INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS
For small farms the processing of organic waste in energy efficient biogas reactors is relevant. The purpose of the work is to increase the energy efficiency of biogas reactors. Two novel designs of biogas reactor have been developed which differ from the known designs in that they transform the tra...
Saved in:
| Date: | 2019 |
|---|---|
| Author Affiliations: |
|
| Keywords: | keywords |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine
2019
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/235 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Vidnovluvana energetika |
| Download file: |
|
Institution
Vidnovluvana energetika| _version_ | 1871103312809426944 |
|---|---|
| author | Klius, V. Chetveryk, H. Masliukova, Z. |
| author_facet | Klius, V. Chetveryk, H. Masliukova, Z. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "V. Klius",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, 02094, 20А Hnata Khotkevycha St., Kyiv, Ukraine."
},
{
"author": "H. Chetveryk",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, 02094, 20А Hnata Khotkevycha St., Kyiv, Ukraine."
},
{
"author": "Z. Masliukova",
"institution": "Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine, 02094, 20А Hnata Khotkevycha St., Kyiv, Ukraine."
}
] |
| author_sort | Klius, V. |
| baseUrl_str | https://ve.org.ua/index.php/journal/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2026-07-18T06:32:13Z |
| description | For small farms the processing of organic waste in energy efficient biogas reactors is relevant. The purpose of the work is to increase the energy efficiency of biogas reactors. Two novel designs of biogas reactor have been developed which differ from the known designs in that they transform the translational motion of the gasholder into the rotation of the mixing device by using a gear-rack mechanism and a cable-thrust mechanism respectively. In this case the biogas accumulated in the gasholder is used to mix the substrate. It has been shown that the energy efficiency of biogas reactors with wet gasholders is enhanced by reducing energy to support the digestion process. The proposed reactor designs can be used to design new and refine existing wet gasholders biogas reactors. An anaerobic digestion of cow manure using biochar was carried out obtained by the method of partial gasification of sunflower stems and wood chips. It has been determined that biogas yield increased by 7.9-14.6% and methane output increased by 6.7-11.4% during digestion of substrates that were introduced with biochar compared to the control substrate. The maximum intensity of biogas output and the duration of the lag phase during the digestion of the cow manure including the biochar introduced into the cow manure were determined. It has been shown that the energy efficiency of biogas reactors with wet gasholders is enhanced by intensification of the digestion process. The proposed biochar can be used to intensify the digestion process. Ref. 13,  fig. 5. |
| doi_str_mv | 10.36296/1819-8058.2019.4(59).92-99 |
| first_indexed | 2025-07-17T11:37:53Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
© В.П. Клюс, Г.О. Четверик, З.В. Маслюкова, 2019
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 92
УДК 628.35:628.385:663.142 DOI: https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).92-99
ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ БІОГАЗОВИХ РЕАКТОРІВ
В.П. Клюс, канд. техн. наук, Г.О. Четверик, канд. техн. наук, З.В. Маслюкова
Інститут відновлюваної енергетики НАН України,
02094, вул. Гната Хоткевича, 20А м. Київ, Україна.
Для невеликих фермерських господарств актуальним є переробка органічних відходів в енергоефективних біогазових реак-
торах. Метою роботи є підвищення енергоефективності біогазових реакторів. Розроблено дві нові конструкції біогазового
реактора, які відрізняються від відомих конструкцій тим, що в них перетворення поступального руху газгольдера в обер-
тання перемішуючого пристрою забезпечується за рахунок використання механізму із зубчасто-рейковою передачею та
механізму з канатною тягою відповідно. При цьому для перемішування субстрату використовується вироблений біогаз, що
накопичується в газгольдері мокрого типу. Показано, що енергоефективність біогазових реакторів з мокрим газгольдером
підвищується шляхом зниження енергетичних витрат на підтримку процесу бродіння. Запропоновані конструкції реакто-
рів можна використовувати під час проектування нових та удосконалення існуючих біогазових реакторів з мокрим газго-
льдером. Проведено експеримент з анаеробного бродіння коров’ячого гною, до якого вносили біовугілля, отримане способом
часткової газифікації стебел соняшнику та деревної тріски. Визначено, що вихід біогазу підвищився на 7,9-14,6 % і вихід
метану підвищився на 6,7-11,4 % під час бродіння субстратів, до яких вносили біовугілля у порівнянні з контрольним субс-
тратом. Визначено максимальну інтенсивність виходу біогазу та тривалість лаг-фази під час бродіння коров’ячого гною,
у тому числі й із внесеним до коров’ячого гною біовугіллям. Показано, що енергоефективність біогазових реакторів підви-
щується шляхом інтенсифікації процесу бродіння. Розглянуті у цій роботі види біовугілля пропонується вносити до тради-
ційних субстратів з метою інтенсифікації процесу бродіння. Бібл. 13, рис. 5.
