Biomimicry based-model for urban water networks design

Abstract

El diseño biomimético busca innovar emulando la naturaleza mediante enfoques reduccionistas y holísticos. La biomímesis holística tiene como objetivo encontrar alternativas sustentables a problemas vigentes, reparando el daño antropogénico al ecosistema e imitando la naturaleza.

En ingeniería de procesos, la implementación de eco-parques industriales (EPI) es una estrategia utilizada para producir sustentablemente. Sin embargo, su enfoque suele limitarse a reducir los efectos negativos al medio ambiente, sin repararlo. En este contexto, el diseño biomimético ofrece una oportunidad para desarrollar sistemas de integración urbana (SIU) sustentables y regenerativos.

Este trabajo propone un modelo para diseñar redes biomiméticas de integración hídrica basado en el ciclo del agua en la Región Metropolitana como caso de estudio. Se analizaron y evaluaron 45 proyectos mediante la herramienta cuantitativa “Biomimetic Score”, que define los criterios para considerar una solución holísticamente biomimética. A partir de esta herramienta, se crea un modelo biomimético que diseña redes de integración de agua y se formula un problema de optimización multiobjetivo (MINLP), optimizado mediante la metodología de programación por metas en GAMS versión 25.1.1.

Los resultados destacan la presencia de flujos de reposición y biomiméticos que reparan e imitan el ciclo del agua. En la solución óptima, del total de agua extraída, un 68\% se descarga como flujo de reposición y un 32\% como flujo biomimético. Además, se evaluó un caso base sin biomímesis para analizar su impacto en el modelo, observándose una reducción del 99\% en los flujos biomiméticos, lo que demuestra su relevancia para la imitación del sistema natural. En términos de costos, la solución óptima biomimética es un 6.3\% más cara que el caso base.

Se concluye que, aunque el modelo representa una primera aproximación al diseño de procesos con enfoque biomimético, se requieren más esfuerzos para alcanzar una solución integral. La herramienta Biomimetic Score cumple con ayudar a traducir características cualitativas en un modelo matemático, sin embargo la creación de este, depende aún fuertemente de los equipos de ingeniería. Además, es necesario incluir más condiciones operativas para mejorar la aplicabilidad de las soluciones.

Biomimetic design seeks to innovate by emulating nature through reductionist and holistic approaches. The latter aims to find sustainable alternatives to current problems, repairing anthropogenic damage to the ecosystem while mimicking nature. In process engineering, implementing eco-industrial parks (EIP) is a strategy for sustainable production. However, this approach is often limited to reducing negative environmental impacts rather than restoring them. In this context, biomimetic design offers an opportunity to develop sustainable and regenerative urban integration systems (UIS). This study proposes a model for designing biomimetic water integration networks based on the water cycle in the Metropolitan Region as a case study. A total of 45 projects were analyzed and evaluated using the quantitative tool “Biomimetic Score,” which defines the criteria for considering a solution holistically biomimetic. Based on this tool, a biomimetic model is created to design water integration networks, and a multi-objective optimization problem (MINLP) is formulated and optimized using goal programming methodology in GAMS version 25.1.1. The results highlight the presence of replenishment and biomimetic flows that mimic the water cycle. In the optimal solution, 68% of the extracted water is discharged as a replenishment flow, while 32% follows a biomimetic flow. Additionally, a baseline network design without biomimicry was evaluated to analyze its impact on the model, revealing a 99% reduction in biomimetic flows. This finding demonstrates the critical role of biomimicry in ensuring the natural system’s imitation. In terms of costs, the optimal biomimetic solution is 6.3% more expensive than the baseline case. It is concluded that while the model represents a first approach to biomimetic process design, further efforts are needed to achieve a comprehensive solution. The Biomimetic Score tool effectively helps to translate qualitative characteristics into a mathematical model. However, its implementation still heavily depends on engineering teams. Additionally, incorporating more operational conditions is necessary to enhance the applicability of the solutions.