Commercial biogas plants: Review on operational parameters and guide for performance optimization

3.6. Mixing strategy exploration 
The main purpose of mixing is to ensure good distribution and ho-
mogeneity of the feeding substrate and microorganisms in anaerobic 
reactors. In addition, mixing also facilitates the uniform distribution of 
temperature within the reactor and the transfer of gas from the liquid 
phase. An adequate mixing strategy has been shown to improve the 
performance of reactors by reducing the rate of sedimentation, whereas 
inadequate mixing can directly result in stratification and the formation 
of floating layers of solids, regional overloading, dead zones, and foam 
formation 
[90,91]
. 
For anaerobic digesters, mixing strategies generally include mixing 
methods and modes. Commonly applied mixing methods include me-
chanical mixing, hydraulic mixing, and pneumatic mixing. The optimal 
mixing method varies depending on the requirements and feasibility of 
the biogas plant 
[81,90]
. Pneumatic mixing systems, in particular, have 
been shown to exacerbate foaming incidents, mainly due to the fact that 
the mixing of biogas provides favorable conditions for the occurrence of 
foaming. With recirculation of biogas, rising gas bubbles can attach to 
foaming agents, accelerating the physical process already occurring with 
rising gas bubbles generated within the reactor. As a result, the foaming 
potential and the consequent potential risk of process instability are 
increased 
[48]
. 
For full-scale application and operation, the configuration of the 
mixing mode is more challenging in terms of intensity and duration. 
Insufficient mixing can directly promote the formation of a dead zone, 
while sudden stops caused by mechanical malfunction are commonly 
regarded as a critical causative factor for process instability. Labatut and 
Gooch 
[34] 
reported the presence of highly inconsistent and stratified 
influent material when a mixing and pumping device located in an 
influent pit was out of service for two weeks. During this period, 
insufficient mixing of highly biodegradable and acidic cheese whey and 
corn silage produced regional shock loading of VFAs and resulted in 
process instability. 
Continuous and vigorous mixing has been reported to consume a 
significant amount of energy. According to Moeller and G¨orsch 
[13]
, 
frequent foaming was observed at all process stages of the investigated 
plant and no success was achieved with commercial defoamers. There-
fore, continuous mixing was performed in all digesters, including the 
digestate storage tanks, resulting in increased internal energy con-
sumption. In fact, mixing systems are generally considered to be among 
the main consumers of electricity (29–54%) in full-scale biogas plants 
[92]
. Therefore, mixing is a critical operational parameter that can be 
optimized to increase energy efficiency. 
Forceful and repeated mixing can also influence the distribution and 
structure of microbial communities in anaerobic digesters. For example, 
Zhang et al. 
[27] 
found that Bacteroides, which can convert acetates and 
other simpler substrates to H
2 
to enable hydrogenotrophic methano-
genesis, constituted a higher proportion of the microbial community in 
semi-continuously mixed reactors in comparison with that of continu-
ously mixed reactors, ensuring that methane was produced through 
multiple pathways. Moreover, Methanosaeta concilii, an archaeum 
responsible for methane formation, possesses long filaments that can be 
damaged easily by continuous and vigorous mixing. Similarly, as 
emphasized by Kaparaju et al. 
[90] 
and McMahon et al. 
[93]
, intensive 
mixing may disrupt the spatial juxtaposition of syntrophic bacteria and 
their methanogenic partners. As a result, high levels of acetate and 
propionate, with persistence of propionate, were observed in vigorously 
mixed reactors in comparison with those that were gently or minimally 
mixed, leading to decreased biogas yield and a prolonged start-up 
period. The propionate in such reactors was quickly consumed when 
the mixing mode was switched to a gentler mode. Thus, disruption of the 
growth and integrity of microbial structures could have disturbed or 
destroyed the strength of the syntrophic relationship among microbial 
organisms, thereby adversely affecting process stability. 
Consequently, minimal intermittent mixing appears to be the most 
optimal strategy for reducing energy consumption and maintaining 
process stability. The most suitable mixing strategy varies among cases 
and largely depends on the characteristics of the selected feedstock, 
mixing method, and reactor type 
[27,61]
. For example, the reported 
experience of a plant utilizing renewable resources showed that 10 min 
of mixing per hour was sufficient 
[39]
. A further study found that long 
periods without stirring (45 min or longer) led to faster sedimentation 
and reduced biogas yield 
[94]
. Another suggestion indicated that 
limiting the mixing intensity for a period of time after feeding could 
further improve AD performance 
[90]
. Therefore, it is not possible to 
specify a general rule for mixing based on a comprehensive synthesis of 
theoretical investigation and practical experience. Optimization of the 
most suitable plant-specific mixing strategy remains a challenging task 
in the design of energy-efficient AD systems. 
The application and development of computational fluid dynamics 
(CFD) provide a solution for optimal mixing from a more systematic 
perspective. According to Zhang et al. 
[27]
, both lab-scale experiments 
and CFD modeling have been initiated to evaluate the feasibility of 
optimizing the mixing process in real applications. The results indicated 
that the application of CFD allowed optimization of the mixing duration 
and reduced energy consumption, creating a more energy-efficient AD 
process with a higher biogas yield and net energy output. Similarly, 
simulation results based on a full-scale case study showed that mixing 
for long periods was not very effective as a means of avoiding the cre-
ation of dead zones, and the recommended operating parameters for 
mixing were is 3–5 min on and 25–30 min off. In addition, for biode-
gradable feedstock with a high TS concentration, the application of 
hydro-mixers rather than slowly rotating stirrers was recommended due 
to lower energy consumption and better performance. The overall 
optimization process increased the specific electricity yield by 21.5% 
and reduced the electricity consumed by the stirrers by 13.5% 
[94]
. 
Therefore, after obtaining basic information regarding reactor design, 
mixing methods, the rheological properties of the digestate, and the 
characteristics of the substrate, CFD-based analytical techniques can be 
employed in parametric studies to optimize the design and operation of 
mixing strategies.