Ключові слова: біореактор, біогаз, іммобілізація, перемішуючий пристрій, біовугілля.
INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS
V. Kliys, candidate of technical science, H. Chetveryk, candidate of technical science, Z. Masliukova
Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine,
02094, 20А Hnata Khotkevycha St., Kyiv, Ukraine.
For small farms the processing of organic waste in energy efficient biogas reactors is relevant. The purpose of the work is to in-
crease the energy efficiency of biogas reactors. Two novel designs of biogas reactor have been developed which differ from the
known designs in that they transform the translational motion of the gasholder into the rotation of the mixing device by using a gear-
rack mechanism and a cable-thrust mechanism respectively. In this case the biogas accumulated in the gasholder is used to mix the
substrate. It has been shown that the energy efficiency of biogas reactors with wet gasholders is enhanced by reducing energy to
support the digestion process. The proposed reactor designs can be used to design new and refine existing wet gasholders biogas
reactors. An anaerobic digestion of cow manure using biochar was carried out obtained by the method of partial gasification of sun-
flower stems and wood chips. It has been determined that biogas yield increased by 7.9-14.6% and methane output increased by 6.7-
11.4% during digestion of substrates that were introduced with biochar compared to the control substrate. The maximum intensity of
biogas output and the duration of the lag phase during the digestion of the cow manure including the biochar introduced into the
cow manure were determined. It has been shown that the energy efficiency of biogas reactors with wet gasholders is enhanced by
intensification of the digestion process. The proposed biochar can be used to intensify the digestion process. Ref. 13, fig. 5.
Keywords: bioreactor, biogas, immobilization, stirred device, biochar.
В.П. Клюс
V. Klius
Відомості про автора: працює в Інституті
відновлюваної енергетики НАН України, зав.
відділом відновлюваних органічних енерго-
носіїв, старший науковий співробітник. Кан-
дидат технічних наук (1980 рік).
Наукова сфера: біоенергетика, газифікація
біомаси, переробка органічних відходів.
Публікації: 102 наукових публікацій, у тому
числі 30 патентів.
ORCID: 0000-0001-8536-3211
Контакти: тел./факс: +38-044-206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
Author information: Institute of Renewable
Energy of NAS of Ukraine, head of bioenergy
department, senior researcher. PhD since 1980
year.
Research area: bioenergy, gasification of bio-
mass, organic waste utilization.
Publications: 102 scientific publications, in-
cluding 30 patents.
ORCID: 0000-0001-8536-3211
Contacts: tel./fax: +38-044-206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
https://doi.org/10.36296/1819-8058.2019.4(59).92-99
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 93
Г.О. Четверик
H. Chetveryk
Відомості про автора: працює в Інституті
відновлюваної енергетики НАН України,
науковий співробітник.
Наукова сфера: біогаз, переробка органіч-
них відходів.
Публікації: 44 наукових публікацій, у тому
числі 3 патенти.
ORCID: 0000-0001-9398-1968
Контакти: тел./факс: +38-044-206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
Author information: Institute of Renewable
Energy of NAS of Ukraine, researcher.
Research area: biogas, organic waste utiliza-
tion.
Publications: 44 scientific publications, includ-
ing 3 patents.
ORCID: 0000-0001-9398-1968
Contacts: tel./fax: +38-044-206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
З.В. Маслюкова
Z. Masliukova
Відомості про автора: працює в Інституті
відновлюваної енергетики НАН України,
науковий співробітник.
Наукова сфера: біогаз, переробка органіч-
них відходів.
Публікації: 55 наукових публікацій, у тому
числі 1 патент.
ORCID: 0000-0002-4180-7930
Контакти: тел./факс: +38-044-206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
Author information: Institute of Renewable
Energy of NAS of Ukraine, researcher.
Research area: biogas, organic waste utiliza-
tion.
Publications: 55 scientific publications, includ-
ing 1 patent.
ORCID: 0000-0002-4180-7930
Contacts: tel./fax: +38-044-206-28-09
e-mail: biomassa@ukr.net
Перелік використаних позначень та скорочень:
Р – біогазовий потенціал субстрату, дм3/г СОР;
maxI
– максимальна інтенсивність виходу біогазу, дм3/г СОР∙добу;
L – тривалість лаг-фази, доба;
– час бродіння, доба.
Вступ. Стаття присвячена створенню енерго-
ефективних біогазових реакторів невеликого
об’єму. Одним із типів газгольдерів, яких викори-
стовують в біогазових реакторах є газгольдер мо-
крого типу. Цей газгольдер має форму купола та
плаває над субстратом, що присутній в реакторі.
