etapa. Sobresale que, el flujo de vapor

al interior de la zona reactiva es diferente para cada etapa debido al calor de reacción [31],

[79].

Figura 15. Procesos Industriales Simultáneos - Destilación Reactiva Fuente: Adaptado de Luyben [79]


A medida que el reactivo A asciende a través de la columna reacciona con el reactivo B

que desciende y el producto con mayor volatilidad (C) se remueve rápidamente en la fase

de vapor mientras que el componente de menor volatilidad (D) se remueve rápidamente

en la fase líquida que fluye hasta el fondo de la columna.

La sección de la columna que se encuentra encima de la alimentación del reactivo B,

consta de RcN etapas, se denomina zona de rectificación y se encarga de purificar el

componente ligero (C) de todas las demás especies químicas pesadas. Asimismo, la

sección que se encuentra debajo de la alimentación del reactivo A se encarga de purificar;

en este caso, el componente pesado D de todos los componentes livianos, consta de StN

etapas y se denomina zona de despojamiento.

Generalmente, las variables que se manipulan para mantener la pureza de los productos

en un esquema como el descrito en la Figura 15 son el reflujo y el calor en el rehervidor.

Finalmente, dos de las variables de diseño más importantes en un proceso de destilación

reactiva son la presión de operación (P), y el líquido retenido (hold up) por etapa, ya que

afectan en mayor medida el comportamiento del proceso en comparación con los procesos

de destilación convencional.

3.3 Condiciones de Operación

Una vez definidos los esquemas de producción industrial que son aplicables a cada uno

de los ésteres de isoamilo de interés del presente trabajo, es necesario evaluar la

factibilidad de cada uno de acuerdo con unas condiciones de operación determinadas.

Dichas condiciones fueron obtenidas a partir de datos de la literatura y diseño por parte del

autor y se resumen a continuación:

Acetato de Isoamilo

Las condiciones de operación para el acetato de isoamilo se describen con base en la

siguiente información:


Tabla 22. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Acetato de Isoamilo

Modelo de Actividad: NRTL i , j

i , j i , j i , j i , j i , j

BG exp( ) A

T(K ) = − = +

Parámetros de Interacción Binaria

Componente i

Alcohol

Acetato

Alcohol

Ácido

Ácido

Ácido

Componente j Agua Agua Acetato Alcohol Acetato Agua

i , jA 2,7511 0 0 0 3,2596 -1,9763

j ,iA 4,1788 0 0 0 -6,9036 3,3293

i , jB (K ) -11,6046 511,8316 700,2695 542,4083 -997,4399 609,8886

j ,iB (K ) -255,8964 2082,929 -379,4592 -340,6272 3085,1691 -723,8881

i , j 0,4186 0,2 0,3 0,3 1,5864 0,3

Fuente: González [40]

Tabla 23. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Vapor - Acetato de Isoamilo

Modelo de Fugacidad: Hayden O’Connell

Componente Parámetro

Alcohol Isoamílico Ácido Acético Acetato de Isoamilo Agua

Momento Dipolar (Jxm3)0,5

5,6921x10-25 4,11096x10-25 5,69207x10-25 5,6921x10-25

Radio de Giro (m)

3,684x10-10 2,595x10-10 4,656x10-10 6,15x10-11

Presión Crítica (kPa)

3850,35 5785,66 2830 22048,3

Temperatura Crítica (K)

579,5 594,4 597 647,3


Componente Alcohol Isoamílico Ácido Acético Acetato de Isoamilo Agua

Alcohol Isoamílico 0,0 0,0 0,0 0,0

Ácido Acético 0,0 4,5 0,0 2,5

Acetato de Isoamilo 0,0 0,0 0,0 0,0

Agua 0,0 2,5 0,0 1,7

Fuente: Aspen Plus ® [75]


Tabla 24. Condiciones de Operación - Equipo Destilación Reactiva - Acetato de Isoamilo

Sección Variable Tipo Valor

Corrientes de Alimentación

Número Diseño Dos corrientes de alimentación, una para cada reactivo: ácido carboxílico y alcohol isoamílico

Temperatura Fija 112 °C para el Ácido Carboxílico 108 °C para el Alcohol Isoamílico

Composición Fija Relación Molar Alcohol - Ácido: 1,01833

Flujo* Fija 85,64 kg/h – Ácido Acético

127,92 kg/h - Alcohol Isoamílico

Columna - Rehervidor

Número de Etapas Fija 24

Número y Localización de

Etapas Reactivas Diseño

Etapa 5 a Etapa 19 con el modelo cinético descrito en la Tabla 25

Tiempo de Residencia

Diseño 150 segundos por cada etapa reactiva

Etapas de Alimentación

Diseño Ácido Carboxílico - Etapa 13 Alcohol Isoamílico - Etapa 3

Relación Destilado a Alimento

Diseño 0,74

Presión de Operación

Fija 1 atm

Caída de presión: 0 atm

Condensador - Decantador

Superior

Temperatura de salida en

condensador Fija Punto de burbuja

Presión Condensador -

Caída de Presión Fija

Presión de operación: 1 atm Caída de presión: 0 atm

Temperatura de Operación -Decantador

Superior

Fija 26 °C

Presión Decantador

Superior - Caída de Presión

Fija Presión de operación: 1 atm


Fuente: González [40]; * Adaptado por autor para el presente trabajo


Tabla 25. Modelo Cinético - Acetato de Isoamilo

Cinética Química

Modelo Pseudo-homogéneo

Expresión 0a C D

v A B

g Eq

E a ar k exp a a

R T K

= − −

Parámetros

4 5

06 20 10 8 88 10 ia

mix

kmolJE , k ,

mol kmol s= =

2 552 182 94 10eq

,K , exp

T(K )

= −

4 3

06 07 10 8 78 10' ' ia

mix

kmolJE , k ,

mol kmol s= =

Fuente: González [40]

Propanoato de Isoamilo

Las condiciones de operación para el propanoato de isoamilo se describen con base en la


Tabla 26. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Propanoato de Isoamilo


i , j i , j i , j i , j i , j

BG exp( ) A

T(K ) = − = +


Componente i

Ácido Propanoico

Alcohol Isoamílico


Ácido Propanoico

Alcohol Isoamílico

Ácido Propanoico

Componente j Agua Agua Agua Alcohol

Isoamílico Propanoato de Isoamilo


i , jA 2,3024 0,000 -0,6678 -2,8983 3,0773 0,2982

j ,iA -9,9452 0,000 10,9579 5,4540 -2,1470 0,6332

i , jB (K ) -881,0639 -8,4445 750,2023 977,7810 -867,9172 -175,2916

j ,iB (K ) 4549,1112 1846,1022 -872,1689 -2054,1623 696,1999 76,5417

i , j 0,47 0,30 0,20 0,47 0,30 0,47

Fuente: Leyva [30]


Tabla 27. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Vapor - Propanoato de Isoamilo

Modelo de Fugacidad: Hayden O’Connell

Componente Parámetro

Alcohol Isoamílico Ácido Propanoico Propanoato de Isoamilo

Agua

Momento Dipolar (Jxm3)0,5

5,8493x10-25 5,5365x10-25 5,8534x10-25 5,8493x10-25

Radio de Giro (m)

3,6360x10-10 3,1070x10-10 4,5753x10-10 6,1500x10-11

Presión Crítica (kPa)

3930,00 4668,00 2460,00 22064,00

Temperatura Crítica (K)

577,20 600,81 611,00 647,10


Componente Alcohol Isoamílico Ácido Propanoico Propanoato de Isoamilo

Agua

Alcohol Isoamílico 0,0 0,0 0,0 0,0

Ácido Propanoico 0,0 4,5 0,0 2,5


0,0 0,0 0,0 0,0

Agua 0,0 2,5 0,0 1,7

Fuente: Leyva [30]

Tabla 28. Condiciones de Operación - Equipo Destilación Reactiva - Propanoato de Isoamilo




Temperatura Fija 50 °C para el Alcohol Isoamílico 50 °C para el Ácido Carboxílico


Flujo* Fija 107,50 kg/h – Ácido Propanoico 127,92 kg/h - Alcohol Isoamílico


Número de Etapas

Fija 6

Número y Localización de Etapas Reactivas

Diseño Etapa 2 a Etapa 4 con el modelo cinético

descrito en la Tabla 29

Catalizador (Holdup)*

Diseño 6,278 kg por cada etapa reactiva (8 % de la

masa total alimentada en la columna)


Diseño Ácido Carboxílico - Etapa 2 Alcohol Isoamílico - Etapa 4


Diseño 0,90




Fija 1 atm

Caída de presión: 16 kPa

Condensador – Decantador

Superior

Temperatura de salida en condensador

Fija Punto de burbuja


Caída de Presión



Temperatura de Operación -

Decantador Superior

Fija 30 °C

Presión Decantador Superior - Caída de Presión



Fuente: Leyva [30], [20]; * Adaptado por autor para el presente trabajo

Tabla 29. Modelo Cinético - Propanoato de Isoamilo

Cinética Química


Expresión 0a C D

v A B

g Eq

E a ar k exp a a

R T K

= − −

Parámetros

042069 8 1209 01a

cat

kJ kmolE , k ,

kmol kg s= =

838 101 77eq

,lnK ,

T(K )= +

049037 8 205 934' '

a

cat

kJ kmolE , k ,

kmol kg s= =

Fuente: Leyva [30]

Butirato de Isoamilo

Las condiciones de operación para el butirato de isoamilo se describen con base en la

siguiente información.


Tabla 30. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Butirato de Isoamilo


i , j i , j i , j i , j i , j

BG exp( ) A

T(K ) = − = +


Componente i

Alcohol Isoamílico

Agua Alcohol

Isoamílico Butirato de Isoamilo


Ácido Butírico

Componente j Agua Ácido

Butírico Butirato de Isoamilo

Agua Ácido

Butírico Alcohol

Isoamílico

i , jA -0,96 -2,94 30,98 41,67 -9,40 -3,56

j ,iA 6,43 1,58 -0,33 7,89 29,04 6,23

i , jB (K ) 388,48 2172,85 -11565,66 -10000,00 4362,36 466,85

j ,iB (K ) -512,86 -602,43 -437,65 -230,46 -12971,35 -1053,18

i , j 0,2 0,3 0,3 0,2 0,3 0,2

Fuente: Durán [31]

De acuerdo con Durán [31], los coeficientes de fugacidad de mezcla como de sustancias

puras para el sistema de esterificación del butirato de isoamilo son muy cercanos a la

unidad, en consecuencia, se asume que su comportamiento en fase de vapor es ideal.

Tabla 31. Condiciones de Operación - Equipo Destilación Reactiva - Butirato de Isoamilo




Temperatura Fija 95 °C para el Alcohol Isoamílico 95 °C para el Ácido Carboxílico


Flujo* Fija 125,55 kg/h – Ácido Butírico



Número de Etapas

Fija 23

Número y Localización de Etapas Reactivas

Diseño Etapa 4 a Etapa 21 con el modelo cinético



Diseño 15 segundos por cada etapa reactiva


Diseño Ácido Carboxílico - Etapa 4

Alcohol Isoamílico - Etapa 21




Diseño 0,81


Fija 1 atm


Condensador – Decantador

Superior

Temperatura de salida en condensador

Fija Punto de burbuja


Caída de Presión



Temperatura de Operación -

Decantador Superior

Fija 26 °C

Presión Decantador Superior - Caída de Presión



Fuente: Durán [31]; * Adaptado por autor para el presente trabajo

Tabla 32. Modelo Cinético - Butirato de Isoamilo

Cinética Química


Expresión 0a C D

v cat A B

g Eq

E C Cr W k exp C C

R T K

− = − −

Parámetros

cat catalizador c

kmolW kg C

L= =

2

0 239048 3 14 3a

kJ LE , k ,

kmol kg kmol s= =

1550 078 44eq

,lnK ,

T(K )= +

2

0 251935 6 0 00309' '

a

kJ LE , k ,

kmol kg kmol s= =

Fuente: Durán [31]

Benzoato de Isoamilo

Las condiciones de operación para el benzoato de isoamilo se describen con base en la



Tabla 33. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Benzoato de Isoamilo

Modelo de Actividad: UNIFAC

Grupo ACH AC COOH CH3 CH2 OH(P) CH COO H2O

Ácido Benzoico 5 1 1 0 0 0 0 0 0

Alcohol Isoamílico 0 0 0 2 2 1 1 0 0


5 1 0 2 2 0 1 1 0

Agua 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Fuente: Xue [47]

Para el caso del benzoato de isoamilo, se asumió un comportamiento ideal en la fase de

vapor.

Tabla 34. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Benzoato de Isoamilo



Número Diseño Una corriente de alimentación con una mezcla

de ácido carboxílico y alcohol isoamílico

Temperatura Fija 20 °C

Composición Diseño Relación Molar Alcohol - Ácido: 0,99941

Flujo Fija 177,33 kg/h – Ácido Benzoico


Precalentador de alimento

Diseño 92 ºC

Reactor CSTR - Reciclo

Presión Fija 1 atm


Fases Diseño 2 fases: líquido y vapor:


Diseño 3 horas

Reacción Diseño Reacción implementada con el modelo cinético


Condensador Diseño Punto de burbuja

Decantador Diseño 30 ºC

Columna de Destilación 1


Fija 1 atm


Número de Etapas Diseño 11



Etapa de Alimentación

Diseño 6

Relación de Reflujo

Diseño 1,5


Diseño 0,8571

Condensador Diseño Total

Intercambiador Reflujo Columna 1

Diseño 92 °C



Fija 1 atm




Diseño 18


Diseño 10


Diseño 0,85



Diseño 92 °C

Fuente: Autor

Tabla 35. Modelo Cinético - Benzoato de Isoamilo

Cinética Química

Modelo Pseudo-homogéneo no ideal

Expresión 0a C D

v A B

g Eq

E a ar k exp a a

R T K

= − −

Parámetros

6

050 45 1 97 10a

kJ LE , k ,

mol mol min= =

4541 3766eqlnK ,

T(K )= +

Fuente: Xue [47]

Caproato de Isoamilo

Las condiciones de operación para el caproato de isoamilo se describen con base en la



Tabla 36. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Caproato de Isoamilo


Grupo COOH CH3 CH2 OH(P) CH CH2COO H2O

Ácido Caproico 1 1 4 0 0 0 0

Alcohol Isoamílico 0 2 2 1 1 0 0

Caproato de Isoamilo 0 3 5 0 1 1 0

Agua 0 0 0 0 0 0 1

Fuente: Autor

Para el caso del caproato de isoamilo, se asumió un comportamiento ideal en la fase de

vapor.

