Investigan la producción de etileno para una mejor eficiencia energética

Con el trabajo Oxidación selectiva de etano sobre catalizadores de níquel: análisis microcinético para producir etileno, un grupo liderado por el doctor Carlos Omar Castillo Araiza, del Departamento de Ingeniería de Procesos e Hidráulica, obtuvo el Premio a la Investigación 2025, en el área de Ciencias Básicas e Ingeniería, que otorga la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM).

El estudio fue elaborado en el Laboratorio de Ingeniería de Reactores Catalíticos (LIRC) que el investigador dirige desde 2010 y forma parte del proyecto de doctorado de José Fernando Durán Pérez, concluido en marzo de 2025, del cual fue director de tesis y en el que también colaboró el doctor José Guillermo Rivera de la Cruz, quien es posdoctorante bajo su supervisión.

El propósito central es producir etileno con mejor eficiencia energética, dado que descarbonizar de manera completa el planeta “es algo deseable, pero muy difícil de alcanzar”, expuso en entrevista Castillo Araiza, de la Unidad Iztapalapa de la UAM, quien tiene como intereses de análisis en el diseño, optimización e intensificación de reactores catalíticos, así como el análisis cinético aplicado a reacciones químicas y biológicas.

Señaló que para alcanzar este objetivo, es necesario contar con reactores más eficientes que produzcan los compuestos que la sociedad demanda, al tiempo que reduzcan la contaminación y el consumo energético, lo que resulta clave para que las futuras generaciones hereden un planeta con recursos por lo menos similares a los actuales.

El grupo de estudio busca implementar nuevos conceptos de reacción presentes en la literatura a nivel industrial con el fin de contaminar menos y aprovechar mejor los recursos energéticos; por ello, intentan entender cómo se produce el etileno de etano y de oxígeno; es decir “se hace una propuesta a nivel elemental entendiendo cómo interactúan las moléculas”.

El etileno se produce en la actualidad mediante craqueo térmico de hidrocarburos, el proceso que más consume energía y genera gases contaminantes, como dióxido de carbono y metano, por eso gobiernos, empresas como Petróleos Mexicanos y universidades como la UAM buscan alternativas más eficientes.

El especialista explicó que el LIRC es único en la Universidad y uno de los pocos laboratorios en México que aplica la ingeniería de reactores, un área que resulta fundamental dentro de la ingeniería química, para estudiar y diseñar reactores químicos y biológicos bajo un enfoque interdisciplinario, multiescala y sostenible.

Un reactor, en términos simples, es cualquier sistema donde ocurre un cambio químico o biológico. Por ejemplo “las plantas o el cuerpo humano son reactores biológicos, mientras la batería de un celular o el convertidor catalítico de un automóvil son reactores químicos”, detalló.

La ingeniería de reactores busca comprender cómo funcionan estos sistemas para diseñar nuevos o mejorar los existentes al integrar conocimientos de termodinámica, química, física, biología y matemáticas, apuntó.

El nuevo reactor utiliza una reacción donde el oxígeno interactúa con el etano (un compuesto abundante en yacimientos de gas natural) sobre un catalizador sólido, acelerando la fabricación selectiva de etileno a temperaturas moderadas, reduciendo emisiones y consumo energético.

La investigación premiada se enfocó en entender a detalle, a nivel molecular, cómo ocurre esta reacción, cómo varía con la temperatura y la presión, y cómo se comporta la velocidad de producción de etileno y su oxidación total a dióxido de carbono y agua. Estos datos, son esenciales para escalar el proceso a nivel industrial, sostuvo el doctor Castillo Araiza.

Los científicos combinaron experimentación y modelos matemáticos que integran fundamentos de química, termodinámica clásica y estadística, cinética, métodos numéricos y ciencia de datos para explicar los puntos clave de la reacción.

Aplicaron un enfoque multiescala, que transfiere información desde la escala atómica hasta la macroscópica del reactor. Esto hace que los resultados sean novedosos y prometedores, al contribuir con la meta global de implementar esta reacción a nivel industrial para sustituir el reactor actual de etileno.

Señaló que esta propuesta respecto del “mecanismo de reacción, entendiendo cómo interaccionan las distintas moléculas de etano y oxígeno para producir etileno”, se reporta por primera vez en la literatura.

La contribución “se vuelve interesante porque el integrar conceptos de termodinámica, cinética química, métodos numéricos y ciencia de datos, nos permitió desarrollar modelos que tienen en su estructura toda la información sobre cómo se produce el etileno”.

“Estos modelos matemáticos fueron desarrollados considerando algunas restricciones de la termodinámica clásica, de la termodinámica estadística, así como aspectos relacionados con la ciencia de datos, para que el modelo fuese confiable y nos permitiese entender cómo sucede la reacción, pero a un nivel elemental”, aseveró.

El investigador añadió que para implementar una nueva reacción a nivel industrial, el primer paso es entender cómo suceden las reacciones a nivel molecular, “si se logra transferir cómo sucede una reacción a nivel molecular a un modelo matemático, podemos utilizar este modelo para diseñar los nuevos reactores industriales bajo condiciones óptimas desde el punto de vista de creación del compuesto de interés y de minimizar el gasto energético diseñando un reactor con eficiencia energética y producir la mayor cantidad de etileno”.

En general, la investigación demuestra cómo la ingeniería de reactores puede transformar la industria petroquímica, haciéndola más eficiente y respetuosa con el medio ambiente y al mismo tiempo representa un paso importante hacia una industria sostenible, destacó.

Subrayó que si bien el objetivo actual es desarrollar procesos sostenibles, “todavía no estamos en ese punto”, pero el punto es proponer conceptos de reacción que utilicen menos energía, contaminen menos y que sea un primer paso antes de llegar a la descarbonización de la industria.