В роботах [1,2] наведені особливості та умо-
ви використання реакторів з мокрим газгольде-
ром. Л. Сассе обґрунтував, що об’єм реакторів з
мокрим газгольдером не має перевищувати 40-50
м3 з урахуванням виготовлення, транспортування
та експлуатації таких реакторів [1]. В Індії біога-
зові реактори з мокрим газгольдером мають
об’єм 3-85 м3 [3]. Біогазові установки з мокрим
газгольдером широко використовують в регіонах
з теплим кліматом, наприклад в Індії, Китаї, Па-
кистані [4]. Такі установки, в основному, не ма-
ють систем перемішування та підігрівання субст-
рату. В даній роботі пропонується розробити та-
ку конструкцію біогазового реактора з мокрим
газгольдером, в якій для перемішування субстра-
ту можна використовувати вироблений біогаз.
Для інтенсифікації процесу бродіння як
іммобілізатор та адсорбент використовують
біовугілля [5, 6]. Внесення біовугілля в реактор
має позитивний ефект для таких видів субстратів,
під час бродіння яких утворюється значна кіль-
кість амонійного азоту, що інгібує анаеробне
бродіння. Амонійний азот адсорбується на пове-
рхні біовугілля і таким чином знижується ступінь
інгібування [7-10].
Однак, у роботі [11] було показано, що після
внесення бамбукового біовугілля до субстрату
кількість метаногенних мікроорганізмів на твер-
дій поверхні біовугілля було дуже низьким, а ви-
хід біогазу не збільшився. Отже позитивний
ефект від внесення біовугілля залежить в першу
чергу від виду біовугілля.
Біовугілля має такі ж властивості як і акти-
воване вугілля, але його отримання значно деше-
вше. У відділі відновлюваних органічних енерго-
носіїв НАН України проводяться дослідження по
отриманню біовугілля із стебел соняшнику, дере-
вної тріски та інших видів сировини способом
часткової газифікації. В даній роботі пропонуєть-
ся дослідити як впливає на вихід біогазу внесен-
ня різних видів біовугілля до субстрату.
Мета та завдання досліджень. Метою робо-
ти є підвищення енергетичної ефективності біо-
газових реакторів шляхом зниження енергетич-
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 94
них витрат на підтримання процесу бродіння і
шляхом інтенсифікації процесу бродіння. Для
зниження енергетичних витрат на підтримання
процесу бродіння поставлено завдання розробки
конструкції реактора, в якому для перемішування
субстрату використовується вироблений біогаз.
Для інтенсифікації процесу бродіння поставлено
завдання експериментального дослідження вихо-
ду біогазу залежно від виду біовугілля, що вно-
силось до субстрату.
Біореактор, в якому використовується ме-
ханізм із зубчасто-рейковою передачею. Розро-
блено нову конструкцію реактора з мокрим газ-
гольдером, рис. 1.
Рис. 1. Біореактор та механізм із зубчасто-рейковою передачею:
1 – корпус, 2 – газовий колокол, 3 – кільцева камера, 4 – тяга, 5 – зубчаста рейка,
6 – направляюча, 7 – паз, 8 – опори, 9 – вал, 10 – шестерня, 11 – лопаті.
Fig. 1. Bioreactor and a gear-rack mechanism:
1 – body, 2 – gas bell, 3 – annular chamber, 4 – thrust, 5 – toothed rack,
6 – guide,7 – groove, 8 – bearings, 9 – shaft, 10 – gear, 11 – blades.
Перемішуючий пристрій працює наступ-
ним чином. Всередині реактора знаходиться
вал з лопатями і шестернею, яка входить в за-
чеплення з зубчастою рейкою. По мірі виділен-
ня біогазу, колокол газгольдера переміщується
вгору й тягне за собою зубчасту рейку. Вал з
лопатями починає обертатись, внаслідок чого
перемішується верхній шар субстрату та осад
внизу реактора. При відборі біогазу із реактора,
колокол опускається вниз і вал з лопатями обе-
ртається в іншу сторону.
Отже, для роботи перемішуючого пристрою
використовується біогаз, що знаходиться в газго-
льдері. Поставлене завдання було досягнуто за
рахунок використання механізму із застосуван-
ням зубчасто-рейкової передачі, яка поступаль-
ний рух газгольдера перетворює в обертання пе-
ремішуючого пристрою.
Таким чином розроблено нову конструкцію
біореактора, яка відрізняється від відомих конс-
трукцій тим, що перетворювання поступального
руху газгольдера в обертання перемішуючого
пристрою забезпечується за рахунок механізму із
зубчасто-рейковою передачею.
За рахунок економії енергетичних витрат на
перемішування субстрату знижуються енергети-
чні витрати на підтримання процесу бродіння. Це
означає, що енергетична ефективність перетво-
рення органічних речовин в біогаз підвищується.
Біореактор, в якому використовується ме-
ханізм із канатною тягою. В наступній конс-
трукції біореактора, рис. 2, для обертання пере-
мішуючого пристрою було запропоновано вико-
ристати передачу з канатною тягою.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 95
Рис. 2. Біореактор та механізм із канатною тягою:
1 – корпус, 2 – газовий колокол, 3 – кільцева камера, 4 – вал, 5 – лопаті, 6 – барабан малого діаметру,
7 – барабан великого діаметру, 8 – канат, 9 – противага,10 – поліамідні стрічки.