Tabla 37. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Caproato de Isoamilo







Flujo Fija 167,64 kg/h – Ácido Caproico



Diseño 92 ºC


Presión Fija 1 atm




Diseño 2 horas



Masa de Catalizador

Diseño 1,5 % de la masa total alimentada en la

columna





Fija 1 atm






Diseño 8


Diseño 1,5


Diseño 0,6921



Diseño 92 °C



Fija 1 atm




Diseño 20


Diseño 10


Diseño 0,88



Diseño 92 °C

Fuente: Autor

Tabla 38. Modelo Cinético - Caproato de Isoamilo

Cinética Química


Expresión 0a C D

v cat A B

g Eq

E C Cr W k exp C C

R T K

− = − −

Parámetros

cat catalizador c

kmolW kg C

L= =

014115 38 3525 42a

cat

kJ LE , k ,

kmol kmol kg s= =

2847 910 543eq

,lnK ,

T(K )= −

Fuente: Aponte [43]

Lactato de Isoamilo

Las condiciones de operación para el lactato de isoamilo se describen con base en la



Tabla 39. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Lactato de Isoamilo

Modelo de Actividad: UNIFAC - Dortmund

Grupo COOH CH3 CH2 OH(P) OH(S) CH COO H2O

Ácido Láctico 1 1 0 0 1 1 0 0

Alcohol Isoamílico 0 2 2 1 0 1 0 0

Lactato de Isoamilo 0 3 2 0 1 2 1 0

Agua 0 0 0 0 0 0 0 1

Fuente: Autor

Para el caso del lactato de isoamilo, se asumió un comportamiento ideal en la fase de

vapor.

Tabla 40. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Lactato de Isoamilo







Ácido Láctico: 88% pureza

Flujo Fija 129,65 kg/h – Ácido Láctico

127,92 kg/h - Alcohol Isoamílico 15,56 kg/h - Agua


Diseño 102 ºC


Presión Fija 1 atm




Diseño 2,5 horas



Masa de Catalizador

Diseño 1,5 % de la masa total alimentada en la

columna





Fija 1 atm






Diseño 10


Diseño 1,5


Diseño 0,6886



Diseño 102 °C



Fija 1 atm




Diseño 22


Diseño 10


Diseño 0.0945



Diseño 102 °C

Fuente: Autor

Tabla 41. Modelo Cinético - Lactato de Isoamilo

Cinética Química

Modelo Eley-Rideal

Expresión

( )

0

1

ester aguaaácido alcohol

g eq

v

alcohol alcohol agua agua

a aEk exp a a

R T Kr

K a K a

− −

=

+ +

Parámetros

7

054 1 1 66 10a

cat

kJ kmolE , k ,

mol kg min= =

3290 1 1289 47 91 1 70alcohol agua

, ,K exp , ; K exp ,

T(K ) T(K )

= − = −

754 151 5696eq

,lnK ,

T(K )= +

Fuente: Jiang [46]


Laurato de Isoamilo

Las condiciones de operación para el laurato de isoamilo se describen con base en la


Tabla 42. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Laurato de Isoamilo


Grupo COOH CH3 CH2 OH(P) CH CH2COO H2O

Ácido Láurico 1 1 10 0 0 0 0

Alcohol Isoamílico 0 2 2 1 1 0 0

Laurato de Isoamilo 0 3 11 0 1 1 0

Agua 0 0 0 0 0 0 1

Fuente: Autor

Para el caso del laurato de isoamilo, se asumió un comportamiento ideal en la fase de

vapor.

Tabla 43. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Laurato de Isoamilo






Composición Diseño Relación Molar: 0,9967

Flujo Fija 291,66 kg/h – Ácido Láurico



Diseño 110 ºC


Presión Fija 1 atm




Diseño 3 horas









Fija 1 atm




Diseño 5


Diseño 1,5


Diseño 0,8515



Diseño 110 °C



Fija 1 atm




Diseño 15


Diseño 12


Diseño 0,1766



Diseño 110 °C

Fuente: Autor

Tabla 44. Modelo Cinético - Laurato de Isoamilo

Cinética Química

Modelo Pseudo-Homogéneo Ideal

Expresión 0

ester aguaav ácido alcohol

g eq

x xEr k exp x x

R T K

= − −

Parámetros

cx Fracción molar especie química c=

11

0116374 1557 6 11328 10a

cat

kJ kmolE , k ,

kmol kg s= =

11321 436 6257eq

,lnK ,

T(K )= −

Fuente: Autor con datos de Ceballos [44]


Cabe resaltar que, los parámetros originales del modelo cinético descrito por Ceballos [44]

corresponden a:

12

0122200 38 2 461 10a

cat

kJ kmolE , k ,

kmol kg s= =

Sin embargo, dichos parámetros fueron ajustados por el autor utilizando la información

experimental disponible obteniendo un mejor ajuste. Para esto, el autor utilizó la función

lsqcurvefit integrada en la herramienta computacional Matlab [81]. Adicionalmente, la

expresión para la constante de equilibrio fue determinada por el autor con la información

disponible en el documento de Ceballos [44], ya que en el trabajo original no fue publicada.

Salicilato de Isoamilo

Tabla 45. Condiciones de Operación - Equilibrio de Fases - Parámetros de Fase Líquida - Salicilato de Isoamilo


Grupo COOH CH3 CH2 OH(P) CH ACH ACOH AC H2O

Ácido Salicílico 1 0 0 0 0 4 1 1 0

Alcohol Isoamílico

0 2 2 1 1 0 0 0 0


0 3 11 0 1 1 0 0 0

Agua 0 0 0 0 0 0 0 0 1

Fuente: Autor

Tabla 46. Condiciones de Operación - Reactor y Columnas de Destilación - Salicilato de Isoamilo






Composición Diseño Relación Molar: 1,00597

Flujo Fija 199,25 kg/h – Ácido Salicílico



Diseño 110 ºC




Presión Fija 1 atm




Diseño 3 horas


descrito en Tabla 47





Fija 1 atm




Diseño 4


Diseño 1,5


Diseño 0,5097



Diseño 110 °C



Fija 1 atm




Diseño 6


Diseño 10


Diseño 0,49



Diseño 110 °C

Fuente: Autor


Tabla 47. Modelo Cinético - Salicilato de Isoamilo

Cinética Química

Modelo Pseudo-Homogéneo Ideal

Expresión 0a C D

v A B

g Eq

E C Cr k exp C C

R T K

− = − −

Parámetros

c

kmolC

L=

026 7 77 401a

kJ LE , k ,

mol mol min= =

319111 324eqlnK ,

T(K )= −

Fuente: Datos ajustados por el autor a partir de Akbay [45]

3.4 Resultados de Evaluación

Con base en las condiciones de operación descritas previamente se evaluó la factibilidad

técnica de cada uno de los esquemas de proceso asociados a la producción de los ésteres

de interés del presente trabajo, utilizando la herramienta computacional Aspen Plus ® [75].

Dichos resultados se resumen a continuación donde que cada una de las fracciones

descritas para cada corriente de los esquemas de proceso corresponden a fracciones

másicas. Sobresale que, al ser compuestos con aplicaciones en saborizantes y fragancias,

la especificación de diseño de las fracciones másicas de los ésteres es que cumplieran

con una pureza ≥ 99 % en peso.

Para conocer la rentabilidad de cada uno de los procesos, fue necesaria una evaluación

económica de los mismos la cual se describe con mayor detalle en el capítulo cuatro.


Acetato de Isoamilo

Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el acetato de isoamilo

se resumen a continuación:

Figura 16. Evaluación - Esquema de Proceso - Acetato de Isoamilo Fuente: Autor

Los perfiles de composición fueron utilizados como comprobante, obteniendo una buena

correspondencia con lo publicado por González [40]:

Figura 17. Perfil de composición - Fracción molar fase líquida. Ácido Acético Alcohol Isoamílico Acetato de Isoamilo Agua

Fuente: Autor



Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el propanoato de

isoamilo se resumen a continuación:

Figura 18. Evaluación - Esquema de Proceso - Propanoato de Isoamilo Fuente: Autor

Adicionalmente, los perfiles de composición fueron utilizados como comprobante,

obteniendo una buena correspondencia con lo publicado por Leyva [20]:

Figura 19. Perfil de composición - Fracción molar fase líquida. Ácido Propanoico Alcohol Isoamílico Propanoato de Isoamilo Agua

Fuente: Autor



Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el butirato de isoamilo


Figura 20. Evaluación - Esquema de Proceso - Butirato de Isoamilo Fuente: Autor

Adicionalmente, los perfiles de composición fueron utilizados como comprobante,

obteniendo una buena correspondencia con lo publicado por Durán [31]:

Figura 21. Perfil de composición - Fracción molar fase líquida. Ácido Butírico Alcohol Isoamílico Butirato de Isoamilo Agua

Fuente: Autor



Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el benzoato de isoamilo


Corriente 1 2 3 4 5 6 7

Flujo másico (kg/h) 305,25 305,25 34,46 34,46 26,75 7,71 1953,80

Fracción másica

Ácido Benzoico 0,5809 0,5809 0,0031 0,0031 3,3E-4 0,0129 0,3637

Alcohol Isoamílico 0,4191 0,4191 0,2076 0,2076 0,0283 0,8300 0,1793

Benzoato de Isoamilo - - 0,0089 0,0089 1,1E-5 0,0396 0,3800

Agua - - 0,7804 0,7804 0,9714 0,1175 0,0770

Temperatura (°C) 20 92 92 91,90 30 30 92

Corriente 8 9 10 11 12 13

Flujo másico (kg/h) 500,84 1452,97 1174,46 278,50 500,84 1174,46

Fracción másica

Ácido Benzoico 1,1E-9 0,4890 0,6040 0,0041 1,1E-9 0,6040

Alcohol Isoamílico 0,6994 2,4E-5 3,0E-5 7,8E-17 0,6994 3,0E-5

Benzoato de Isoamilo 9,0E-8 0,5110 0,3960 0,9959 9,0E-8 0,3960

Agua 0,3006 1,4E-12 1,7E-12 1,5E-33 0,3006 1,7E-12

Temperatura (°C) 92,99 247,66 247,43 259,09 92 92

Figura 22. Resultados Evaluación – Esquema de Proceso Convencional – Producción de Benzoato de Isoamilo

Fuente: Autor



Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el caproato de isoamilo


Corriente 1 2 3 4 5 6 7

Flujo másico (kg/h) 295,56 295,56 35,87 35,87 26,68 9,19 3670,88

Fracción másica

Ácido Caproico 0,5672 0,5672 0,0094 0,0094 7,6E-4 0,0346 0,2605


Caproato de Isoamilo - - 0,0520 0,0520 2,1E-5 0,2027 0,4759

Agua - - 0,7459 0,7459 0,9744 0,0826 0,0645

Temperatura (°C) 20 92 92 87,80 30 30 92

Corriente 8 9 10 11 12 13

Flujo másico (kg/h) 1668,87 2002,01 1733,18 268,82 1668,87 1733,18

Fracción másica

Ácido Caproico 0,3366 0,1971 0,2276 3,1E-5 0,3366 0,2276


Caproato de Isoamilo 0,0836 0,8029 0,7724 0,9999 0,0836 0,7724

Agua 0,1420 4,9E-18 0,00 0,00 0,1420 0,00

Temperatura (°C) 94,30 214,40 213,47 225,50 92 92

Figura 23. Resultados Evaluación – Esquema de Proceso Convencional – Producción de Caproato de Isoamilo

Fuente: Autor


Lactato de Isoamilo

Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el lactato de isoamilo


Corriente 1 2 3 4 5 6 7

Flujo másico (kg/h) 273,13 273,13 66,34 66,34 43,26 23,07 802,99

Fracción másica

Ácido Láctico 0,4747 0,4747 0,0074 0,0074 0,0093 0,0040 0,3865


Lactato de Isoamilo - - 0,0335 0,0335 1,3E-4 0,0960 0,2888

Agua 0,0570 0,0570 0,6446 0,6446 0,9567 0,0593 0,1021

Temperatura (°C) 20 102 102 92,01 30 30 102

Corriente 8 9 10 11 12 13

Flujo másico (kg/h) 262,59 540,40 229,82 310,58 262,59 310,58

Fracción másica

Ácido Láctico 1,1E-6 0,5743 4,6E-8 0,9993 1,1E-6 0,9993


Lactato de Isoamilo 0,0071 0,4257 0,9999 0,0007 0,0071 0,0007

Agua 0,3122 6,6E-15 1,6E-14 1,3E-33 0,3122 1,3E-33

Temperatura (°C) 92,01 218,19 202,40 232,11 102 102

Figura 24. Resultados Evaluación – Esquema de Proceso Convencional – Producción de Lactato de Isoamilo

Fuente: Autor


Laurato de Isoamilo

Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el laurato de isoamilo


Corriente 1 2 3 4 5 6 7

Flujo másico (kg/h) 419,58 419,58 149,50 149,50 26,73 122,77 1171,14

Fracción másica

Ácido Láurico 0,6951 0,6951 7,6E-5 7,6E-5 9,0E-9 9,2E-5 0,0913


Laurato de Isoamilo - - 0,0034 0,0034 2,7E-9 0,0042 0,3742

Agua - - 0,2762 0,2762 0,9719 0,1247 0,0142

Temperatura (°C) 20 110 110 92,95 25 25 110

Corriente 8 9 10 11 12 13

Flujo másico (kg/h) 626,00 545,14 152,35 392,79 626,00 152,35

Fracción másica

Ácido Láurico 6,0E-11 0,1961 0,6835 0,0070 6,0E-11 0,6835


Laurato de Isoamilo 2,2E-7 0,8039 0,3164 0,9930 2,2E-7 0,3164

Agua 0,0265 1,4E-12 4,8E-12 2.1E-40 0,0265 4,8E-12

Temperatura (°C) 109,34 306,02 299,99 311,53 110 110

Figura 25. Resultados Evaluación – Esquema de Proceso Convencional – Producción de Laurato de Isoamilo

Fuente: Autor



Los resultados de evaluar el esquema de proceso simultáneo para el salicilato de isoamilo


Corriente 1 2 3 4 5 6 7

Flujo másico (kg/h) 327,17 327,17 42,31 42,31 26,75 15,56 672,83

Fracción másica

Ácido Salicílico 0,6090 0,6090 0,0012 0,0012 1,5E-4 0,0029 0,1305


Salicilato de Isoamilo - - 0,0112 0,0112 1,6E-5 0,0303 0,6611

Agua - - 0,6597 0,6597 0,9712 0,1242 0,0473

Temperatura (°C) 20 110 110 93,08 30 30 110

Corriente 8 9 10 11 12 13

Flujo másico (kg/h) 135,21 537,61 237,23 300,38 135,21 237,23

Fracción másica

Ácido Salicílico 1,8E-9 0,1634 0,3701 8,0E-5 1,8E-9 0,3701

Alcohol Isoamílico 0,7645 0,0093 0,0210 1,0E-8 0,7645 0,0210

Salicilato de Isoamilo 1,7E-7 0,8274 0,6089 0,9999 1,7E-7 0,6089

Agua 0,2355 5,0E-9 1,1E-8 9.8E-19 0,2355 1,1E-8

Temperatura (°C) 93,18 259,92 242,56 298,94 110 110


Salicilato de Isoamilo Fuente: Autor

4. Síntesis de Redes de Proceso - Metodología P-graph

Los resultados obtenidos en el capítulo dos definen cuáles ésteres de isoamilo son los que

presentan mayor interés y, para efectos del presente trabajo, se denominan ésteres

principales del alcohol isoamílico; no obstante, dichos resultados deben complementarse

con la definición de los esquemas de proceso asociados a la producción de cada éster y

el análisis económico de costos de instalación y operación, con el ánimo de tener un mejor

criterio de decisión sobre cuáles de los ésteres de isoamilo de interés resultan más

rentables para su posible producción. Para solventar esto, en primer lugar, fue necesario

definir los esquemas de proceso aplicables, las condiciones de operación, las operaciones

unitarias apropiadas para cada esquema y luego evaluar su factibilidad técnica, lo cual

corresponde a los resultados descritos en el capítulo tres. Con base en estos resultados

fue posible realizar un análisis económico, el cual para el presente trabajo se expresó como

un problema de síntesis de redes de proceso.

