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

Fig. 3. Data of the conducted viscosity measurements obtained from the tube 
viscosimeter (diameter: DN80, length: 4 m, flow rate: 3.6 m
3 
h
−
1 
to 65 m
3 
h
−
1
). 
The average viscosity of the second block was roughly two to ten times lower 
than in the first one due to the dilution of the digestate. 
Fig. 4. Stored biogas amount in the digestate. 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. When the stirrers were 
operated continuously, only a small amount was stored, which can presumably 
mainly be assigned to additional storage inside the headspace. Generally, 
higher amounts were stored higher at high viscosities, however, no difference 
could be observed between the stirring times. 
B. Ohnmacht et al.

---

Bioresource Technology 332 (2021) 125099
7
was probably caused by different reasons: Due to the higher viscosity, 
the gas bubbles rise up slower than at a low viscosity, hence they stay 
longer in the digestate and the total gas amount is higher (
Nickens and 
Yannitell, 1987
). Additionally, flow velocity, shear stress and turbulence 
are higher when the viscosity is low, leading to an increased detachment 
of biogas bubbles from the solid parts in the digestate which lowers the 
total biogas amount in the digestate (
Enders et al., 2019
). Further, at low 
viscosity, the digestate is still in motion after the sirrers were switched 
off (
Kress et al., 2020
) which applies small but continuous shear stress to 
the digestate, leading to a higher release of assimilated biogas. 
In our experiments ∊
max
(h
*
=
h
R
=
6 m) was approximately 21.4%. 
However, in our experiments, h
* 
was around 5 m and, therefore, ∊(h
*
=
5 m) was approx. 18.6%. In this case, the absolute maximum storable 
biogas amount (”working range”) was approx. 30 m
3
. This demonstrates 
that theoretically only around 1/5 of assimilated biogas in the digestate 
can be used for the demand-oriented biogas supply, since the rest re-
mains in the digester’s headspace. For our experiments (h
R
=
6 m, ϱ ≈
1000
kg
m
3
,
p ≈ 1 bar), the optimum concerning the useable biogas 
amount was achieved by a half-filled digester at h
*
opt
≈
0.49h
R
. This is, 
obviously, not applicable to the practical use. At most, the targeted 
biogas release could be used secondarily as a side effect at a given fill 
level. 
Fig. 1 
shows the graphs of Eqs. 
(5) and (7)-(9)
, adapted to the 
conditions of the investigated digester. 
In this context, no significant influence of the substrate type on the 
stored biogas could be derived from the measurements. Nearly the same 
amount of averagely 7.8 m
3 
(trial block 1) and 5.3 m
3 
(trial block 2), 
respectively, were stored within one interval when the stirrers were 
operated intermittently. This may be partly explained by the experi-
mental design where feeding to maintain a consistent biogas production 
was targeted: According to 
Kougias et al. (2013)
, differences in the OLR 
and in the biogas production are the main factors that influence biogas 
storage. However, it was also found by others that the chemical 
composition of the feedstock and the subsequently produced in-
termediates (VFAs) have an influence on the stored biogas (
Kougias 
et al., 2013; Kougias et al., 2014; Moeller et al., 2012
). These influences 
could be further investigated by applying additional substrate types. 
Besides, the duration of the stirring pauses should be increased in order 
to enhance small differences in biogas assimilation. 
In general, the biogas storing capacity of the digestate due to biogas 
assimilation (theoretical maximum 30 m
3 
and measured 8 m
3 
in our 
experiments at a fill level 5 m) was small compared to the integrated 
membrane storage at the investigated research plant (around 2000 m
3
) 
and, therefore, neglectable for the use in the demand-oriented biogas 
supply. This effect is, however, important when determining the biogas 
production rate from the biogas outflow: Related to the total biogas 
production within one mixing interval, the assimilated and released 
biogas amount was on average in the order of 10% - 20% in our ex-
periments and, therefore, significantly affected the measured biogas 
outflow. To eliminate the effect of biogas assimilation on the biogas 
outflow, the outflow has to be integreated over the time of one mixing 
interval, limiting the temporal resolution of the biogas production rate 
to the length of a mixing interval. 
The introduced equations in Section 
2.6 and 2.7 
are based on phys-
ical processes and should, therefore, be transferrable to different tem-
perature levels. In this study, thermophilic conditions were investigated. 
However, data for the mesophilic condition should be generated in order 
to compare the biogas assimilation in the digestate. It can be expected 
that under mesophilic conditions, when methanogenesis is rather 
favored towards hydrolysis and acidogenesis (
Kim et al., 2002
), the shift 
in VFAs concentrations, microbial consortia, viscosity and surface ten-
sion may lead to a change in both the kinetic and the equilibrium state of 
biogas storage (
Hao and Wang, 2015
). The decrease in VFAs levels may 
lead to a reduced biogas storage in the digestate whereas the presence of 
certain filamentous species, the decrease in viscosity and the increase in 
surface tension may lead to an increase in the biogas storage. Which one 
of these effects predominates and if further influence factors exist could 
be investigated in future experiments. Moreover, further investigations 
should put digestate viscosity, stirring and the main process parameters 
into context and investigate their mutual influences.