Fig. 2. Bioreactor and a cable-thrust mechanism:
1 – body, 2 – gas bell, 3 – annular chamber, 4 – shaft, 5 – blades, 6 – small diameter drum,
7 – large diameter drum, 8 – rope, 9 – counterweight, 10 – polyamide tapes.
Всередині реактора знаходиться вал з лопа-
тями у вигляді окремих спиць, які з’єднуються
між собою за допомогою стрічок із синтетичного
матеріалу. На стрічках між лопатями закріплю-
ються колонії бактерій, які не вимиваються під
час зливу субстрату. На валу розміщені два кана-
тних барабана. Барабан меншого діаметру через
канат з’єднаний з колоколом газгольдера, а бара-
бан більшого діаметру – з противагою. Обертан-
ня валу з лопатями відбувається в результаті пос-
тупального руху колокола газгольдера. Канатна
передача, на відміну від зубчасто-рейкової більш
надійна оскільки вона не втрачає працездатність
за великих люфтів колокола.
Використання канатної тяги та горизонталь-
ного валу з лопатями дає змогу для перемішуван-
ня субстрату використати підйомну силу газголь-
дера, яку створює тиск біогазу. Перемішування
субстрату є постійним у часі, автоматичним.
Таким чином розроблено нову конструкцію
біореактора, яка відрізняється від відомих конс-
трукцій тим, що перетворювання поступального
руху газгольдера в обертання перемішуючого
пристрою забезпечується за рахунок механізму із
канатною тягою.
За рахунок економії енергетичних витрат на
перемішування субстрату знижуються енергети-
чні витрати на підтримання процесу бродіння. Це
означає, що енергетична ефективність перетво-
рення органічних речовин в біогаз підвищується.
Інтенсифікація процесу бродіння. Прове-
дено експеримент, в якому було показано як у
присутності біовугілля підвищується вихід біога-
зу під час переробки коров’ячого гною. Біовугіл-
ля було отримано способом часткової газифікації
із стебел соняшнику та деревної тріски.
Метою проведення цього експерименту було
дослідження виходу і складу біогазу залежно від
виду біовугілля, яке вносили до субстрату.
Для проведення експерименту була створена
біогазова лабораторна установка. Схему і фото
установки показано на рис 3.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 96
Рис. 3. Схема і фото лабораторної установки:
1 – термостат, 2 – реактори, 3 ‒ ртутний термометр, 4 – електричний нагрівач з регулятором температури, 5 – газголь-
дери, 6 – газоаналізатор, А – субстрат, В ‒ біогаз, С – розчин NaCl.
Fig. 3. Scheme and photo of the laboratory setup:
1 – thermostat, 2 – reactors, 3 – mercury thermometer, 4 – electric heater with temperature regulator,
5 – gasholders, 6 – gas analyzer, A – substrate, B – biogas, C – NaCl solution.
Установка складається з термостату, в якому
розміщено три реактора, ртутний термометр та
терморегулятор. Термостат теплоізольований та
наповнений водою. Газгольдери герметично
з’єднані з реакторами трубками. Нерухома час-
тина газгольдерів виставлена горизонтально та
заповнена 5-% розчином NaCl для запобігання
розчинення вуглекислого газу у воді. На рухомій
частині газгольдерів нанесені відмітки для визна-
чення об’єму біогазу.
Реактори мали загальний об’єм 1,5 дм3 з
об’ємом субстрату 1,05 дм3. Максимальний об’єм
газгольдера – 2,0 дм3. Для створення анаеробних
умов в реакторі газовий простір системи реактор-
газгольдер безпосередньо перед початком експе-
рименту продували азотом, об’єм якого був в три
рази більший за об’єм вказаного газового простору.
Експеримент був проведений за мезофільно-
го режиму. Температура в термостаті підтриму-
валась на рівні 35,5±0,2 ºС.
Було підготовлено три субстрати. Один із
них, контрольний субстрат, містив коров’ячий
гній, інокулят та воду (БВ-0). Два інших – місти-
ли коров’ячий гній, інокулят, воду та біовугілля.
Для субстрату (БВ-СС) було взято біовугілля із
стебел соняшника, а для (БВ-ДТ) – біовугілля із
деревної тріски. Біовугілля вносили по 25 г. На
рис. 4 зображені фото біовугілля.
Рис. 4. Біовугілля:
зліва – із стебел соняшника, справа – із деревної тріски.
Fig. 4. Biochar:
on the left – from sunflower stalks, on the right – from wood chips.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 97
Вміст коров’ячого гною та інокуляту в субст-
ратах підбирали так, щоб значення сухого органіч-
ної речовини коров’ячого гною та інокуляту було
рівним. За таких умов виключалось інгібування
бродіння леткими жирними кислотами [12]. Суб-
страти разбавляли водою до вологості 97 %.