Las redes de proceso son sistemas compuestos por materias primas que se transforman

física y/o químicamente en unidades u operaciones unitarias para obtener un conjunto de

productos de interés [82], [83]. En consecuencia, el presente trabajo en el capítulo tres

describe ocho redes de proceso que permiten producir diferentes ésteres de isoamilo a

partir de la reacción química entre el alcohol isoamílico y un ácido carboxílico utilizando

unidades específicas de proceso.

El objetivo principal de la síntesis de redes de proceso es analizar entre varias redes cuáles

resultan ser las más rentables u óptimas teniendo en cuenta los costos de materias primas,

costos de instalación y operación y el precio de venta de los productos de interés; por tal

razón, su uso en el presente trabajo es pertinente.

Capítulo 4. Síntesis de Redes de Proceso - Metodología P-graph 93

El capítulo cuatro ilustra un breve contexto sobre la síntesis de redes de proceso para

luego describir la metodología P-graph. Dicha metodología es una herramienta de

optimización, fundamentada en la teoría de grafos y técnicas combinatorias, que permite

resolver el problema de síntesis de redes de proceso mediante métodos algorítmicos para

obtener las soluciones óptimas, o en este caso, las más rentables. Posteriormente, se

ilustran los resultados obtenidos y se describen cuáles de los ésteres de isoamilo son los

más rentables bajo diferentes condiciones de demanda en el mercado.

4.1 Síntesis de redes de proceso

La síntesis de redes de proceso busca determinar entre varios esquemas o redes de

proceso cuáles de ellos corresponden a los esquemas más rentables u óptimos. Esta

síntesis puede realizarse utilizando métodos heurísticos o métodos algorítmicos. Cada uno

de ellos tiene unas características propias resumidas en la Tabla 48. [84]

Tabla 48. Características de Métodos Heurísticos y Métodos Algorítmicos. Síntesis de Redes de Proceso

Métodos Heurísticos Métodos Algorítmicos

Fundamentados en la experiencia Utilizan técnicas formales de optimización

No garantizan el óptimo Garantizan la obtención de una secuencia óptima

bajo condiciones determinadas

Brindan una solución rápida - Bajo

costo computacional

Requieren de gasto computacional (tiempo y

recursos)

Funcionan para casos específicos Es posible generalizarlos para abarcar más casos

Fuente: Adaptado de Jiménez [84]

En general, los métodos heurísticos se fundamentan en la experiencia y por tal razón, son

métodos localizados; es decir, funcionan solamente para casos específicos, resultan

relativamente más sencillos de implementar en comparación con los métodos algorítmicos

y no garantizan una solución óptima al problema debido a su subjetividad. En contraste,

los métodos algorítmicos o de programación matemática tienden a ser más efectivos en la

determinación de las soluciones óptimas del problema. Sin embargo, la mayoría de estos

94 Capítulo 4. Síntesis de Redes de Proceso - Metodología P-graph

métodos se encuentran limitados a procesos pequeños o de tamaño modesto, ya que en

procesos reales o de escala industrial, la complejidad combinatoria del problema aumenta

exponencialmente de acuerdo con la cantidad de operaciones unitarias involucradas en el

proceso. Para un proceso con n operaciones unitarias, las soluciones factibles se obtienen

a partir de un espacio de búsqueda de tamaño (2n-1) combinaciones posibles; esto significa

que, para un proceso que presenta 15 operaciones unitarias existen 32767 combinaciones

posibles; en consecuencia, la efectividad de los métodos algorítmicos se encuentra

limitada conforme el tamaño de proceso aumenta. [83], [85], [86],

De acuerdo con lo anterior, la solución más adecuada al problema de síntesis de redes de

proceso requiere de un método algorítmico que garantice la obtención de soluciones

óptimas y que permita trabajar con procesos de escala industrial reduciendo racionalmente

el espacio de búsqueda. Uno de estos métodos corresponde a la metodología P-graph, la

cual ha sido seleccionada para efectos del presente trabajo y se describe en la siguiente

sección.

4.2 Metodología P-graph

La metodología P-graph es un método innovador de optimización, fundamentado en la

teoría de grafos y las técnicas combinatorias que permite solucionar los problemas de

síntesis de redes de proceso para obtener las soluciones óptimas; en este caso, las redes

de proceso de mayor rentabilidad. Dicha metodología ha sido propuesta por Friedler y

colaboradores [82], [87], [88], [89], [90] y funciona bajo tres pilares fundamentales los

cuales se describen a continuación:

Superestructura

La superestructura es el primer pilar fundamental de la metodología P-graph y corresponde

a un grafo bipartito que incluye todas las estructuras o redes de proceso factibles de las

cuales es posible obtener las soluciones óptimas o cercanas al óptimo en términos de

rentabilidad. Es una gráfica que incluye la totalidad de materias primas, operaciones

unitarias, productos de interés, subproductos y sustancias intermedias, las cuáles se

generan entre operaciones unitarias y no representan un costo de compra o venta. [89],

[91]


La elaboración de una superestructura requiere de una notación específica la cual se

resume en la Figura 27, donde las barras horizontales representan las operaciones

unitarias, los círculos representan las sustancias involucradas durante el proceso (materias

primas, productos de interés, subproductos y sustancias intermedias) y las flechas

representan el flujo másico de sustancias dentro de la red.

Figura 27. Notación de superestructura Fuente: Autor

Para comprender mejor el concepto y la forma de elaborar una superestructura, en primer

lugar, se ilustra la manera como se representa una operación unitaria dentro de la misma.

En la Figura 28 se describe una operación unitaria de destilación, la cual tiene una entrada

de materia ABCDE que se separa en dos salidas materiales A y BCDE, respectivamente.

En este ejemplo, la barra horizontal representa una operación unitaria de destilación. Sin

embargo, resulta evidente notar que dicha barra horizontal podría corresponder a cualquier

tipo de operación unitaria asociada con la producción del producto de interés y su

representación dentro de la superestructura tiene una equivalencia respecto a un diagrama

de proceso convencional.

Figura 28. Operación Unitaria - Destilación - Superestructura Fuente: Autor


Por otro lado, en la Figura 29 se describe un ejemplo corto de una superestructura. En este

caso, se tienen tres operaciones unitarias O1, O2 y O3, tres materias primas M1, M2 y M3,

una sustancia intermedia M4, un producto de interés M5 y un subproducto M6.

Figura 29. Ejemplo - Superestructura Fuente: Autor

A partir de la Figura 29 se puede inferir que: a) existen varias rutas de proceso posibles

para la obtención del producto M5, b) todas las rutas posibles para la obtención del

producto de interés M5 se encuentran dentro de la superestructura y c) el objetivo principal

del desarrollo del P-graph consiste en determinar cuáles de estas rutas son óptimas o

cercanas al óptimo; en este caso, en términos de rentabilidad. Como complemento, es

posible notar también que la conexión entre dos operaciones unitarias no puede hacerse

de manera directa, ya que es necesario utilizar una sustancia intermedia como conector.

Por lo tanto, el primer paso para resolver un problema de síntesis de redes de proceso

mediante la metodología P-graph consiste en construir la superestructura correspondiente.

Sobresale que, adicional a la notación necesaria para su elaboración, también se requiere

el cumplimiento de cinco axiomas al momento de su construcción los cuales se describen

a continuación. [92]


Axiomas

Dentro del desarrollo de la metodología P-graph, el segundo pilar fundamental está

relacionado con la construcción de la superestructura cumpliendo cinco axiomas, los

cuales determinan que las redes de proceso son estructuralmente factibles y cumplen con

las propiedades combinatorias [88]. Dichos axiomas son:

a. Cada producto debe obtenerse al menos a partir de una de las operaciones unitarias

b. La única sustancia que no es producida a partir de una operación unitaria es la materia

prima; en consecuencia, los productos de interés, los subproductos y las sustancias

intermedias provienen de operaciones unitarias

c. Las operaciones unitarias seleccionadas y descritas dentro de las redes de proceso

deben ser viables y estar relacionadas en la obtención de los productos de interés

d. Todas las operaciones unitarias deben tener al menos una conexión con la operación

unitaria que genera mínimo uno de los productos de interés

e. Cada sustancia presente en la superestructura corresponde a una entrada o una salida

de al menos una operación unitaria.

Algoritmos

Finalmente, el tercer pilar fundamental está relacionado con la solución de la

superestructura hasta obtener las redes de proceso óptimas y cercanas al óptimo. Para

ello, se utilizan tres algoritmos que se basan en los cinco axiomas descritos previamente y

tienen asociados una función objetivo y una caracterización de costos que se describen

posteriormente [87], [88]. Dichos algoritmos son:

a. Algoritmo Generador de Estructura Máxima (MSG): La función de este algoritmo es

evaluar matemáticamente el cumplimiento de los cinco axiomas en la superestructura

construida. El resultado de evaluar este algoritmo es una superestructura que cumple

completamente los cinco axiomas y contiene todas las redes de proceso posibles

capaces de producir los productos de interés.


b. Algoritmo de Solución de Generación de Estructuras (SSG): La función del

algoritmo SSG es generar todas las redes de proceso posibles; en otras palabras,

presenta todas las redes de proceso factibles capaces de obtener cada uno de los

productos de interés. Posteriormente, dichas soluciones son evaluadas mediante

programación lineal (SSG+LP) lo cual permite clasificar cada una de las soluciones con

base en su rentabilidad.

c. Algoritmo Acelerado de Ramificación y Acotamiento (ABB): La función de este

algoritmo es identificar las redes de proceso óptimas de una manera más eficiente en

comparación con el algoritmo SSG+LP debido a que se realiza un acotamiento continuo

que reduce el espacio de búsqueda al enfocarse en las soluciones que tienen un

potencial mayor de ser las soluciones óptimas. Esto significa una reducción del tiempo

de cómputo y uso de recursos

4.2.3.1 Función Objetivo

Tal como se ha mencionado previamente, la metodología P-graph ha sido seleccionada en

el presente trabajo para definir las rutas de proceso más rentables u óptimas relacionadas

con la producción de ésteres de isoamilo; por tal razón, la función objetivo que se emplea

en este caso busca evaluar la rentabilidad de las redes de proceso existentes dentro de la

superestructura. Sobresale que, esta función objetivo es evaluada principalmente por los

algoritmos SSG y ABB, ya que el algoritmo MSG se encarga solamente de evaluar la

factibilidad estructural de la superestructura diseñada.

En general, la rentabilidad se define como la diferencia entre las ganancias o beneficios

obtenidos de la venta de un producto y los costos asociados a su producción. En el

presente trabajo, las ganancias corresponden a la venta de los ésteres de isoamilo con

una pureza superior al 99% y los costos de producción están relacionados con la

adquisición de materias primas y los costos de instalación y operación de cada una de las

operaciones unitarias. Por lo tanto, las rutas de proceso óptimas y cercanas al óptimo que

se obtienen al resolver la función objetivo son aquellas que maximizan la rentabilidad. [85]


En el presente trabajo, la función objetivo que determina la rentabilidad se define con base

en la expresión (4.1) [85]

( ) ( ) ( )1

p

op op p prmPp

P rmp

P

out in

( x ,y ) P P op rm rm op op op OOOi OO O

Costos de Producción TotalPrecios de Venta - Productos de Interés

z m x m x y x −+

+ −=

= − + +

(4.1)

Donde, op op( x ,y )z es la rentabilidad expresada en unidades de dólares por año (USD/año),

opx es una variable adimensional que representa la capacidad (tamaño) de cada operación

unitaria, opy es una variable adimensional binaria la cual toma un valor de cero, 0opy = ,

cuando una operación unitaria es excluida de la red de proceso que se está optimizando o

un valor de uno, 1opy = , cuando es incluida, pP representa los productos de interés en el

proceso, rm representa las materias primas, O corresponde al conjunto de todas las

operaciones unitarias, Pp

O+ y

rmO

− representan los subconjuntos de operaciones unitarias que

producen pP y consumen rm , respectivamente, p

out

Pm corresponde al flujo másico, en

unidades de toneladas métricas por año (t/año), del producto de interés pP a la salida de

la operación unitaria O , in

rmm corresponde al flujo másico, en unidades de toneladas

métricas por año (t/año), de la materia prima rm entrando a una operación unitaria O , la

cual se consume cuando el tamaño o capacidad de dicha operación unitaria opx

corresponde a uno, pP y

rm son constantes que representan el precio de venta del

producto de interés pP y el costo de compra de las materias primas rm , en unidades de

dólares por tonelada (USD/t), respectivamente y y son constantes relacionadas con

el costo de operación total anualizado para cada operación unitaria en unidades de dólares

por año (USD/año). Cabe resaltar que, el primer término de la derecha en la expresión

(4.1) representa los precios de venta de los productos de interés y la sumatoria del segundo

y tercer término representa el costo de producción total, respectivamente. [85]


La optimización de la función objetivo descrita en la expresión (4.1) está sujeta a las

siguientes restricciones:

op opx y M (4.2)

( ) 0Pp

Pp

out

P op OO

m x+

+

(4.3)

( ) 0rm

rm

in

rm op OO

m x−

−

(4.4)

De acuerdo con la expresión (4.2), la capacidad de cada operación unitaria opx debe ser

un número finito positivo; ya que, esto permite iniciar la optimización de la función objetivo

en cualquier tipo de red de proceso. Teniendo en cuenta que la variable opy corresponde

a una variable binaria, la expresión (4.2) puede tener dos valores: 0opx = cuando 0opy =

y representa la capacidad de una operación unitaria que ha sido excluida de la ruta que se

está optimizando y opx M cuando 1opy = , donde M se define como la máxima

capacidad de una operación unitaria dentro de una red de proceso y para efectos del

presente trabajo se asume como un número muy grande. Por otro lado, las expresiones

(4.3) y (4.4) son restricciones que se refieren al cumplimiento de los balances de materia

tanto para los productos como para las materias primas.

