Demand-oriented biogas production and biogas storage in digestate by flexibly feeding a full-scale biogas plant

1. Introduction 
In 2019, it is assumed that over 88% of the world’s primary energy 
demand were covered by fossil energy sources such as coal, crude oil, 
natural gas and uranium (
IEA, 2019
). For the future, renewable energies 
must be exploited, since the reserves of fossil fuels are finite and their 
use has negative effects on the environment. 
Renewable energies include tidal and geothermal energy but for the 
most part consist of solar energy in the form of direct utilization 
(photovoltaics and solar thermal energy), hydroelectric power, wind 
energy and biomass (bioenergy). The unique characteristic of bioenergy 
among the other renewable energies is its storability (
Twidell and Weir, 
2015
). This makes biomass an excellent balancing element: At times 
when the power production from wind energy and photovoltaics is 
limited, bioenergy is able to fill in the emerging supply gaps (
Dittmer 
et al., 2021
). 
At present, digesters are mainly based on continuous stirred tank 
reactors equipped with one or more mechanical mixers (
Valijanian et al., 
* Corresponding author. 
E-mail address: 
[e-mail] 
(B. Ohnmacht).
Contents lists available at 
ScienceDirect 
Bioresource Technology 
journal homepage: 
www.elsevier.com/locate/biortech 
https://doi.org/10.1016/j.biortech.2021.125099 
Received 31 January 2021; Received in revised form 24 March 2021; Accepted 26 March 2021