Інокулят попередньо був адаптований до до-
сліджуваного субстрату і умовам бродіння. Зна-
чення вмісту сухої речовини в субстраті та зна-
чення вмісту золи у сухому залишку вимірювали
стандартним гравіметричним методом [13].
Об’ємну концентрація СО2 в біогазі визнача-
ли хімічним газоаналізатором «ГХЛ». Окремі
аналізи біогазу на СО2 і СН4 виконували на пор-
тативному цифровому газоаналізаторі «Landtec».
Проведені дослідження показали, що за прису-
тності деяких видів біовугілля відбувається підви-
щення виходу біогазу. На 56-у добу бродіння було
отримано 2,53 дм3/дм3; 2,73 дм3/дм3 і 2,9 дм3/дм3
біогазу при переробці субстратів БВ-0; БВ-ДТ та
БВ-СС відповідно. Отже, вихід біогазу із субстра-
тів, що містили біовугілля підвищився на 7,9-14,6
% у порівнянні з контрольним субстратом.
На рис. 5 наведено куммулятивний вихід біо-
газу (YБГ) залежно від внесеного до субстрату
виду біовугілля.
Рис. 5. Куммулятивний вихід біогазу:
□ – БВ-0, ● – БВ-СС, ○ – БВ-ДТ.
Fig. 5. Cumulative biogas yield:
□ – control sybstrate, without biochar, ● – sybstrate with biochar from sunflower stalks,
○ – sybstrate with biochar from wood chips.
Визначення показників процесу отриман-
ня біогазу. Процес отримання біогазу залежить
від біогазового потенціалу, яким володіє підгото-
влений субстрат і характеризується такими пока-
зниками як максимальна інтенсивність виходу
біогазу та тривалість лаг-фази. Біогазовий потен-
ціал субстрату залежить від складу вихідної си-
ровини (співвідношення між білками, жирами та
вуглеводами). Максимальна інтенсивність вихо-
ду біогазу залежить від швидкості зростання мік-
робних популяцій. Лаг-фаза це період часу, за
який мікробні популяції здатні адаптуватися до
нового середовища та до живильних речовин
субстрату.
Для визначення вказаних показників процесу
утворення біогазу візьмемо відому залежність
Гомпертца, яка описує динаміку виходу біогазу
[8, 12]
max
БГ
I e(L )
Y ( ) P exp exp 1
P
. (1)
Показники процесу утворення біогазу з ко-
ров’ячого гною було визначено шляхом апрок-
симації кривої (1) до отриманих експерименталь-
них даних. Константи в залежності (1) визначено
методом наймених квадратів за допомогою
комп’ютерної програми, реалізованої в MathCad.
В табл. 1 наведено отримані показники получен-
ные показатели процесу утворення біогазу з ко-
ров’ячого гною.
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 98
Таблиця 1. Показники процесу утворення біогазу.
Table 1. Indicators of biogas production process.
Субстрат I, cм3/г CОР∙доба L, доба P, cм3/г CОР
БВ-0 119,9 0,55 2790
БВ-ДТ 141,2 0,48 2790
БВ-СС 200,4 0,33 2790
Аналогічно визначали показники процесу
утворення біогазу з коров’ячого гною в присут-
ності різних видів біовугілля (див. табл. 1). Як
бачимо, вихід біогазу збільшився за рахунок збі-
льшення максимальної інтенсивності виходу біо-
газу та зменшення тривалості лаг-фази.
Склад біогазу, отриманого із субстратів БВ-
0; БВ-ДТ и БУ-СП був наступний: 39,2 % СО2,
58,8 % СН4; 39,7 % СО2, 58,3 % СН4; 40,6 % СО2,
57,4 % СН4 відповідно. Вміст інших газів (крім
СО2 і СН4) в біогазі не перевищувало 2 %.
Враховуючи вихід біогазу та його склад має-
мо, що вихід метану при переробці субстратів,
що містили біовугілля підвищився на 6,7-11,4 %
в порівнянні з контрольним субстратом.
Отже, визначено види біовугілля, які сприя-
ють інтенсифікації процесу бродіння. Біовугілля
було отримане способом часткової газифікації
стебел соняшнику та деревної тріски. Вихід біо-
газу підвищився на 7,9-14,6 % і вихід метану під-
вищився на 6,7-11,4 % під час бродіння субстра-
тів, до яких вносили біовугілля у порівнянні з
контрольним субстратом. Підвищення виходу
біогазу приводить до підвищення енергоефекти-
вності перетворення органічних речовин в біогаз.
Висновки: 1. Розроблено конструкції біога-
зового реактора з мокрим газгольдером, в яких
для перемішування субстрату використовується
вироблений біогаз.