Finalmente, para efectos del presente trabajo, los costos de instalación de las operaciones

unitarias son descritos como funciones lineales, es decir, de la forma y mx b= + donde el

costo proporcional es m , x corresponde a la capacidad (tamaño) de la operación unitaria

y el costo fijo corresponde a b , respectivamente.


Figura 30. Costos de Instalación - Operaciones Unitarias Fuente: Adaptado de P-graph [93]

La Figura 30 ilustra un ejemplo del procedimiento para hallar las funciones lineales de costo

de instalación para dos capacidades (tamaños) de operación unitaria. El primer paso

consiste en estimar los costos C1 asociados a una capacidad de operación unitaria de uno.

El tamaño o capacidad de operación unitaria uno se refiere a la evaluación de las

operaciones unitarias y la estimación de costos con los flujos materiales de entrada y salida

de trabajo definidos en el diseño del proceso; en el caso del presente trabajo, esta

capacidad de operación unitaria uno se refiere a evaluar y costear cada una de las

operaciones unitarias utilizando las condiciones y flujos de materia descritos en el capítulo

tres. El siguiente paso consiste en estimar un nuevo costo C2, lo cual se consigue, para el

caso del ejemplo descrito en la Figura 30, utilizando el doble del flujo material usado para

la capacidad de uno manteniendo las demás condiciones constantes. Sobresale que, es

necesario evaluar la capacidad para más de dos puntos de costo con el ánimo de

garantizar un comportamiento lineal para diversas condiciones de proceso; en el presente

documento, estas funciones de costo fueron evaluadas para siete puntos,

respectivamente.

Los costos de operación también son descritos como funciones lineales. Sin embargo, en

este caso los puntos de corte son despreciables y por lo tanto no se tiene en cuenta la

parte fija de la ecuación, es decir, cumplen un comportamiento de tipo: y m' x= .


Con base en lo descrito anteriormente, es posible definir la constante que describe la parte

fija del costo de operación total como:

b

periodo de pago (payback period) = (4.5)

Donde b corresponde al punto de corte de la función lineal de los costos de instalación.

Por su parte, es posible definir la constante que describe la parte proporcional del costo de

operación total como:

m

m"periodo de pago (payback period)

= + (4.6)

Donde m y m" corresponden a las pendientes de las funciones lineales de los costos de

instalación y operación respectivamente. Para efectos del presente trabajo, el periodo de

pago fue definido como cinco años, el cual es un tiempo acorde para proyectos de

ingeniería química. [85], [94]

4.2.3.2 Caracterización de Costos - Simulación de Operaciones Unitarias

Con base en lo descrito en la función objetivo, los costos de inversión junto con los costos

de operación para cada una de las operaciones unitaria son descritos como funciones

lineales efectuando una estimación de costos para diferentes capacidades. En el presente

trabajo, esta estimación de costos se obtuvo utilizando la herramienta computacional

Aspen Plus ® junto con su herramienta integrada Aspen Economics [75] y la regresión

lineal se realiza utilizando el software Excel [95].

Para los esquemas de destilación reactiva descritos en el capítulo tres la estimación de

costos de instalación se realizó para la columna de destilación junto con el rehervidor y el

condensador y el decantador. Por su parte, para los esquemas de proceso convencional

se realizó la estimación de costos sobre el reactor, el condensador, el decantador, cada

una de las columnas de destilación convencional con sus correspondientes rehervidores y

condensadores y los intercambiadores de calor de precalentamiento y reciclos.


Debido a que los costos de instalación reportados por la herramienta computacional Aspen

Plus ® corresponden al año 2013, estos costos fueron ajustados para el año 2018

utilizando el Índice de Coste de Plantas de Ingeniería Química (CEPCI) del año 2013 y

2018 con base en la expresión:

20182018 2013

2013

CEPCICos tos Cos tos

CEPCI

=

(4.7)

Donde los valores de 2013CEPCI y

2018CEPCI corresponden a 567,3 y 617,7,

respectivamente y fueron tomados del sitio web de la revista Chemical Engineering

Magazine [96].

Los costos de operación se refieren a los costos de las utilidades necesarias para suplir

los requerimientos de enfriamiento y calentamiento de las operaciones unitarias. Dichas

utilidades corresponden al agua de enfriamiento, vapor de baja, media y alta presión y

aceite de calentamiento en los casos donde se requieren altas temperaturas en las

operaciones unitarias. Para determinar los costos de operación se tomaron como base los

requerimientos energéticos estimados para cada una de las operaciones unitarias

utilizando la herramienta computacional Aspen Plus ® junto con su herramienta integrada

Aspen Economics [75] y con base en dichos requerimientos, fueron calculados los costos

para un año de trabajo (8000 horas), utilizando los valores descritos en la Tabla 49.

Sobresale que, para garantizar que estos costos sean vigentes fueron empleadas fuentes

bibliográficas publicadas en los años 2018 y 2019, respectivamente.

Tabla 49. Costos de utilidades

Utilidad Costo ($USD/GJ)

Agua de enfriamiento 0,378*

Vapor de baja presión 2,03*

Vapor de media presión 2,78*

Vapor de alta presión 5,66*

Aceite de calentamiento 3,99**

* Precios obtenidos de Turton [97]; ** Precio obtenido de Jiang [98] Fuente: Autor


La Tabla 50 resume los coeficientes de las funciones lineales obtenidas para los costos de

instalación y operación de cada uno de los procesos de producción de ésteres. Cada uno

de estos coeficientes fue obtenido a partir de las regresiones lineales de costos que se

describen en el Anexo 2. Sobresale que, las operaciones unitarias descritas en la Tabla 50

agrupan los costos de varios equipos de proceso como se describe en la Tabla 51. Esto

fue realizado con el ánimo de facilitar la elaboración de las regresiones lineales de costo y

la posterior construcción de la superestructura.

Tabla 50. Costos fijos y proporcionales de instalación y operación.

Éster Operación

Unitaria

Costos de Instalación

y mx b= + R2

Costo de Operación

y m' x=

Fijo

( b ) - USD

Proporcional

( m ) - USD

Proporcional

( m' ) - USD

Acetato de Isoamilo

Destilación Reactiva

$ 520.850,49 $ 85.005,99 0,98 $ 5.966,38



$ 443.371,16 $ 97.528,02 0,97 $ 24.134,17



$ 532.803,09 $ 131.226,93 0,99 $ 10.225,02


Reacción $ 714.520,10 $ 473.520,18 0,99 $ 1.490,60

Separación 1 $ 691.625,71 $ 1.699.844,63 0,97 $ 61.823,54

Separación 2 $ 2.225.658,63 $ 3.413.952,04 0,96 $ 159.551,48


Reacción $ 683.704,82 $ 355.091,29 0,98 $ 2.076,67

Separación 1 $ 520.174,78 $ 48.051,19 0,99 $ 201.939,79

Separación 2 $ 674.471,03 $ 62.381,89 0,97 $ 270.634,94

Lactato de Isoamilo

Reacción $ 743.394,72 $ 620.957,77 0,99 $ 1.653,48

Separación 1 $ 683.044,87 $ 688.874,90 1,00 $ 43.955,06

Separación 2 $ 874.635,87 $ 691.995,08 0,99 $ 41.155,40


Éster Operación

Unitaria

Costos de Instalación

y mx b= + R2

Costo de Operación

y m' x=

Fijo

( b ) - USD

Proporcional

( m ) - USD

Proporcional

( m' ) - USD

Laurato de Isoamilo

Reacción $ 770.302,42 $ 1.025.028,75 0,99 $ 5.465,64

Separación 1 $ 520.747,56 $ 1.457.317,18 0,99 $ 41.138,26

Separación 2 $ 831.410,25 $ 744.282,60 0,99 $ 18.373,01


Reacción $ 738.857,64 $ 531.342,23 0,99 $ 1.465,88

Separación 1 $ 583.076,93 $ 444.608,80 1,00 $ 18.525,87

Separación 2 $ 581.184,58 $ 1.015.460,24 1,00 $ 40.159,48

Fuente: Autor

Tabla 51. Operaciones unitarias - Tabla 50

Operación Unitaria Equipos Involucrados y Costeados

Destilación Reactiva Columna de destilación reactiva, rehervidor,

condensador, decantador

Reactor Precalentador de mezcla, reactor,

condensador, decantador

Separación 1 Columna de destilación 1, rehervidor,

condensador, intercambiador de calor 1 (reflujo de columna 1)

Separación 2 Columna de destilación 2, rehervidor,

condensador, intercambiador de calor 2 (reflujo de columna 2)

Fuente: Autor

Por otra parte, también fueron incluidos los costos de tratamiento de las corrientes

denominadas fase acuosa y destilado acuoso descritas previamente para los procesos

convencionales y los procesos de destilación reactiva, teniendo en cuenta los kilogramos

de materia orgánica contenidos en dichas corrientes. El costo de tratamiento fue definido

como 0,33 $ USD/kg orgánico removido, fue tomado de Seader [99] y confirmado como un

costo actual de tratamiento de acuerdo con el artículo de Ashraf [100]


4.3 Resultados

Una vez definidas las operaciones unitarias, las condiciones de operación, los flujos

másicos y los costos de instalación y operación para cada uno de los procesos de

producción de ésteres descritos en el capítulo tres, se procedió a realizar la

implementación y desarrollo de la síntesis de redes de proceso mediante la metodología

P-graph. Esta implementación se realizó en el software P-graph Studio [101], el cual es un

software libre que permite realizar la construcción de la superestructura y la resolución de

los tres algoritmos de la metodología para definir las redes de proceso más rentables.

Notación de superestructura

Con el ánimo de facilitar la comprensión del lector sobre los resultados contenidos en la

superestructura final, la presente sección explica por partes las representaciones utilizadas

en la superestructura para finalmente ilustrar los resultados consolidados finales.

Los procesos de destilación reactiva dentro de la superestructura fueron representados

conforme a la Figura 31. La línea punteada sobre el esquema convencional descrito en

dicha figura representa la operación unitaria de destilación reactiva, es equivalente con el

bloque azul de la superestructura, agrupa todos los equipos que se tuvieron en cuenta al

momento de reportar los costos en la Tabla 50 y se encuentran descritos en la Tabla 51.

Figura 31. Representación destilación reactiva - Esquema convencional y Superestructura. Fuente: Autor


Por otro lado, los esquemas de producción convencionales fueron representados en la

superestructura como tres operaciones unitarias que agrupan simultáneamente varios

equipos, con base en lo descrito previamente en la Tabla 50 y Tabla 51. La representación

de la primera operación unitaria denominada reacción se describe conforme la Figura 32.

Figura 32. Representación Reacción - Esquema convencional y Superestructura. Fuente: Autor

La línea punteada sobre el esquema convencional descrito en la Figura 32 representa la

operación unitaria de reacción, es equivalente con el bloque verde de la superestructura,

agrupa todos los equipos que se tuvieron en cuenta al momento de reportar los costos en

la Tabla 50 y se encuentran descritos en la Tabla 51. Por otro lado, el bloque negro

denominado operación unitaria ficticia fue ubicado dentro de la superestructura para

ampliar el espacio de búsqueda de soluciones al incluir la posibilidad de determinar si el

reciclo uno puede reemplazarse por alcohol puro o si necesariamente debe existir dentro

del proceso como una mezcla de alcohol y agua. La razón de utilizar una operación unitaria

ficticia radica en que permite evaluar la presencia o ausencia de un reciclo sin violar los

axiomas de la metodología. Es necesario subrayar que, la operación unitaria ficticia

funciona bajo el supuesto de que los costos de proceso no cambian significativamente al

utilizar alcohol puro o una mezcla compuesta mayoritariamente de alcohol y agua.


Por otra parte, la representación de la segunda operación unitaria de los esquemas

convencionales se describe conforme la Figura 33. La línea punteada sobre el esquema

convencional descrito en dicha figura representa la operación unitaria denominada

separación uno, es equivalente con el bloque naranja de la superestructura, agrupa todos

los equipos que se tuvieron en cuenta al momento de reportar los costos en la Tabla 50 y

se encuentran descritos en la Tabla 51.

Figura 33. Representación Separación Uno - Esquema convencional y Superestructura. Fuente: Autor

Finalmente, la representación de la tercera operación unitaria de los esquemas

convencionales se describe conforme la Figura 34. La línea punteada sobre el esquema

convencional descrito en dicha figura representa la operación unitaria denominada

separación dos, es equivalente con el bloque naranja de la superestructura, agrupa todos

los equipos que se tuvieron en cuenta al momento de reportar los costos en la Tabla 50 y

se encuentran descritos en la Tabla 51.

Es necesario tener en cuenta que, el esquema descrito en la Figura 34 aplica para la

mayoría de procesos convencionales de producción de ésteres excepto para el caso del

lactado de isoamilo, en el cual se obtiene por cima el éster de interés y por fondo el reciclo

dos con base en lo descrito previamente en el capítulo tres.


