Techno-economic assessment of pilot-scale nanocellulose production from pineapple peel residues in Costa Rica

Resumen Técnico: Evaluación Tecnoeconómica de la Producción de Nanocelulosa a Escala Piloto a partir de Residuos de Cáscara de Piña en Costa Rica

Planteamiento del Problema
Costa Rica genera aproximadamente 640 kilotones de residuos lignocelulósicos anualmente, principalmente de su industria de la piña (trozos, coronas y cáscaras). Aunque las cáscaras de piña ofrecen una materia prima atractiva debido a su facilidad de manejo y contenido adecuado de celulosa, actualmente representan desafíos logísticos y de gestión ambiental significativos. Si bien la nanocelulosa es un biomaterial renovable de alto valor con aplicaciones en la alimentación, cosmética, farmacia y empaques, la viabilidad tecnoeconómica de convertir los residuos de cáscara de piña costarricense en nanocelulosa a escala piloto no ha sido evaluada rigurosamente. Además, los métodos de producción tradicionales suelen depender de agentes de blanqueo clorados, lo que presenta problemas de gestión ambiental a escala industrial.

Metodología
Este estudio presenta una evaluación tecnoeconómica basada en investigación documental de una instalación a escala piloto diseñada para producir 48,000 kg/año de nanocelulosa (principalmente nanofibras de celulosa, CNF) a partir de aproximadamente 140,000 kg/año de cáscara de piña. La evaluación integra el análisis de mercado, el diseño del proceso, los balances de masa y energía, y el modelado financiero.

• Diseño del Proceso: La ruta propuesta utiliza un proceso libre de cloro que comprende:

  1. Molienda: Reducción mecánica del tamaño de las cáscaras de piña.
  2. Pretratamiento Alcalino: Uso de hidróxido de sodio para eliminar la lignina, la hemicelulosa y los ésteres.
  3. Blanqueo: Uso de peróxido de hidrógeno (una alternativa al hipoclorito de sodio) para purificar aún más la fracción celulósica.
  4. Fibrilación: Homogeneización de alta presión a 60 MPa con 10 ciclos a una concentración de sólidos de 30 g/L.
  5. Secado: Secado por aspersión (spray drying) para producir polvo de nanocelulosa seca.
     El balance de masa asume un rendimiento de recuperación del 34% de material celulósico purificado basado en datos de la literatura para cáscaras de piña y lignocelulósicos relacionados.

• Modelado Financiero:

  • Inversión: Los costos de capital se estimaron utilizando el método factorial (Smith), distinguiendo entre Inversión de Capital Fijo (FCI), Capital de Trabajo (WC) e Inversión de Capital Total (TCI). La adquisición de terrenos se modeló por separado con un valor específico de Costa Rica de $1.5 millones.
  • Costos Operativos: El Costo de Fabricación (COM) se calculó utilizando la metodología de Turton et al., contabilizando materias primas, mano de obra, servicios públicos y tratamiento de residuos.
  • Contexto: La planta se modela dentro de una Zona Franca (Muelle Free Zone), otorgando exenciones fiscales sobre importaciones y utilidades durante los primeros 10 años.
  • Indicadores Financieros: Se realizó un análisis de flujo de caja descontado a 10 años utilizando una tasa de descuento del 12.5% para determinar el Valor Presente Neto (VPN), la Tasa Interna de Retorno (TIR), el Retorno sobre la Inversión (ROI) y el Periodo de Recuperación.

Resultos Clave

• Análisis de Mercado: El estudio identifica a los Países Bajos y al mercado europeo en general como objetivos prioritarios, citando el interés existente de empresas holandesas (por ejemplo, Avantium, Smurfit Kappa) en la nanocelulosa costarricense. Los sectores objetivo principales son papel, cartón y empaques, seguidos por la investigación biomédica y académica. Las nanofibras de celulosa (CNF) se identifican como el producto principal, con los nanocristales de celulosa (CNC) como un potencial producto secundario pendiente de validación morfológica.
• Costos de Capital y Operación:
  • Inversión de Capital Total (TCI): $669,200 USD.
  • Inversión Inicial Total (incluyendo terreno): $2.2 millones USD.
  • Costo de Fabricación Anual (COM): $2,265,500 USD.
• Desempeño Financiero: Con un precio de venta promedio de $75/kg, el proyecto demuestra un fuerte potencial económico:
  • Valor Presente Neto (VPN): $6.7 millones USD.
  • Tasa Interna de Retorno (TIR): 199.4%.
  • Retorno sobre la Inversión (ROI): 61.5%.
  • Periodo de Recuperación: 19.5 meses.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la producción de nanocelulosa a partir de residuos de cáscara de piña de Costa Rica es tanto técnicamente factible como económicamente prometedora bajo los supuestos modelados. El estudio destaca que un proceso libre de cloro utilizando peróxido de hidrógeno y homogeneización de alta presión es viable para la producción a escala piloto.

Sin embargo, los autores mantienen una postura modesta respecto a la preparación del proyecto para una comercialización inmediata. Afirman que el caso es más sólido para una plataforma de productos liderada por nanofibras de celulosa. Antes de la presentación para la implementación a gran escala, los autores declaran que el proyecto debe fortalecerse mediante:

1. La validación de la morfología específica del producto.
2. La confirmación de la demanda real de energía.
3. La caracterización de las corrientes de aguas residuales.
4. La obtención de condiciones firmes de compra de mercado (off-take).

El trabajo posiciona esta evaluación a escala piloto como un paso crítico hacia la valorización de los residuos agrícolas dentro de una bioeconomía circular, transformando flujos de residuos de bajo valor en materiales avanzados de alto valor, al tiempo que aborda los desafíos de gestión ambiental en el sector de la piña en Costa Rica.