2. Експериментально досліджено як впливає
на вихід біогазу внесення до коров’ячого гною
біовугілля, яке отримане способом часткової га-
зифікації стебел соняшнику та деревної тріски.
Показано, що внесення біовугілля до субстрату
сприяє інтенсифікації процесу бродіння.
1. Susse L. Biogas plants – design and detail of simple bio-
gas plants. Bremer. 1988. 85 p.
2. Kuria J., Maringa M. Development simple procedures
for selecting, sizing, scheduling of materials and costing of small
biogas units. International Journal for Service Learning in Engi-
neering. 2008. Vol. 3. No. 1. Pp. 9-40.
3. Khoiyangbam G., Kumar S., Jain M. Methane losses
from floating gasholder type biogas plants in relation to global
warming. Journal of Scientific and Industrial Research. 2004.
Vol. 63. Pp. 344-347.
4. Werner U., Stöhr U., Hees N. Biogas plants in animal
husbandry – a practical guide. Friedr. Vieweg and Sohn. Braun-
schweig.Wiesbaden. 1989. 153 p.
5. Lehman J., Kyzyakov Y., Pan G., Ok Y. Biochars and the
plant-soil interface. Plant and Soil. 2015. Vol. 395. Pp. 1-5.
6. Tambone F., Scaglia B., D’Imporzano G., Schievano A.,
Orzi V., Salati S., Adani F. Assessing amendment and fertilizing
properties of digestates from anaerobic digestion through a com-
parative study with digested sludge and compost. Chemosphere.
2010. Vol. 81. Pp. 577-583.
7. Cai J., He P., Wang Y., Shao L., Lu F. Effects and opti-
mization of the use of biochar in anaerobic digestion of food
waste. Waste Manag. Res. 2016. No. 5. Pp. 409-416.
8. Angelidaki I., Ellegaard L., Ahring B.K. A mathemati-
cal model for dynamic simulation of anaerobic digestion of
complex substrates. Focusing on ammonia inhibition. Biore-
source Technology. 1993. No. 42. Pp. 159-166.
9. Koster I.W., Lettinga G. Anaerobic digestion at extreme
ammonia concentrations. Biol. Wastes. 1988. Vol. 25. Pp. 51-59.
10. Sung S., Liu T. Ammonia inhibition on thermophilic
anaerobic digestion. Chemosphere. 2003. Vol. 53. Pp. 43-52.
11. Yoshida H., Tokumoto H., Nishiguchi R. Improvement
of anaerobic digestion using immobilization methanogens. [Еле-
ктронний ресурс].
URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/apcche/2004/0/2004_0
_854/_pdf. (дата звернення: 12.06.2019).
12. Zvietering M., Jongenburger I., Rombouts F., Vant Riet
K. Modeling of the bacterial growth curve. Applied and Envi-
ronmental Microbiology. 1990. No. 56. Pp. 1875-1881.
13. ДСТУ EN 12048:2005. Добрива тверді та ва-
пнувальні матеріали. Визначення вмісту вологи гравімет-
ричним методом. Висушування за температури 105±2°С. –
К. Держспоживстандарт. України. 2006.
REFERENCES
1. Susse L. Biogas plants – design and detail of simple bio-
gas plants. Bremer. 1988. 85 p. [in English].
2. Kuria J., Maringa M. Development simple procedures
for selecting, sizing, scheduling of materials and costing of small
biogas units. International Journal for Service Learning in Engi-
neering. 2008. Vol. 3. No. 1. Pp. 9-40. [in English].
3. Khoiyangbam G., Kumar S., Jain M. Methane losses
from floating gasholder type biogas plants in relation to global
warming. Journal of Scientific and Industrial Research. 2004.
Vol. 63. Pp. 344-347. [in English].
4. Werner U., Stöhr U., Hees N. Biogas plants in animal
husbandry – a practical guide. Friedr. Vieweg and Sohn. Braun-
schweig.Wiesbaden. 1989. 153 p. [in English].
5. Lehman J., Kyzyakov Y., Pan G., Ok Y. Biochars and the
plant-soil interface. Plant and Soil. 2015. Vol. 395. Pp. 1-5. [in
English].
6. Tambone F., Scaglia B., D’Imporzano G., Schievano A.,
Orzi V., Salati S., Adani F. Assessing amendment and fertilizing
properties of digestates from anaerobic digestion through a com-
parative study with digested sludge and compost. Chemosphere.
2010. Vol. 81. Pp. 577-583. [in English].
7. Cai J., He P., Wang Y., Shao L., Lu F. Effects and optimi-
zation of the use of biochar in anaerobic digestion of food waste.
Waste Manag. Res. 2016. No. 5. Pp. 409-416. [in English].
8. Angelidaki I., Ellegaard L., Ahring B.K. A mathematical
model for dynamic simulation of anaerobic digestion of complex
substrates. Focusing on ammonia inhibition. Bioresource Technol-
ogy. 1993. No. 42. Pp. 159-166. [in English].