Figura 34. Representación Separación Dos - Esquema convencional y Superestructura. Fuente: Autor

Superestructura final

Una vez descrita la nomenclatura utilizada en la superestructura, la Figura 35 ilustra la

versión final consolidada de la misma implementada en el software P-graph Studio para

cada uno de los procesos de producción de ésteres descritos previamente en el capítulo

tres. Cada uno de los flujos másicos corresponde a los mismos descritos en la sección de

resultados de evaluación del capítulo tres en unidades de kg/año, los valores numéricos

de los flujos másicos tienen el mismo color de las flechas que representan las corrientes

para facilitar su lectura, cada una de las operaciones unitarias descritas en el P-graph

tienen asociadas los costos descritos en la sección 4.2.3.2 y las corrientes relacionadas

con flujos acuosos tienen asociadas el costo del tratamiento con base en los kilogramos

de materia orgánica contenidos en la misma.

Solución de algoritmo MSG

La ejecución del algoritmo MSG en el software P-graph Studio se encarga de validar la

superestructura de tal forma que se cumplan todos los cinco axiomas propios de la

metodología. En este caso, la solución de dicho algoritmo dio como resultado la misma

superestructura descrita en la Figura 35; en consecuencia, esto valida que la

superestructura final está bien construida y cumple con todos los axiomas de la

metodología.


Figura 35. Superestructura Final

Fuente: Autor


Solución de algoritmo SSG

La evaluación del algoritmo SSG sobre la superestructura descrita en la Figura 35 permitió

identificar un total de 1944 redes de proceso factibles en poco menos de un segundo

empleando un computador con procesador AMD Phenom™ II X6 1055T de 2.8 GHz, y una

memoria RAM de 8 GB.

Por otro lado, para ejecutar los algoritmos SSG+LP y ABB, fueron consideradas dos

condiciones de mercado. La primera condición parte de asumir que todo el material que se

produce se puede vender; es decir, el mercado no presenta ninguna limitante y no se

requiere un análisis de la demanda. Por otro lado, la segunda condición parte de asumir

que solamente una parte de lo que se produce se puede vender en el mercado nacional y

requiere un análisis de la demanda. Esto permite evaluar dos condiciones y ampliar el

espacio de búsqueda de soluciones considerablemente.

Solución de algoritmos sin análisis de la demanda

4.3.5.1 Solución de algoritmo SSG+LP

La ejecución del algoritmo SSG+LP sin análisis de la demanda del mercado permitió

identificar un total de 9 redes de proceso óptimas en poco menos de un segundo


memoria RAM de 8 GB. Debido a que los mercados no se encuentran limitados, los

resultados obtenidos permiten en su mayor parte clasificar los procesos productivos de los

ésteres descritos en el capítulo tres con base en su rentabilidad.

La Tabla 52 resume los resultados obtenidos con el algoritmo SSG+LP evaluado en el

software P-graph Studio. De las soluciones óptimas obtenidas, sobresale que solamente

una sugiere producir más de un éster, en este caso, la producción de propanoato de

isoamilo + salicilato de isoamilo. Adicionalmente, fueron incluidos los índices acumulativos

que permitieron clasificar los ésteres en el capítulo dos (Ver Tabla 17) para contrastar su

predicción frente a los resultados de rentabilidad obtenidos. En este caso, la predicción de

los índices frente a la producción del éster lactato de isoamilo fue correcta, ya que es el


que menor índice acumulativo presenta junto con su rentabilidad. No obstante, esto podría

estar justificado en el alto precio de venta obtenido por cotización de dicho éster (42

$USD/kg). Por otro lado, existen cambios significativos en la predicción de la Tabla 17 en

contraste con los resultados de la Tabla 52; ya que el segundo proceso más rentable

resulta ser el salicilato de isoamilo mientras que en la Tabla 17 resulta ser el menos

favorable para su producción. En consecuencia, esto sugiere que los resultados del

capítulo dos funcionan como análisis preliminar en la selección de los productos de interés,

pero deben ir acompañados de un proceso posterior que permita validarlos al incluir la

factibilidad técnica de proceso, costos de instalación y operación, costos de materia prima

y precio de venta de productos para garantizar que los productos seleccionados al final

realmente sean los de mayor interés.

Tabla 52. Soluciones - Algoritmo SSG+LP sin análisis de la demanda del mercado

No. Procesos Sugeridos

de Producción Rentabilidad ($USD/año)

Índice Acumulativo - CI

(Ver Tabla 17) 1 Lactato de Isoamilo 72.783.200 5,069

2 Salicilato de Isoamilo 12.844.200 5,824

3 Propanoato de Isoamilo + Salicilato de Isoamilo

12.755.600 -

4 Laurato de Isoamilo 12.340.500 5,801

5 Caproato de Isoamilo 12.275.900 5,555

6 Benzoato de Isoamilo 11.216.900 5,240

7 Butirato de Isoamilo 5.938.560 5,636

8 Propanoato de Isoamilo 4.688.450 5,459

9 Acetato de Isoamilo 2.198.630 5,482

Fuente: Autor

4.3.5.2 Solución de algoritmo ABB

La solución del algoritmo ABB permitió identificar un total de 8 redes de proceso óptimas

en poco menos de un segundo empleando un computador con procesador AMD Phenom™

II X6 1055T de 2.8 GHz, y una memoria RAM de 8 GB. Las soluciones identificadas por

este algoritmo son iguales a las descritas en la Tabla 52 exceptuando la solución número

3 donde el algoritmo SSG+LP sugiere producir propanoato de isoamilo + salicilato de

isoamilo; no obstante, revisando dicha solución se encontró que maneja flujos de masa

muy pequeños del orden de 10-6 y 10-7 kg/año n la producción de propanoato lo cual no se

considera representativo y diferente de la solución de producir únicamente salicilato de

isoamilo. A continuación, se ilustran los resultados gráficos obtenidos en la herramienta P-

graph Studio para las cuatro primeras soluciones óptimas del algoritmo ABB.


Figura 36. Ruta óptima identificada sin análisis de la demanda por los algoritmos SSG+LP y ABB.

Producto: Lactato de Isoamilo - Rentabilidad: $USD/año 72.783.200 Fuente: Autor


Figura 37. Ruta cercana al óptimo identificada sin análisis de la demanda por los algoritmos SSG+LP y ABB.

Producto: Salicilato de Isoamilo - Rentabilidad: $USD/año 12.844.200 Fuente: Autor



Producto: Laurato de Isoamilo - Rentabilidad: $USD/año 12.340.500 Fuente: Autor



Producto: Caproato de Isoamilo - Rentabilidad: $USD/año 12.275.900 Fuente: Autor


Solución de algoritmos con análisis de la demanda

El análisis de la demanda para el mercado nacional se realizó utilizando las partidas

arancelarias que más se adaptan a cada uno de los ésteres de interés. Dichas partidas se

encuentran descritas en la Tabla 53.

Tabla 53. Partidas arancelarias - Ésteres de Interés

No. Éster de Interés Partida

Arancelaria Descripción de Partida Arancelaria

1 Acetato de Isoamilo 2915.39.30.00 Acetatos de amilo y de isoamilo

2 Benzoato de Isoamilo 2916.31.90.00 Las demás sales y ésteres del ácido benzoico

3 Butirato de Isoamilo 2915.60.19.00 Las demás sales y ésteres de los ácidos

butanoicos

4 Caproato de Isoamilo 2915.90.90.00

Los demás ácidos monocarboxílicos acíclicos saturados y sus anhídridos, halogenuros, peróxidos y peroxiácidos; sus derivados

halogenados, sulfonados, nitrados o nitrosados

5 Lactato de Isoamilo 2918.11.90.00 Las demás sales y ésteres del ácido láctico

6 Laurato de Isoamilo 2915.90.50.00 Ácido Láurico

7 Propanoato de

Isoamilo 2915.50.22.00 Ésteres del ácido propiónico

8 Salicilato de Isoamilo 2918.21.20.00 Sales de ácido salicílico

Fuente: Autor

Resulta evidente notar que, la única partida arancelaria que se refiere casi por completo a

uno de los ésteres de interés corresponde a la partida para el acetato de isoamilo. Todas

las demás partidas se refieren a un grupo de sustancias, bien sea sales o ésteres de ácidos

carboxílicos e incluso, algunas partidas solamente presentan datos para el ácido

carboxílico necesario para la producción del éster como el caso del laurato de isoamilo o

del caproato de isoamilo. En consecuencia, para realizar el análisis de la demanda de los

ésteres de interés y poder definir la cantidad que es posible vender de cada uno de estos

en el mercado nacional se estableció que dicha cantidad corresponde a un porcentaje del

promedio total de kilogramos exportados o importados durante los últimos cuatro años

(2015 - 2018) reportados en el BACEX [56] para cada una de las partidas arancelarias

descritas anteriormente. Esta suposición fue realizada debido a la escasa información

publicada respecto al mercado nacional de estos ésteres de interés y también debido a

que permite mostrar las capacidades de la metodología P-graph al analizar casos más

cercanos a la realidad con base en las condiciones actuales de mercado. Sin embargo,

debe tenerse en cuenta que el porcentaje es una suposición realizada con la información

disponible y que, en caso de ser publicada una información más actual o con mayor


relación a los ésteres de interés, esta información deberá ser actualizada y evaluada con

el ánimo de validar los resultados obtenidos en este trabajo.

El comportamiento de los kilogramos totales exportados para las partidas descritas en la

Tabla 53 durante los últimos cuatro años (2015 - 2018) se resume en la Figura 40. Es

evidente notar un crecimiento vertiginoso en las exportaciones de la partida arancelaria

donde se encuentra el acetato de isoamilo frente a las demás partidas arancelarias de los

otros ésteres de interés. De hecho, algunas partidas arancelarias como las del laurato de

isoamilo o salicilato de isoamilo registran valores tan bajos en exportaciones que se

encuentran prácticamente sobre el eje de las abscisas y las otras partidas presentan un

comportamiento decreciente. No obstante, las cantidades que se exportan localmente; en

general, siguen siendo bajas, ya que el registro máximo de exportaciones para la partida

arancelaria con mayores registros es de cerca de 174 toneladas métricas en el año 2017.

Figura 40. Kilogramos totales exportados - Partidas arancelarias relacionadas con los ésteres de interés: Acetato de Isoamilo; Benzoato de Isoamilo; Butirato de Isoamilo; Caproato de Isoamilo; Lactato de Isoamilo; Laurato de Isoamilo;

Propanoato de Isoamilo; Salicilato de Isoamilo Fuente: Autor

Por otro lado, la Figura 41 ilustra el comportamiento de los kilogramos totales importados

para las partidas descritas en la Tabla 53 durante los últimos cuatro años (2015 - 2018).


Es posible observar que, la cantidad de kilogramos reportada para las importaciones es

considerablemente mayor en comparación con las exportaciones lo cual indica que el

mercado nacional se centra es suplir la demanda por medio de las importaciones excepto

para el caso del acetato de isoamilo, cuya producción local ha aumentado

considerablemente en los últimos tres años generando que el volumen de exportaciones

de la partida arancelaria asociada a este éster aumente y el de importaciones disminuya.

Figura 41. Kilogramos totales importados - Partidas arancelarias relacionadas con los ésteres de interés: Acetato de Isoamilo; Benzoato de Isoamilo; Butirato de Isoamilo; Caproato de Isoamilo; Lactato de Isoamilo; Laurato de Isoamilo;

Propanoato de Isoamilo; Salicilato de Isoamilo Fuente: Autor

Con base en los comportamientos de exportaciones e importaciones descritos previamente

se estableció que, el análisis de la demanda para determinar cuánto es posible vender de

cada uno de los ésteres de interés se hará con base en un porcentaje del promedio de

kilogramos totales importados anualmente, en la cual se centra gran parte del mercado

local, excepto para el caso del acetato de isoamilo cuya producción local y aumento en las

exportaciones permite utilizar esta información como proyección.

La Tabla 54 describe el promedio de kilogramos totales importados anualmente para las

partidas arancelarias asociadas a los ésteres de isoamilo excepto para el caso del acetato


de isoamilo, cuyo valor reportado corresponde a los kilogramos totales exportados

anualmente, respectivamente.

Tabla 54. Demanda de kilogramos - Ésteres de Interés

No. Éster de interés

Promedio de kilogramos totales

exportados e importados

anualmente. Partidas Arancelarias

relacionadas (Periodo 2015 - 2018)

Porcentaje correspondiente

al éster de interés del

promedio de kilogramos

totales anuales

Demanda de kilogramos anuales

1 Acetato de Isoamilo

167.224,03 75 125.418,02

2 Benzoato de

Isoamilo 152.877,22 20 30.575,44

3 Butirato de Isoamilo

977.578,11 20 195.515,62

4 Caproato de

Isoamilo 2.095.467,7 5 104.773,39

5 Lactato de Isoamilo

1.433.423,19 1.5 21.501,35

6 Laurato de Isoamilo

358.196,57 5 17.909,83

7 Propanoato de

Isoamilo 56.981,56 20 11.396,31

8 Salicilato de

Isoamilo 2.173,27 20 43,47

Fuente: Autor

El porcentaje de los kilogramos totales anuales que corresponde cada uno de los ésteres

de interés fue definido con base en los siguientes criterios:

• El acetato de isoamilo es el único que tiene una partida arancelaria relacionada

casi por completo al éster de interés. Considerando que gran parte del acetato de

isoamilo local se produce procesando el aceite fusel y dado que el alcohol

isoamílico corresponde a una fracción mayoritaria de dicho aceite fue definida la

demanda del acetato de isoamilo como el 75 % de los kilogramos totales

exportados.

• El trabajo reportado por Durán [31] refiere un análisis de la demanda local de

200.000 kg para el caso del butirato de isoamilo. En consecuencia, esto equivale

aproximadamente al 20 % del promedio de kilogramos totales importados en los


últimos cuatro años. Por tal razón, dicho porcentaje se tomó como referencia para

aquellos ésteres de isoamilo cuya partida arancelaria se refiere a las sales y ésteres

del ácido carboxílico necesario para su producción; es decir, los ésteres: benzoato

de isoamilo, butirato de isoamilo, propanoato de isoamilo y salicilato de isoamilo. A

pesar de la partida arancelaria para el lactato de isoamilo también cumple con el

criterio de referirse a sales y ésteres del ácido carboxílico, su porcentaje fue definido

teniendo en cuenta otro criterio que se describe posteriormente.

