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

3. Results and discussion 
3.1. Digestate viscosity 
During the experimental time, the digestate viscosity was measured 
weekly, before the mixing time was set to the next adjustment. The 
gained data were fitted to the approach of Ostwald-and-de-Waele for the 
dynamic viscosity (Eq. 
(4)
). 
Fig. 3 
summarizes the results of the con-
ducted measurements in the DN80 tube. It is shown that the viscosity 
was satisfactorily constant within a trial block but different between the 
blocks: The deviation within in a block was much smaller than the dif-
ferences between the two trial blocks. In average, the flow consistency 
coefficient in the first block, K
I
, was around 9.607 Pas
n− 1 
±
0.962 Pas
n− 1 
and the flow behaviour index in the first block, n
I
, was around 0.337 ±
0.060. For the second block, K
II
, was around 0.369 Pas
n− 1 
±
0.059 
Fig. 1. Unusable headspace gas storage, gas storage in the digestate, useable (e. 
g. by stirring) biogas amount and useable fraction of stored biogas of the 
investigated digester. The optimum of the absolute useable biogas amount was 
near h
*
≈
2.94 m, whereas the optimum of the useable fraction of stored biogas 
is obtained from a fill-up digester (here: h
* 
=
6 m). In our experiments, the 
digester’s fill level was 5 m and, therefore, the absolute maximum useable 
biogas amount (“’working range”) was approx. 30 m
3
. 
Fig. 2. Biogas production rate when feeding flexibly. Generally, the rate in-
creases after substrate addition. After going through an optimum at time t
max
, it 
starts decreasing. The stored biogas inside the digestate and inside the digester 
can be derived from the difference of the actual biogas production rate and the 
measured biogas outflow. 
B. Ohnmacht et al.

---

Bioresource Technology 332 (2021) 125099
6
Pas
n− 1 
and n
II 
was around 0.771 ± 0.049. 
The digestate viscosity was lowered by replacing roughly around one 
third of the origin digestate volume with a mixture of rain water and 
digestate. After Eq. 
(3)
, the viscosity should have been lowered roughly 
by factor 2/3, which matches fairly well with the measurement data: 
The decrease in viscosity within the measuring range of around 20 s
−
1 
to 
280 s
−
1 
was around 50% to 90% of the origin viscosity. 
Variations in the viscosity may also be caused by further reasons. 
Besides water content and measurement uncertainties, the chemical and 
granulometric composition of the digestate play an important role on 
the rheology: During AD, for instance, particles and fibers as well as 
long-chained molecules are degraded which leads to a decrease in vis-
cosity. Similarly, the addition of long-sized materials or hardly 
degradable substrates can lead to an increase in digestate viscosity 
(
M¨onch-Tegeder et al., 2015; Schneider, 2018
). 
3.2. Biogas storage in the digestate 
In order to analyse the biogas storage in the digestate, the temporal 
gas outflow out of the digester was measured continuously and the 
biogas storage was subsequently determined using Eqs. 
(10)-(13)
. For 
the analysis, the stored biogas in each of the 96 mixing intervals per trial 
day was averaged. 
Fig. 4 
summerizes the results. The x-axis labels refer 
to the absolute pause time in minutes within the 15-min-intervals and to 
the relative active mixing time within the intervals, respectively. For 
instance, a pause time of 10 min within a 15-min-interval corresponds to 
an active mixing time of 5 min per interval which is equivalent to a 
relative mixing time of around 33%. 
When the stirrers run continuously, no biogas storage inside the 
digestate should be detectable per definition. A small amount of around 
0.8 m
3 
was, however, measured in our experiments. Besides measure-
ment uncertainties, this is probably mainly caused by small deviations 
from the idealizations and assumptions made in Sections 
2.6 and 2.7
. For 
instance, the gas pressure in the headspace was not perfectly constant 
but varied up to 30 mbar in the investigated reactor. This variation 
theoretically caused an error of around 0.5 m
3 
in the determined biogas 
storage. 
A significant difference was found between mixing continually and 
the other mixing settings, but the influence of the duration of active 
stirring could be neglected: No difference in the biogas storage between 
10% to 80% stirring time could be derived from the measurement data. 
It seems that nearly the same amount of biogas is stored and released 
from the digestate at different mixing times in the regarded time inter-
valls. In accordance with 
Stafford (1982)
, this indicates that a large part 
of the accumulated biogas is released within the first minutes. Due to the 
fast response, it can be assumed, that the gas release is rather caused by 
physical effects than by chemical or biological processes. 
The insignificant differences between the mixing settings may also