9. Koster I.W., Lettinga G. Anaerobic digestion at extreme
ammonia concentrations. Biol. Wastes. 1988. Vol. 25. Pp. 51-59.
[in English].
10. Sung S., Liu T. Ammonia inhibition on thermophilic
anaerobic digestion. Chemosphere. 2003. Vol. 53. Pp. 43-52. [in
English].
https://www.jstage.jst.go.jp/article/apcche/2004/0/2004_0_854/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/apcche/2004/0/2004_0_854/_pdf
ISSN 1819-8058 (Print)
БІОЕНЕРГЕТИКА ISSN 2664-8172 (Online)
Відновлювана енергетика. 2019. № 4 99
11. Yoshida H., Tokumoto H., Nishiguchi R. Improvement
of anaerobic digestion using immobilization methanogens. [Elec-
tronic resource].
URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/apcche/2004/0/2004_0
_854/_pdf. (Applying date: 12.06.2019). [in English].
12. Zvietering M., Jongenburger I., Rombouts F., Vant Riet
K. Modeling of the bacterial growth curve. Applied and Environ-
mental Microbiology. 1990. No. 56. Pp. 1875-1881. [in English].
13. DSTU EN 12048:2005. Dobryva tverdi ta vapnuvalʹni
materialy. Vyznachennya vmistu volohy hravimetrychnym
metodom. Vysushuvannya za temperatury 105±2 °C. [State
Standard EN 12048:2005. Fertilizers for solid and lime materi-
als. Determination of moisture content by gravimetric method.
Drying at 105 ± 2 °С]. State Committee of Ukraine for Technical
Regulation and Consumer Policy Publ. Кyiv. 2006. [in Ukrainian].
ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
ЭФФЕКТИВНОСТИ БИОГАЗОВЫХ РЕАКТОРОВ
В.П. Клюс, канд. техн. наук, Г.А. Четверик, канд. техн.
наук, З.В. Маслюкова
Институт возобновляемой энергетики НАН Украины,
02094, ул. Гната Хоткевича 20А, г. Киев, Украина.
Для небольших фермерских хозяйств актуальным является
переработка органических отходов в энергоэффективных
биогазовых реакторах. Целью работы является повышение
энергоэффективности биогазовых реакторов. Разработа-
ны две новые конструкции биогазового реактора, которые
отличаются от известных конструкций тем, что в них
преобразования поступательного движения газгольдера во
вращение перемешивающего устройства обеспечивается за
счет использования механизма с зубчато-реечной передачей
и механизма с канатной тягой соответственно. При этом
для перемешивания субстрата используется произведенный
биогаз, который накапливается в газгольдере. Показано,
что энергоэффективность биогазовых реакторов с мокрым
газгольдером повышается путем снижения энергетических
затрат на поддержание процесса брожения. Предложен-
ные конструкции реакторов можно использовать при про-
ектировании новых и усовершенствование существующих
биогазовых реакторов с мокрым газгольдером. Проведен
эксперимент с анаэробного брожения коровьего навоза, в
который вносили биоуголь, полученное способом частичной
газификации стеблей подсолнечника и древесной щепы.
Определено, что выход биогаза повысился на 7,9-14,6% и
выход метана повысился на 6,7-11,4% во время брожения
субстратов, с которыми вносили биоуголь по сравнению с
контрольным субстратом. Определена максимальная интен-
сивность выхода биогаза и продолжительности лаг-фазы во
время брожения коровьего навоза, в том числе и с внесенным
к коровьему навозу биоуглем. Показано, что энергоэффек-
тивность биогазовых реакторов с мокрым газгольдером по-
вышается путем интенсификации процесса брожения.
Предложенные виды биоугля можно использовать для ин-
тенсификации процесса брожения. Библ. 13 рис. 5.
Ключевые слова: биореактор, биогаз, иммобилизация,
устройство для перемешивания, биоуголь.