• Para definir la demanda del caproato de isoamilo y del laurato de isoamilo se tuvo

en cuenta que las partidas arancelarias asociadas a los mismos se refieren

solamente al ácido carboxílico necesario para su producción. En consecuencia, se

definió que solamente el 5 % del promedio de kilogramos totales anuales

importados para dichas partidas arancelarias corresponde a los ésteres de interés.

• Finalmente, el porcentaje de kilogramos totales anuales para el lactato de isoamilo

fue establecido como 1,5 % debido a que es el éster con menos proveedores

reportados a nivel mundial, lo cual fue verificado al momento de realizar la

cotización y encontrar solamente un precio de venta de referencia.

4.3.6.1 Solución de algoritmo SSG+LP

Los resultados del análisis de la demanda para cada uno de los ésteres de isoamilo

descritos en la Tabla 54, fueron implementados en la herramienta P-graph Studio para

resolver nuevamente el algoritmo SSG+LP.

La ejecución del algoritmo SSG+LP con análisis de la demanda del mercado permitió

identificar un total de 255 redes de proceso óptimas en poco menos de un segundo


memoria RAM de 8 GB. De las 255 redes identificadas se encontraron 118 redes rentables

ya que las 137 redes restantes dan como resultado rentabilidades negativas.

La Tabla 55 ilustra las cuatro soluciones más rentables obtenidas por el algoritmo SSG+LP.

Es posible notar que, en comparación con los resultados obtenidos sin límites en el

mercado, los procesos de producción más rentables que tienen en cuenta el análisis de la


demanda del mercado y son sugeridos por el algoritmo implican la producción de más de

un éster de isoamilo.

Tabla 55. Soluciones - Algoritmo SSG+LP con análisis de la demanda del mercado

No. Procesos Sugeridos

de Producción Rentabilidad ($USD/año)

1

Acetato de Isoamilo Butirato de Isoamilo

Caproato de Isoamilo Lactato de Isoamilo

1.272.580

2

Acetato de Isoamilo Butirato de Isoamilo



1.216.440

3 Butirato de Isoamilo


1.181.530

4

Butirato de Isoamilo Caproato de Isoamilo Lactato de Isoamilo


1.125.390

Fuente: Autor

Sobresale que, la Tabla 55 resume la rentabilidad de los procesos más rentables obtenidos

al evaluar el algoritmo SSG+LP; no obstante, dichas respuestas deben complementarse

con los flujos másicos de cada corriente en cada proceso lo cual se ilustra posterior a la

descripción de la solución del algoritmo ABB.

4.3.6.2 Solución de algoritmo ABB

La solución del algoritmo ABB permitió identificar un total de 255 redes de proceso óptimas

en poco menos de un segundo empleando un computador con procesador AMD Phenom™

II X6 1055T de 2.8 GHz, y una memoria RAM de 8 GB. Las soluciones identificadas por

este algoritmo son iguales a las descritas en la Tabla 55. A continuación, se ilustran los

resultados gráficos obtenidos en la herramienta P-graph Studio para las soluciones

óptimas del algoritmo ABB y SSG+LP donde se evidencian los flujos másicos necesarios

en cada proceso productivo de las soluciones más rentables u óptimas.


Figura 42. Ruta óptima identificada con análisis de la demanda por los algoritmos SSG+LP y ABB. Productos: Acetato de Isoamilo, Butirato de Isoamilo, Caproato de Isoamilo y Lactato de Isoamilo

Rentabilidad: $USD/año 1.272.580 Fuente: Autor


Figura 43. Ruta cercana al óptimo identificada con análisis de la demanda por los algoritmos SSG+LP y ABB.

Productos: Acetato de Isoamilo, Butirato de Isoamilo, Caproato de Isoamilo, Lactato de Isoamilo y Propanoato de Isoamilo Rentabilidad: $USD/año 1.216.440

Fuente: Autor



Productos: Butirato de Isoamilo, Caproato de Isoamilo y Lactato de Isoamilo Rentabilidad: $USD/año 1.181.530

Fuente: Autor



Productos: Butirato de Isoamilo, Caproato de Isoamilo, Lactato de Isoamilo y Propanoato de Isoamilo Rentabilidad: $USD/año 1.125.390

Fuente: Autor

5. Conclusiones y recomendaciones

La presente sección ilustra las conclusiones más importantes obtenidas en el desarrollo

del presente trabajo junto con recomendaciones sobre temas puntuales los cuales, por su

pertinencia, se sugieren como temas de investigación para estudios posteriores.

5.1 Conclusiones

• La revisión de la hoja de ruta para el bioetanol en Colombia permitió proyectar un

crecimiento en su producción local para los próximos años. En consecuencia, se espera

que exista una mayor disponibilidad del subproducto aceite fusel del cual es posible

extraer alcohol isoamílico, un precursor en la fabricación de ésteres con aplicaciones

en la industria de aromas y saborizantes.

• Se realizó una exploración inicial sobre los ésteres derivados del alcohol isoamílico que

tuvieran reportadas aplicaciones como aromas y fragancias con el ánimo de definir

cuáles de estos ésteres son los de mayor importancia. Esta primera exploración permitió

encontrar 56 ésteres de interés los cuales posteriormente se redujeron a 18 teniendo

en cuenta que algunos de estos ésteres: a) no cuentan con proveedores reportados a

nivel mundial, b) se encuentran reportados para uso especializado y no comercial ya

que no se consiguen en presentaciones superiores a 100 g o c) no tienen rutas de

síntesis reportadas a través de la reacción de Fischer mediante la cual, el alcohol

isoamílico se combina con un ácido carboxílico para formar un éster y agua.

128 Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones

• Se efectuó un análisis de factores económicos, ambientales y sociales el cual, mediante

el cálculo de indicadores normalizados, permitió clasificar por orden de importancia los

18 ésteres de isoamilo obtenidos del análisis realizado en la exploración inicial. Esta

clasificación se realizó teniendo en cuenta que, los ésteres con menor índice

acumulativo resultan ser los de mayor importancia e interés para su producción. Como

resultado final se determinó que el éster más interesante de producir resulta ser el

lactato de isoamilo lo cual resulta entendible debido a su alto precio de venta (42

$USD/kg) conseguido mediante cotización. Sin embargo, el análisis de factores es

solamente un análisis preliminar que requiere de un posterior análisis de factibilidad

técnico y económico para complementar sus resultados.

Sobresale que, los resultados obtenidos en el análisis de factores fueron validados con

un ejemplo de la producción de acetato de etilo reportado en la literatura, obteniendo

una buena correspondencia.

• Para realizar el análisis de factibilidad técnico se planteó realizar el modelado y

simulación de los procesos productivos para la producción de los 18 ésteres de interés.

Sin embargo, solamente se encontraron modelos de cinéticas químicas reportados para

ocho de los 18 ésteres; por tal razón, el análisis de factibilidad técnico junto con el

análisis económico se realizó únicamente sobre estos 8 ésteres que corresponden a:

acetato de isoamilo, benzoato de isoamilo, butirato de isoamilo, caproato de isoamilo,

lactato de isoamilo, laurato de isoamilo, propanoato de isoamilo y salicilato de isoamilo,

respectivamente. De aquí se concluye que una fuerte limitante en la realización del

estudio de análisis técnico se encuentra en la disponibilidad de información actual.

• Dentro de la investigación realizada se encontró que existen esquemas de proceso

convencionales o con procesos integrados (principalmente destilación reactiva) que

permiten la producción de ésteres de isoamilo; en consecuencia, debido a que se

encontraban publicados los diseños de columnas de destilación reactiva para tres de

los ocho ésteres, estos diseños fueron utilizados para modelar el acetato de isoamilo,

butirato de isoamilo y propanoato de isoamilo, mientras que los otros cinco fueron

modelados mediante métodos convencionales descritos en la literatura.

Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones 129

• Las condiciones de operación para el modelado y simulación de los ésteres de isoamilo

fueron tomadas de la literatura en el caso de las destilaciones reactivas y para los

procesos convencionales fueron una combinación de reportes de la literatura y diseño

por parte del autor. Algunos de los procesos convencionales reportados en el presente

trabajo no tienen referentes en la literatura lo cual supone un avance en la exploración

de más aplicaciones para el alcohol isoamílico como precursor en la formación de

ésteres.

• La simulación de los 5 procesos convencionales y 3 procesos de destilación reactiva

permitió obtener procesos técnicamente factibles y viables. Debido a que los procesos

convencionales no cuentan con un referente para realizar un comparativo que

permitiera validarlos, solamente fueron validados los procesos simultáneos de

destilación reactiva, para los cuales se obtuvo una buena correspondencia con las

composiciones de salida del éster de interés y los perfiles de composición de las

columnas respecto a la información reportada en la literatura.

• A partir del análisis técnico donde se definió la factibilidad de los procesos productivos

de los ésteres de interés fue realizado un análisis económico para cada uno de estos

procesos el cual incluyó la determinación de los costos de instalación y operación

asociados a cada uno de los procesos de interés. Para el caso de los costos de

instalación, estos fueron actualizados para el año 2018 utilizando los índices CEPCI

mientras que para los costos de operación se emplearon fuentes bibliográficas

publicadas en el último año. Como conclusión se resalta la importancia de utilizar

precios actuales de instalación y operación, ya que los costos históricos pueden variar

considerablemente; en especial, los costos relacionados con las utilidades de proceso.

• Una vez realizado el análisis de factibilidad técnico y económico fue implementada la

metodología P-graph para realizar la síntesis de redes de proceso y determinar cuáles

son las rutas de proceso técnicamente factibles y económicamente más rentables

asociadas a los ocho ésteres de interés definidos previamente. Es importante destacar

la diferencia entre rutas o redes de proceso y esquemas de proceso ya que las primeras

permiten saber cuáles son los productos que deben producirse y en qué proporciones;

en este caso, utilizando la metodología P-graph y la segunda corresponde al conjunto


de operaciones unitarias que permiten la producción de un determinado éster de

isoamilo.

• Se construyó una superestructura de proceso con base en los axiomas propios de la

metodología P-graph, obteniendo como resultado final una superestructura consolidada

que permite evaluar los algoritmos de la metodología sin considerar y considerando el

análisis de la demanda de los ésteres de isoamilo en el mercado.

• Se determinó que la metodología P-graph puede ser aplicada satisfactoriamente para

la determinación de las redes de proceso más rentables en la producción de ésteres de

isoamilo. Esto se fundamentó al evaluar los algoritmos propios de la metodología P-

graph y obtener cuáles de los procesos resultarían más rentables de producir con y sin

considerar el análisis de la demanda en el mercado. Como resultado final, se obtuvo

que sin considerar las condiciones de mercado el éster más rentable para su producción

corresponde al lactato de isoamilo mientras que, considerando las condiciones del

mercado, las rutas de proceso más rentables sugeridas por la metodología no se

enfocan en la producción de único producto sino en la producción de más de un éster,

en este caso, la producción de acetato de Isoamilo, butirato de Isoamilo, caproato de

Isoamilo y lactato de Isoamilo como ruta de proceso óptima. La metodología incluye las

cantidades de materia prima y productos de interés necesarias para que el proceso sea

rentable cumpliendo los balances de materia previamente definidos en el análisis

técnico de los procesos.

5.2 Recomendaciones

• Tal como se describió en el desarrollo del análisis de factores, de los 18 ésteres de

interés obtenidos solamente pudo realizarse el análisis de factibilidad técnico y

económico sobre ocho de ellos debido a que no se contaba con suficiente información

de las cinéticas químicas reportadas para modelar y simular las demás sustancias; en

consecuencia, se sugiere para futuras investigaciones estudiar y complementar los

resultados descritos en el presente documento con uno o varios de los 10 ésteres de

interés que no fueron abordados con la misma profundidad cuando exista la

disponibilidad de información o cuando se realicen las mediciones experimentales para

Capítulo 5. Conclusiones y recomendaciones 131

determinar las condiciones y las expresiones cinéticas que permitan realizar el posterior

modelado y simulación del proceso.

• Las rutas de proceso convencionales y de procesos simultáneos utilizadas en el

presente documento parten de la información disponible en la literatura. Sin embargo,

para futuras investigaciones se sugiere complementar estas rutas de proceso con

procesos adicionales como destilaciones reactivas para los 5 procesos estudiados

como procesos convencionales u otros tipos de procesos productivos asociados a la

fabricación de ésteres que permitan ampliar el espacio de búsqueda de soluciones de

la metodología P-graph y evaluar entre varios tipos de proceso para producir un

producto, cuáles resultarían más rentables y técnicamente viables.

• La evaluación de los procesos convencionales descritos en el presente documento se

realizó únicamente con el modelo de actividad UNIFAC debido a falta de información

reportada para los equilibrios de fases de las sustancias involucradas en los procesos

de esterificación. En consecuencia, resulta necesario validar los resultados obtenidos y

descritos en el presente documento cuando en el futuro exista más información

disponible o se realicen las mediciones experimentales para obtener los parámetros

para otro tipo de modelo de actividad como NRTL o UNIQUAC.

• Debido a que el análisis de mercados realizado para resolver la metodología P-graph

se enfoca únicamente en el mercado nacional, se sugiere a futuro realizar un análisis

de mercados más exhaustivo que permitan definir mejor la evaluación del P-graph y la

pertinencia de la producción de los ésteres de isoamilo para su posible venta en

mercados internacionales

• Las cotizaciones realizadas para efectuar el análisis de factores se fundamentan en

precios para grandes volúmenes de venta de los ésteres de isoamilo. No obstante,

continúa siendo una dificultad conseguir precios de este tipo de sustancias a nivel global

y local. En consecuencia, se sugiere realizar una nueva validación de los precios en los

mercados internacionales respecto a los reportados en el presente trabajo para

mantener un referente sobre los precios de venta y de compra de los ésteres de interés

y los ácidos carboxílicos necesarios para su producción.


• Los resultados de la metodología P-graph planteados en el presente trabajo fueron

limitados a evaluar solamente una de las dimensiones descritas en el capítulo dos; en

este caso, la dimensión económica. No obstante, se propone que los resultados

actuales sirvan como base para que, en un trabajo futuro, también sean abordadas

dentro del análisis de la metodología P-graph, las dimensiones sociales y ambientales,

Esto permitiría tener un criterio más robusto para realizar la selección de los ésteres de

isoamilo de mayor interés.