---

Bioresource Technology 332 (2021) 125099
2
2018
). Stirring of the digestate has always been of major interest, firstly 
in the digestion towers of water treatment plants (
Verhoff et al., 1974
) 
and later in the specially designed biogas digesters (
Stafford, 1982
). The 
main tasks of stirring are to disperse the freshly added substrates inside 
the reactor, to release the produced biogas out of the digestate to the gas 
storage, to disrupt both heat and concentration gradients and particu-
larly to prevent both sinking and floating layers (
Karim et al., 2005; 
Kress et al., 2018
). 
Recently, rheology studies showed that digestate behaves like a non- 
Newtonian, shear-thinning fluid (
Schneider, 2018
): By increasing the 
shear stress, the apparent viscosity decreases. The focus has been on 
mechanical mixing, since this type is the most common one in CSTRs. It 
was shown that the rheology, the reactor geometry and the shape of the 
stirrers have a strong influence on the mixing efficiency. In some studies, 
the results of computational fluid dynamics (CFD) simulations could be 
verified in laboratory scale by the use of model fluids (
Kolano and 
Kraume, 2019; Kress et al., 2018; Lindmark et al., 2014a; Schneider, 
2018
). Generally, slow-moving stirrers with big-sized blades seem to be 
favorable in terms of power consumption, ratio of actively mixed 
digestion volume and mechanical stress to the microorganisms (
Singh 
et al., 2020
). However, small and fast-moving mixers are often more 
flexible and advantageous in order to respond to sinking and floating 
layers (
Naegele et al., 2012
). 
Further, it was shown that vigorous mixing may negatively, posi-
tively or hardly affect the digester’s performance. Quality reviews on 
this topic were carried out by 
Lindmark et al. (2014b) and Singh et al. 
(2020)
. Especially during startup and high sudden loading rates, in-
stabilities, an increase in volatile fatty acids (VFAs) levels and lower 
biogas production rates occurred at high mixing intensities (
Karim et al., 
2005; Hoffmann et al., 2008; Stroot et al., 2001
). In these cases, 
switching to gentle mixing helped to stabilize the process. Further, too 
intensive mixing can lead to impairments of especially the synthrophs 
and the methanogens (
Kim et al., 2002; Stroot et al., 2001; Hoffmann 
et al., 2008
). It was observed that the resultant shear stress can break up 
flocks and interdepended microbial communities leading to the inhibi-
tion of interspecies hydrogen transfer. Generally, methanogenic micro-
organisms are more vulnerable than the hydrolytic and acid-forming 
microorganisms (
Deublein and Steinhauser, 2008
). This is why some 
researchers conclude that gentle mixing can support the methanogens 
by creating separated growth zones with lower VFAs concentrations 
(
Vavilin and Angelidaki, 2005
). Particularly, when methanogenesis is 
the rate-limiting step, gentle mixing seems to be beneficial to the biogas 
process (
Stroot et al., 2001
). 
However, contrary findings were made about the influence of mixing 
on the steady-state biogas production. 
Sulaiman et al. (2009) and 
Kaparaju et al. (2008) 
found that the biogas yield could be slightly 
increased by decreasing the mixing intensity. Respectively no measur-
able and no meaningful influences between different mixing regimes 
occurred, however, fin the research of (
Lindmark et al., 2014a; Lind-
mark et al., 2014b; Kowalczyk et al., 2013 and Ong et al., 2002
). 
Conversely, 
Jiajia et al. (2011) and Karim et al. (2005) 
reported a pos-
itive effect on the biogas production by increasing the mixing intensity. 
Nevertheless, many researchers conclude that biogas production is 
hardly or not affected by mixing duration or by mixing intensity, but the 
greatest benefit of reducing the mixing times is the thereto related 
reduction of power consumption and maintenance needs (
Lindmark 
et al., 2014b; Singh et al., 2020; Lemmer et al., 2013
). 
Observations in practice have shown that the formed biogas is 
assimilated to some extent by the digestate, e.g. when the stirrers are not 
in operation (
Ong et al., 2002
). The remaining part of produced biogas 
that is not kept by the digestate still leaves the digestate. This results in 
an increase in digestate volume, which can cause severe problems as 
blocking of gas meters or pumps may occur. Some researchers addi-
tionally report economic losses since the active digestion volume is 
reduced, maintenance needs are increased, potentially additives must be 
used and assimilated biogas may be pumped out of the digester without 
any further usage. Long off-periods of the stirring system, e.g. in the case 
of malfunctions, can lead to the overflow or even to the destruction of 
the reactor within a day or less (
Moeller et al., 2012; Kougias et al., 
2014
). 
Many factors influencing the biogas assimilation were identified. The 
research often only refers to foam formation, but the biogas assimilation 
under the digestate surface has hardly been investigated. The organic 
loading rate (OLR) and sudden process changes seem to be the most 
significant factors that influence foaming. Besides VFA levels, the pres-
ence of certain microorganisms, mixing settings and digestate temper-
ature also have an influence on foaming. So far, no clear correlation 
between foaming and methane yield has been observed (
Moeller et al., 
2012; Barjenbruch et al., 2000
). The influence of the digestate’s vis-
cosity on biogas assimilation under the surface has not been investigated 
in a full-scale digester. 
Besides the optimization of the stirring process, recent investigations 
have shown that the reactors can also be fed dynamically, which leads to 
a dirigible biogas production (
Mauky et al., 2017
). Due to easier 
handling and lower error susceptibility, the continuous operation mode 
is mostly preferred. However, by adjusting the feeding to the energy 
demand, the otherwise needed biogas buffer capacity and the thereby 
related costs can be reduced immensely. Additionally, flexible feeding 
can be applied, although to a limited extent, to existing plants without 
any further extension investments (
Mauky et al., 2017
). A targeted 
release of assimilated biogas in the digestate by operating the stirrers 
can be applied in both the continuous as well as in the dynamic opera-
tion mode (
Kougias et al., 2013
). 
Demand-oriented operation often requires larger-dimensioned gas 
pipes and high-performance substrate feeding units in order to prevent 
overpressure and to allow high feeding rates. The mixing system is also 
faced with new challenges, as it has to rapdily, but with minimal effort, 
disperse the added substrates. In addition, the process stability must be 
carefully monitored. For instance, dynamic operation can lead to dis-
ruptions of microbial communities and to a shift of short-chain fatty 
acids (SCFA) distribution which can deteriorate the digester’s perfor-
mance (
Svensson et al., 2018
). However, 
Lindmark et al. (2014a) and 
Mauky et al. (2015) 
found, that VFAs accumulation does not necessarily 
lead to process inhibitions under intense mixing. In this study, we 
investigated how rheology and stirring influence the biogas production 
in a demand-oriented operation mode. Moreover, we analysed whether 
the digestate’s biogas storing capacity can be used as a quickly available 
gas buffer to boost the apparent biogas outflow. This knowledge can 
help to extend the exisiting biogas formation models by the influences of 
stirring and biogas assimilation.