Стаття надійшла до редакції 15.11.19
Остаточна версія 20.12.19
https://www.jstage.jst.go.jp/article/apcche/2004/0/2004_0_854/_pdf
https://www.jstage.jst.go.jp/article/apcche/2004/0/2004_0_854/_pdf
|
| id | veorgua-article-235 |
| institution | Vidnovluvana energetika |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-07-19T01:06:12Z |
| publishDate | 2019 |
| publisher | Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | veorgua/8a/92d0c5cf11db49f29ec91247741a638a.pdf |
| spelling | veorgua-article-2352026-07-18T06:32:13Z INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ БІОГАЗОВИХ РЕАКТОРІВ Klius, V. Chetveryk, H. Masliukova, Z. bioreactor, biogas, immobilization, stirred device, biochar. біореактор, біогаз, іммобілізація, перемішуючий пристрій, біовугілля. For small farms the processing of organic waste in energy efficient biogas reactors is relevant. The purpose of the work is to increase the energy efficiency of biogas reactors. Two novel designs of biogas reactor have been developed which differ from the known designs in that they transform the translational motion of the gasholder into the rotation of the mixing device by using a gear-rack mechanism and a cable-thrust mechanism respectively. In this case the biogas accumulated in the gasholder is used to mix the substrate. It has been shown that the energy efficiency of biogas reactors with wet gasholders is enhanced by reducing energy to support the digestion process. The proposed reactor designs can be used to design new and refine existing wet gasholders biogas reactors. An anaerobic digestion of cow manure using biochar was carried out obtained by the method of partial gasification of sunflower stems and wood chips. It has been determined that biogas yield increased by 7.9-14.6% and methane output increased by 6.7-11.4% during digestion of substrates that were introduced with biochar compared to the control substrate. The maximum intensity of biogas output and the duration of the lag phase during the digestion of the cow manure including the biochar introduced into the cow manure were determined. It has been shown that the energy efficiency of biogas reactors with wet gasholders is enhanced by intensification of the digestion process. The proposed biochar can be used to intensify the digestion process. Ref. 13,  fig. 5. Для невеликих фермерських господарств актуальним є переробка органічних відходів в енергоефективних біогазових реакторах. Метою роботи є підвищення енергоефективності біогазових реакторів. Розроблено дві нові конструкції біогазового реактора, які відрізняються від відомих конструкцій тим, що в них перетворення поступального руху газгольдера в обертання перемішуючого пристрою забезпечується за рахунок використання механізму із зубчасто-рейковою передачею та механізму з канатною тягою відповідно. При цьому для перемішування субстрату використовується вироблений біогаз, що накопичується в газгольдері мокрого типу. Показано, що енергоефективність біогазових реакторів з мокрим газгольдером підвищується шляхом зниження енергетичних витрат на підтримку процесу бродіння. Запропоновані конструкції реакторів можна використовувати під час проектування нових та удосконалення існуючих біогазових реакторів з мокрим газгольдером. Проведено експеримент з анаеробного бродіння коров’ячого гною, до якого вносили біовугілля, отримане способом часткової газифікації стебел соняшнику та деревної тріски. Визначено, що вихід біогазу підвищився на 7,9-14,6 % і вихід метану підвищився на 6,7-11,4 % під час бродіння субстратів, до яких вносили біовугілля у порівнянні з контрольним субстратом. Визначено максимальну інтенсивність виходу біогазу та тривалість лаг-фази під час бродіння коров’ячого гною, у тому числі й із внесеним до коров’ячого гною біовугіллям. Показано, що енергоефективність біогазових реакторів підвищується шляхом інтенсифікації процесу бродіння. Розглянуті у цій роботі види біовугілля пропонується вносити до традиційних субстратів з метою інтенсифікації процесу бродіння. Бібл. 13,  рис. 5. Institute of Renewable Energy National Academy of Sciences of Ukraine 2019-12-27 Article Article application/pdf https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/235 10.36296/1819-8058.2019.4(59).92-99 Vidnovluvana energetika ; No. 4(59) (2019): Scientific and Applied Journal Vidnovluvana energetika; 92-99 Возобновляемая энергетика; ##issue.no## 4(59) (2019): Научно-прикладной журнал Возобновляемая энергетика; 92-99 Відновлювана енергетика; № 4(59) (2019): Науково-прикладний журнал Відновлювана енергетика; 92-99 2664-8172 1819-8058 10.36296/1819-8058.2019.4(59) uk https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/235/166 Copyright (c) 2019 V. Klius, H. Chetveryk, Z. Masliukova https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | bioreactor biogas immobilization stirred device biochar. Klius, V. Chetveryk, H. Masliukova, Z. INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS |
| title | INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS |
| title_alt | ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ БІОГАЗОВИХ РЕАКТОРІВ |
| title_full | INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS |
| title_fullStr | INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS |
| title_full_unstemmed | INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS |
| title_short | INCREASING OF ENERGY EFFECTIVE OF BIOGAS REACTORS |
| title_sort | increasing of energy effective of biogas reactors |
| topic | bioreactor biogas immobilization stirred device biochar. |
| topic_facet | bioreactor biogas immobilization stirred device biochar. біореактор біогаз іммобілізація перемішуючий пристрій біовугілля. |
| url | https://ve.org.ua/index.php/journal/article/view/235 |
| work_keys_str_mv | AT kliusv increasingofenergyeffectiveofbiogasreactors AT chetverykh increasingofenergyeffectiveofbiogasreactors AT masliukovaz increasingofenergyeffectiveofbiogasreactors AT kliusv pídviŝennâenergetičnoíefektivnostíbíogazovihreaktorív AT chetverykh pídviŝennâenergetičnoíefektivnostíbíogazovihreaktorív AT masliukovaz pídviŝennâenergetičnoíefektivnostíbíogazovihreaktorív |