• Es preciso señalar que, los procesos descritos en el presente documento fueron

abordados de manera continua. Esto fue justificado teniendo en cuenta varias razones:

a) la cantidad de alcohol isoamílico disponible para su aprovechamiento se encuentra

dentro del rango de procesos en continuo de acuerdo con lo descrito por Skogestad

[77], b) las cantidades que se producen para cada uno de los ésteres de isoamilo

también se encuentran dentro del rango descrito previamente para el alcohol, c) bajo la

suposición de mercado favorable, en la cual todo lo que se produce se puede vender,

es posible abordar los procesos de forma continua ya que se cumple con los rangos de

trabajo para los procesos en continuo y d) el uso de la metodología P-graph ha sido

ampliamente extendido para abordar problemas en continuo y no por lotes de acuerdo

con lo descrito por Adonyi [92].

Por otro lado, las limitaciones del mercado local sugieren que el proceso debe abordarse

por lotes y no de forma continua. En consecuencia, como recomendación se sugiere: a)

para mantener la condición de continuo es posible considerar no solamente la materia

prima local sino también la materia prima cercana como la proveniente de Brasil para

aumentar los flujos de operación y garantizar que el proceso siempre será en continuo,

b) es posible considerar no solamente las condiciones de mercado nacional sino

internacional, lo cual podría permitir acercarse a la condición de mercado favorable, en

la cual todo lo que se produce se puede vender y c) es posible resolver el problema de

síntesis de redes de proceso empleando la metodología P-graph para procesos por

lotes teniendo en cuenta que todas las simulaciones y sus respectivas evaluaciones

económicas deben resolverse con esta consideración. En consecuencia, se sugiere en

un trabajo posterior utilizar el presente trabajo como base para evaluar procesos de

producción por lotes en los cuales, sería posible incluso obtener una mejor rentabilidad

a la publicada en el presente estudio.

Anexo I: Propiedades de Ésteres de Isoamilo. Análisis de Factores

El anexo I resume las tablas de propiedades utilizadas para realizar el análisis de factores

de cada uno de los 18 ésteres de isoamilo descritos en el capítulo dos:

• 2-Metilbutirato de Isoamilo

• Acetato de Isoamilo

• Benzoato de Isoamilo

• Butirato de Isoamilo

• Cinamato de Isoamilo

• Decanoato de Isoamilo (Caprato de Isoamilo)

• Fenilacetato de Isoamilo

• Formiato de Isoamilo

• Hexanoato de Isoamilo (Caproato de Isoamilo)

• Isobutirato de Isoamilo

• Isovalerato de Isoamilo

• Lactato de Isoamilo

• Laurato de Isoamilo

• Octanoato de Isoamilo (Caprilato de Isoamilo)

• p-Metoxicinamato de Isoamilo

• Propanoato de Isoamilo

• Salicilato de Isoamilo

• Valerato de Isoamilo

134 Anexo I: Propiedades de Ésteres de Isoamilo. Análisis de Factores

Anexo A - 1. Propiedades - Análisis de Factores - 2-Metilbutirato de Isoamilo


Nombre Ácido 2-

metilbutanoico Alcohol

Isoamílico 2-Metilbutirato

de Isoamilo Agua

CAS 116-53-0 123-51-3 27625-35-0 7732-18-5

Fórmula Molecular C5H10O2 C5H12O C10H20O2 H2O


Temperatura de Ebullición (°C) - SciFinder ®

176,5 132,5 185 100

Precio ($US/kg) 8,2* 1,068** 18*** 0

Coeficiente Estequiométrico -1 -1 1 1


ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0

Log Kow - QSAR Toolbox [64] 1,18 1,16 3,66 0

DP - BIOWIN 5 [65] 0,589 0,660 0,592 1,00

LC50 a 96 horas (mg/L)

Especie: Peces Pimephales Promelas - TEST [67]

182,16 307,75 6,22 0

EC50 a 96 horas (mg/L) Especie: Algas Verdes

ECOSAR [68] 804,35 99,84 1,40 0

UEL - Pohanish [37], Ellison [103], Hanley [69], Hshieh [70]

5,7 9 3,69 0

LEL - Pohanish [37], Ellison [103], Hanley [69], Hshieh [70]

1,2| 1,2 0,71 0

Reactividad - Pohanish [37], Merck [104], Advanced Biotech [105]

1 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], Merck [104], Advanced Biotech [105]

2 2 2 0

Temperatura de reacción (°C) - Seo [106]

20

Presión de reacción (atm) - Seo [106]

1

Conversión de reacción - Seo [106]

87

Dosis letal 50 %(LD50) (mg/kg) TEST [67]

1750,81 1301,13 4390,40 0

TLVTWA - ppm Pohanish [37]

0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], Sigma-Aldrich [107], Advanced Biotech [105]

3 1 0 0

Nota: * Cotización: Haihang Industry Co., Ltd. [108]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Zhejiang J&C Biological Technology Co., Limited [109]

Fuente: Autor

Anexo I: Propiedades de Ésteres de Isoamilo. Análisis de Factores 135

Anexo A - 2. Propiedades - Análisis de Factores - Acetato de Isoamilo


Nombre Ácido

Acético Alcohol


Agua

CAS 64-19-7 123-51-3 123-92-2 7732-18-5




117,9 132,5 142,5 100

Precio ($US/kg) 0,73* 1,068** 2,70*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0,187 0,86 0,284 0

AP 0 0 0 0

Log Kow - QSAR Toolbox [64] -0,17 1,16 2,25 0

DP - BIOWIN 5 [65] 0,715 0,660 0,718 1,00



83,48 307,75 44,43 0


ECOSAR [68] 4403,03 99,84 10,07 0

UEL - Pohanish [37] 19,9 9 7,5 0

LEL - Pohanish [37] 4 1,2 1 0

Reactividad - Pohanish [37] 2 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37] 2 2 3 0

Temperatura de reacción (°C) - González [40]

90

Presión de reacción (atm) - González [40]

1

Conversión de reacción - González [40]

99

Dosis letal 50 %(LD50) (mg/kg) - TEST [67]

3308,15 1301,13 16620,51 0


10 100 100 0

Toxicidad - Pohanish [37] 2 1 1 0

Nota: * Cotización: Jinzhou Lvzhiyuan Fertilizer Factory [55]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Zhengzhou Yi Bang Industry Co. [57]

Fuente: Autor


Anexo A - 3. Propiedades - Análisis de Factores - Benzoato de isoamilo


Nombre Ácido Benzoico Alcohol

Isoamílico Benzoato de

Isoamilo Agua

CAS 65-85-0 123-51-3 94-46-2 7732-18-5




249,2 132,5 261 100

Precio ($US/kg) 3,15* 1,068** 8,49*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,767 0,660 0,574 1,00



106,35 307,75 1,59 0


ECOSAR [68] 518,37 99,84 1,43 0

UEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70]

7,03 9 3,46 0

LEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70]

1,44 1,2 0,66 0

Reactividad - Pohanish [37], Sigma-Aldrich [110], TCI-America [111]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], Sigma-Aldrich [110], TCI-America [111]

1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Xue [47]

110

Presión de reacción (atm) - Xue [47]

1

Conversión de reacción - Xue [47]

90


1701,46 1301,13 6337,74 0


0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], Sigma-Aldrich [110], TCI-America [111]

2 1 0 0

Nota: * Cotización: Hubei Ocean Biotech Co., Ltd. [112]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Xiamen Aeco Chemical Industrial Co., Ltd. [113]

Fuente: Autor


Anexo A - 4. Propiedades - Análisis de Factores - Butirato de isoamilo


Nombre Ácido Butírico Alcohol

Isoamílico Butirato de

Isoamilo Agua

CAS 107-92-6 123-51-3 106-27-4 7732-18-5




165,5 132,5 179 100

Precio ($US/kg) 3,18* 1,068** 5,75*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0,494 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,730 0,660 0,733 1,00



139,34 307,75 12,96 0


ECOSAR [68] 1350,05 99,84 2,52 0

UEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], GSM [114]

10 9 4,12 0

LEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], GSM [114]

2 1,2 0,81 0

Reactividad - Pohanish [37], GSM [114], Sigma-Aldrich [115]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], GSM [114], Sigma-Aldrich [115]

2 2 2 0

Temperatura de reacción (°C) - Durán [31]

95

Presión de reacción (atm) - Durán [31]

1

Conversión de reacción - Durán [31]

99


2000,20 1301,13 10765,40 0


0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], GSM [114], Sigma-Aldrich [115]

3 1 2 0

Nota: * Cotización: Orchid Chemical Supplies Ltd. [116]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Shanghai Jiuqi Biotechnology Co., Ltd. [117]

Fuente: Autor


Anexo A - 5. Propiedades - Análisis de Factores - Cinamato de Isoamilo


Nombre Ácido

Cinámico Alcohol

Isoamílico Cinamato de

Isoamilo Agua

CAS 621-82-9 123-51-3 7779-65-9 7732-18-5



Temperatura de Ebullición (°C) - SciFinder ®, Chemical-Book [118]

300 132,5 310 100

Precio ($US/kg) 5,5* 1,068** 11,29*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,506 0,660 0,509 1,00



8,31 307,75 0,51 0


ECOSAR [68] 459,94 99,84 0,69 0


5,22 9 2,95 0


1,06 1,2 0,53 0

Reactividad - Pohanish [37], SCB[119], Advanced Biotech [120]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], SCB [119], Advanced Biotech [120]

1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Ma [121]

140

Presión de reacción (atm) - Ma [121]

1

Conversión de reacción - Ma [121]

95


2498,97 1301,13 6139,58 0

TLVTWA - ppm Pohanish [37], SCB [119]

10 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], SCB [119], Advanced Biotech [120]

2 1 0 0

Nota: * Cotización: Hangzhou Pharma&Chem Co., Ltd. [122]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Hongkong Yuancheng Gongchuang Tec. [123]

Fuente: Autor


Anexo A - 6. Propiedades - Análisis de Factores - Decanoato (Caprato) de Isoamilo


Nombre Ácido Cáprico Alcohol

Isoamílico Caprato de

Isoamilo Agua

CAS 334-48-5 123-51-3 2306-91-4 7732-18-5




268,7 132,5 281,3 100

Precio ($US/kg) 4,55* 1,068** 14,70*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,777 0,660 0,779 1,00



3,63 307,75 1,21 0


ECOSAR [68] 24,09 99,84 0,034 0


5,5 9 2,41 0


0,8 1,2 0,39 0

Reactividad - Pohanish [37], TCI-America [124]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], TCI-America [124]

1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Saxena [125]

50

Presión de reacción (atm) - Saxena [125]

1

Conversión de reacción - Saxena [125]

34


7146,16 1301,13 14036,82 0


0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], TCI-America [124]

2 1 0 0

Nota: * Cotización: Orchid Chemical Supplies Ltd. [126]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Orchid Chemical Supplies Ltd. [127]

Fuente: Autor


Anexo A - 7. Propiedades - Análisis de Factores - Fenilacetato de Isoamilo


Nombre Ácido

Fenilacético Alcohol

Isoamílico Fenilacetato de Isoamilo

Agua

CAS 103-82-2 123-51-3 102-19-2 7732-18-5




265,5 132,5 250,5 100

Precio ($US/kg) 8,16* 1,068** 12,45*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,474 0,660 0,477 1,00



70,16 307,75 7,37 0


ECOSAR [68] 1176,48 99,84 1,02 0


5,70 9 3,15 0


1,16 1,2 0,58 0

Reactividad - Pohanish [37], Advanced Biotech [128], Advanced Biotech [129]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], Advanced Biotech [128], Advanced Biotech [129]

1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Chakraborti [130]

80

Presión de reacción (atm) - Chakraborti [130]

1

Conversión de reacción - Chakraborti [130]

83


2249,31 1301,13 4085,70 0


0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], Advanced Biotech [128], Advanced Biotech [129]

3 1 1 0

Nota: * Cotización: Earth Chemical & Scientific PVC. [131]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Fuzhou Farwell Import & Export Co., Ltd. [132]

Fuente: Autor


Anexo A - 8. Propiedades - Análisis de Factores - Formiato de Isoamilo


Nombre Ácido Fórmico Alcohol

Isoamílico Formiato de

Isoamilo Agua

CAS 64-18-6 123-51-3 110-45-2 7732-18-5

Fórmula Molecular CH2O2 C5H12O C6H12O2 H2O



100,5 132,5 123,5 100

Precio ($US/kg) 0,87* 1,068** 11*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0,0174 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,756 0,660 0,759 1,00



685 307,75 45,9 0


ECOSAR [68] 807,35 99,84 21,68 0

UEL - Pohanish [37], Sigma-Aldrich [133]

57 9 8 0

LEL - Pohanish [37], Sigma-Aldrich [133]

18 1,2 1,2 0

Reactividad - Pohanish [37], TCI-America [134]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], TCI-America [134]

2 2 3 0

Temperatura de reacción (°C) - Liao [135]

97

Presión de reacción (atm) - Liao [135]

1

Conversión de reacción - Liao [135]

91


1099,11 1301,13 9843,09 0

TLVTWA - ppm Pohanish [37], CDC [136]

5 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], TCI-America [134]

3 1 2 0

Nota: * Cotización: Changzhou Truly Foreign Trade Co., Ltd. [137]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Shanghai Jiuqi Biotechnology Co., Ltd. [138]

Fuente: Autor


Anexo A - 9. Propiedades - Análisis de Factores - Hexanoato (Caproato) de Isoamilo


Nombre Ácido Caproico Alcohol

Isoamílico Caproato de

Isoamilo Agua

CAS 142-62-1 123-51-3 2198-61-0 7732-18-5




205,8 132,5 225,5 100

Precio ($US/kg) 4,83* 1,068** 9,7*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,746 0,660 0,749 1,00



167,93 307,75 5,25 0


ECOSAR [68] 371,98 99,84 0,609 0

UEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], ThermoFisher [139]

9,3 9 3,33 0

LEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], ThermoFisher [139]

1,3 1,2 0,62 0

Reactividad - Pohanish [37], ThermoFisher [139], TCI-America [140]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], ThermoFisher [139], TCI-America [140]

1 2 2 0

Temperatura de reacción (°C) - Aponte [43]

110

Presión de reacción (atm) - Aponte [43]

1

Conversión de reacción - Aponte [43]

85


1901,65 1301,13 8790,55 0

TLVTWA - ppm Pohanish [37], CDC [136]

0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], ThermoFisher [139], TCI-America [140]

3 1 0 0

Nota: * Cotización: Orchid Chemical Supplies Ltd. [141]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Haihang Industry (Jinan) Co., Ltd. [142]

Fuente: Autor


Anexo A - 10. Propiedades - Análisis de Factores - Isobutirato de Isoamilo


Nombre Ácido

Isobutírico Alcohol

Isoamílico Isobutirato de

Isoamilo Agua

CAS 79-31-2 123-51-3 2050-01-3 7732-18-5



Temperatura de Ebullición (°C) - SciFinder ® 153,5 132,5 168,5 100

Precio ($US/kg) 3,248* 1,068** 5,5*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0,326 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,581 0,660 0,584 1,00



294,06 307,75 9,47 0


ECOSAR [68] 1517,84 99,84 2,83 0


9,2 9 4,12 0


2 1,2 0,81 0

Reactividad - Pohanish [37], ThermoFisher [143], Advanced Biotech [144]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], ThermoFisher [143], Advanced Biotech [144]

2 2 2 0

Temperatura de reacción (°C) - Chen [145]

97

Presión de reacción (atm) - Chen [145]

1

Conversión de reacción - Chen [145]

94


266,12 1301,13 8580,88 0


0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], ThermoFisher [143], Advanced Biotech [144]

3 1 0 0

Nota: * Cotización: Haihang Industry Co., Ltd. [146]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Simagchem Corp. [147]

Fuente: Autor


Anexo A - 11. Propiedades - Análisis de Factores - Isovalerato de Isoamilo


Nombre Ácido

Isovalérico Alcohol

Isoamílico Isovalerato de

Isoamilo Agua

CAS 503-74-2 123-51-3 659-70-1 7732-18-5



Temperatura de Ebullición (°C) - SciFinder ® 176,5 132,5 190,4 100

Precio ($US/kg) 5,48* 1,068** 7,8*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 1,2 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,589 0,660 0,592 1,00



159,31 307,75 6,43 0


ECOSAR [68] 804,35 99,84 1,40 0


6,80 9 3,69 0


1,60 1,2 0,71 0


0 0 0 0


1 2 2 0

Temperatura de reacción (°C) - Lin [150]

110

Presión de reacción (atm) - Lin [150]

1

Conversión de reacción - Lin [150]

97


1850,28 1301,13 5628,10 0


0 100 0 0


3 1 0 0

Nota: * Cotización: Jinan Qinmu Fine Chemical Co. [151]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Orchid Chemical Supplies Ltd. [152]

Fuente: Autor


Anexo A - 12. Propiedades - Análisis de Factores - Lactato de Isoamilo


Nombre Ácido

Láctico Alcohol

Isoamílico Lactato de Isoamilo

Agua

CAS 50-21-5 123-51-3 19329-89-6 7732-18-5



Temperatura de Ebullición (°C) - SciFinder ®, Aspen Plus ®

216,85 132,5 202,4 100

Precio ($US/kg) 2,2* 1,068** 42*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,736 0,660 0,739 1,00



1683,32 307,75 92,18 0


ECOSAR [68] 21338,5 99,84 66,88 0


16,69 9 4,85 0


3,26 1,2 0,98 0


1 0 0 0


1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Jiang [46]

105

Presión de reacción (atm) - Jiang [46]

1

Conversión de reacción - Jiang [46]

85


3545,49 1301,13 6641,58 0


0 100 0 0


2 1 0 0

Nota: * Cotización: Shanghai Terppon Chemical Co. [155]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Zhejiang J&C Biological Technology Co., Ltd. [156]

Fuente: Autor


Anexo A - 13. Propiedades - Análisis de Factores - Laurato de Isoamilo


Nombre Ácido Láurico Alcohol

Isoamílico Laurato de Isoamilo

Agua

CAS 143-07-7 123-51-3 6309-51-9 7732-18-5



Temperatura de Ebullición (°C) - SciFinder ®, chemBlink [157]

298,9 132,5 311,8 100

Precio ($US/kg) 4,5* 1,068** 8*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,792 0,660 0,795 1,00



3,40 307,75 0,80 0


ECOSAR [68] 5,86 99,84 0,0077 0

UEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], SCB [158]

8,4 9 2,11 0

LEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], SCB [158]

0,6 1,2 0,32 0

Reactividad - Pohanish [37], SCB [158], TCI-America [159]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], SCB [158], TCI-America [159]

1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Ceballos [44]

110

Presión de reacción (atm) - Ceballos [44]

1

Conversión de reacción - Ceballos [44]

80


11989,77 1301,13 18180,77 0


0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], SCB [158], TCI-America [159]

2 1 0 0

Nota: * Cotización: Shanghai Jiulin Industrial Co., Ltd. [160]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Haihang Industry (Jinan) Co., Ltd. [161]

Fuente: Autor


Anexo A - 14. Propiedades - Análisis de Factores - Octanoato (Caprilato) de Isoamilo


Nombre Ácido

Caprílico Alcohol

Isoamílico Caprilato de

Isoamilo Agua

CAS 124-07-2 123-51-3 2035-99-6 7732-18-5




239,7 132,5 267,5 100

Precio ($US/kg) 4,85* 1,068** 7,8*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,761 0,660 0,764 1,00



9,04 307,75 2,03 0


ECOSAR [68] 96,51 99,84 0,144 0

UEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], VVF [162]

4,73 9 2,80 0

LEL - Pohanish [37], Hanley [69], Hshieh [70], VVF [162]

1,4 1,2 0,49 0


0 0 0 0


1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) -

Kumar [165] 50

Presión de reacción (atm) -

Kumar [165] 1

Conversión de reacción -

Kumar [165] 60


10071,30 1301,13 10915,94 0


0 100 0 0


3 1 0 0


Fuente: Autor


Anexo A - 15. Propiedades - Análisis de Factores - p-Metoxicinamato de Isoamilo


Nombre Ácido

p-Metoxicinámico Alcohol

Isoamílico p-Metoxicinamato

de Isoamilo Agua

CAS 830-09-1 123-51-3 71617-10-2 7732-18-5




342,6 132,5 362,8 100

Precio ($US/kg) 31,5* 1,068** 37,2*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,604 0,660 0,607 1,00



2,87 307,75 1,01 0


ECOSAR [68] 486,23 99,84 0,691 0


4,65 9 2,76 0


0,93 1,2 0,48 0

Reactividad - Pohanish [37], ThermoFisher [168], SCB[169]

0 0 0 0

Inflamabilidad - Pohanish [37], ThermoFisher [168], SCB[169]

1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Lin [170]

100

Presión de reacción (atm) - Lin [170]

1

Conversión de reacción - Lin [170]

89


3397,41 1301,13 9595,42 0


0 100 0 0

Toxicidad - Pohanish [37], ThermoFisher [168], SCB[169]

2 1 1 0

Nota: * Cotización: Shanghai Worldyang Chemical Co., Ltd. [171]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Haihang Industry Co., Ltd. [172]

Fuente: Autor


Anexo A - 16. Propiedades - Análisis de Factores - Propanoato de Isoamilo


Nombre Ácido

Propanoico Alcohol

Isoamílico Propanoato de Isoamilo

Agua

CAS 79-09-4 123-51-3 105-68-0 7732-18-5




141,1 132,5 160,2 100

Precio ($US/kg) 3,55* 1,068** 5,4*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0,332 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,723 0,660 0,726 1,00


Especie: Peces Pimephales Promelas – TEST [67]

248,12 307,75 21,98 0


ECOSAR [68] 2483,01 99,84 5,06 0


12,1 9 4,68 0


2,1 1,2 0,94 0


0 0 0 0


2 2 2 0

Temperatura de reacción (°C) - Leyva [30]

100

Presión de reacción (atm) - Leyva [30]

1

Conversión de reacción - Leyva [30]

99


2598,72 1301,13 7909,95 0


10 100 0 0


3 1 0 0


Fuente: Autor


Anexo A - 17. Propiedades - Análisis de Factores - Salicilato de Isoamilo


Nombre Ácido

Salicílico Alcohol

Isoamílico Salicilato de

Isoamilo Agua

CAS 69-72-7 123-51-3 87-20-7 7732-18-5



Temperatura de Ebullición (°C) - SciFinder ®, Aspen Plus ®

255,85 132,5 278 100

Precio ($US/kg) 3,5* 1,068** 8,5*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,775 0,660 0,582 1,00



89,41 307,75 3,68 0


ECOSAR [68] 11,35 99,84 0,444 0


7,51 9 3,58 0


1,1 1,2 0,68 0


0 0 0 0


1 2 1 0

Temperatura de reacción (°C) - Akbay [45]

85

Presión de reacción (atm) - Akbay [45]

1

Conversión de reacción - Akbay [45]

40


891,84 1301,13 3301,02 0


0 100 0 0


2 1 2 0

Nota: * Cotización: Orchid Chemical Supplies Ltd. [179]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Shanghai BenoChem Co., Ltd. [180]

Fuente: Autor


Anexo A - 18. Propiedades - Análisis de Factores - Valerato de isoamilo


Nombre Ácido

Valérico Alcohol

Isoamílico Valerato de

isoamilo Agua

CAS 109-52-4 123-51-3 2050-09-1 7732-18-5




186,5 132,5 188,5 100

Precio ($US/kg) 6,77* 1,068** 15*** 0



ODP 0 0 0 0

PCOP - WAR [62] 0 0,86 0 0

AP 0 0 0 0


DP - BIOWIN 5 [65] 0,738 0,660 0,741 1,00



76,96 307,75 3,76 0


ECOSAR [68] 715,44 99,84 1,24 0


7,3 9 3,68 0


1,6 1,2 0,71 0


0 0 0 0


2 2 2 0

Temperatura de reacción (°C) - Kumar [165]

50

Presión de reacción (atm) - Kumar [165]

1

Conversión de reacción - Kumar [165]

80


1717,48 1301,13 10756,02 0


0 100 0 0


3 1 1 0

Nota: * Cotización: Aecochem Corp. [183]; ** Cotización: BACEX [56]; *** Cotización: Zhejiang J&C Biological Technology Co., Ltd. [184]

Fuente: Autor

Anexo II: Caracterización de Costos - Operaciones Unitarias

El anexo II ilustra las regresiones lineales de costos de instalación y operación realizadas

para cada uno de los ésteres de isoamilo de interés definidos en el presente trabajo:

• Acetato de Isoamilo

• Propionato de Isoamilo

• Butirato de Isoamilo

• Benzoato de Isoamilo

• Caproato de Isoamilo

• Lactato de Isoamilo

• Laurato de Isoamilo

• Salicilato de Isoamilo

Anexo II: Caracterización de Costos - Operaciones Unitarias 153

Regresiones lineales de costo – Acetato de Isoamilo

Figura B - 1. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Acetato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 2. Regresión Lineal - Costos de Operación - Acetato de Isoamilo

Fuente: Autor Regresiones lineales de costo – Propanoato de Isoamilo

154 Anexo II: Caracterización de Costos - Operaciones Unitarias

Figura B - 3. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Propanoato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 4. Regresión Lineal - Costos de Operación - Propanoato de Isoamilo Fuente: Autor

Regresiones lineales de costo – Butirato de Isoamilo


Figura B - 5. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Butirato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 6. Regresión Lineal - Costos de Operación - Butirato de Isoamilo Fuente: Autor

Regresiones lineales de costo – Benzoato de Isoamilo


Figura B - 7. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Reactor - Benzoato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 8. Regresión Lineal - Costos de Operación - Reactor - Benzoato de Isoamilo Fuente: Autor


Figura B - 9. Regresión Lineal - Costos de Instalación – Columna de Destilación 1 -

Benzoato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 10. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 1 - Benzoato de Isoamilo

Fuente: Autor


Figura B - 11. Regresión Lineal - Costos de Instalación – Columna de Destilación 2 - Benzoato de Isoamilo

Fuente: Autor

Figura B - 12. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 2 - Benzoato de Isoamilo

Fuente: Autor


Regresiones lineales de costo – Caproato de Isoamilo

Figura B - 13. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Reactor - Caproato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 14. Regresión Lineal - Costos de Operación - Reactor - Caproato de Isoamilo Fuente: Autor



Caproato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 16. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 1 - Caproato de Isoamilo

Fuente: Autor


Figura B - 17. Regresión Lineal - Costos de Instalación – Columna de Destilación 2 - Caproato de Isoamilo

Fuente: Autor

Figura B - 18. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 2 - Caproato de Isoamilo

Fuente: Autor


Regresiones lineales de costo – Lactato de Isoamilo

Figura B - 19. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Reactor - Lactato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 20. Regresión Lineal - Costos de Operación - Reactor - Lactato de Isoamilo Fuente: Autor



Lactato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 22. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 1 - Lactato de Isoamilo

Fuente: Autor


Figura B - 23. Regresión Lineal - Costos de Instalación – Columna de Destilación 2 - Lactato de Isoamilo

Fuente: Autor

Figura B - 24. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 2 - Lactato de Isoamilo

Fuente: Autor


Regresiones lineales de costo – Laurato de Isoamilo

Figura B - 25. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Reactor - Laurato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 26. Regresión Lineal - Costos de Operación - Reactor - Laurato de Isoamilo Fuente: Autor



Laurato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 28. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 1 - Laurato de Isoamilo

Fuente: Autor


Figura B - 29. Regresión Lineal - Costos de Instalación – Columna de Destilación 2 - Laurato de Isoamilo

Fuente: Autor

Figura B - 30. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 2 - Laurato de Isoamilo

Fuente: Autor


Regresiones lineales de costo – Salicilato de Isoamilo

Figura B - 31. Regresión Lineal - Costos de Instalación - Reactor - Salicilato de Isoamilo Fuente: Autor

Figura B - 32. Regresión Lineal - Costos de Operación - Reactor - Salicilato de Isoamilo Fuente: Autor


Figura B - 33. Regresión Lineal - Costos de Instalación – Columna de Destilación 1 - Salicilato de Isoamilo

Fuente: Autor

Figura B - 34. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 1 - Salicilato de Isoamilo

Fuente: Autor


Figura B - 35. Regresión Lineal - Costos de Instalación – Columna de Destilación 2 - Salicilato de Isoamilo

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Figura B - 36. Regresión Lineal - Costos de Operación – Columna de Destilación 2 - Salicilato de Isoamilo

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