Environmental performance of the innovative, patented mixing system in an agricultural biogas plant based on lca approach

1. Introduction 
The transition to a low-carbon economy requires intensive devel-
opment of new innovative energy and fuel production technologies. One 
of the actions taken towards a circular economy is the Green Deal 
announced in 2019, which assumes the EU climate-neutrality by 2050 
(COM/2020/98). The achievement of this objective involves specific 
actions related to, inter alia, decarbonisation of the energy sector and the 
development of environmentally friendly technologies, including 
renewable energy production facilities (
Dawid, 2019
). Modern agricul-
ture is faced with high requirements, such as the production of healthy 
and high-quality food while maintaining the profitability of production, 
rational management of natural resources and limiting pressure on the 
environment. New technical and technological solutions help to 
improve energy efficiency in agriculture, which is not only an energy 
consumer but also has the potential to produce renewable energy. 
According to 
Negri et al. (2014) 
biogas production is primarily based 
on the anaerobic digestion of cereal silage, with the maize silage being 
the most used and the ear of the plant being the most significant part for 
biogas production. Due to its high starch content, the ear of maize has a 
greater biogas production than the whole plant silage (
Negri et al., 
2014
). Numerous crops can be used as substrates for biogas production 
including other crops such as wheat straw and energy crops willow and 
miscanthus due to their methane potential. The benefits can vary 
depending on the substrate, but in the case of the agricultural biogas 
plant where the pilot biogas plant was constructed, the specifics of the 
farm, which was characterised by pig production, were taken into ac-
count. The biogas plant was a solution to the problem of slurry man-
agement. A new solution for mixing the fermentation pulp was 
simultaneously applied. This solution increased the efficiency of biogas 
production. The Polish model for the development of agricultural biogas 
plants is heading towards the use of waste products from farms (slurry, 
liquid manure) and agri-food processing plants in biogas production. 
The agrarian structure of agriculture in Poland favours the development 
of small biogas plants with a capacity ranging from 10 to 200 kW
e 
(
Biogas Report in Poland, 2020) 
using substrates from animal produc-
tion. As for every animal farm exceeding 100 livestock units, an agri-
cultural biogas plant should naturally supplement the production cycle. 
* Corresponding author. 
E-mail address: 
[e-mail] 
(E. Wrzesi´nska-Jędrusiak).
Contents lists available at 
ScienceDirect 
Journal of Cleaner Production 
journal homepage: 
www.elsevier.com/locate/jclepro 
https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2022.131420 
Received 18 June 2021; Received in revised form 10 March 2022; Accepted 17 March 2022

---

Journal of Cleaner Production 349 (2022) 131420
2
By closing the nutrient cycle in agriculture through the use of an agri-
cultural biogas plant aimed at recycling natural fertilizers, it is possible 
to effectively manage biogenic elements, and thus, limit their losses and 
reduce the negative impact of the farm on the natural environment. To 
date, about 30 micro-biogas plants that solely use slurry have been 
constructed in Poland. 
Biogas is one of the renewable energy carriers that have already been 
well recognised and the technologies developed allow for its stable 
production (
Atelge et al., 2020
). However, the current aim is to find 
innovative solutions for increasing the efficiency of biogas production 
(
Wrzesi´nska-Jędrusiak et al., 2020a,b
), reducing energy consumption, 
environmental impact or the use of various raw materials in the methane 
fermentation process (
Voytovych et al., 2020
). An important element of 
the profitability and feasibility analyses of new projects is the environ-
mental impact assessment. More frequently, it also applies to technol-
ogies with a potentially beneficial impact on climate change (
Muradin 
et al., 2018
). Any change in the state of the environment may harm both 
the ecosystem and human health. Biogas plants are designed to be 
environmentally friendly (
Vu et al., 2015
). However, such investments 
may also affect the natural environment in various ways (
Fusi et al., 
2016
). Hence the assessment of this impact is necessary to continuously 
improve and implement pro-environmental investments. Environmental 
effects can be measured by different techniques. The most advanced tool 
for this purpose is the LCA (PN-EN-ISO 14040). This tool was previously 
developed for ecological assessments of industrial production processes. 
Currently, its improved version is widely used in the environmental 
analysis of many production processes and products. It is based on the 
standards of the international ISO organisation which guarantees the 
comparability and transfer of LCA results to similar processes and 
objects. 
According to ISO 14040-44, the LCA is used to collect inventory data, 
id est inputs and outputs, and quantify potential environmental impacts 
of the product system during its life cycle. The LCA technique allows for 
the assessment of the environmental loads associated with a product, 
process or activity by quantifying the energy and materials used and the 
waste released into the environment, to identify opportunities for 
improvement (
Hijazi et al., 2016
). 
The environmental impact assessment of agricultural biogas plants 
fuelled by maize silage, cattle manure and by-products from the agri- 
food industry showed their positive environmental impact (
Mezzullo 
et al., 2013
). The environmental impact of the biogas plant in the 
selected region or country was also considered (
Van Stappen et al., 
2016
). It can also vary considerably depending on variable factors such 
as raw materials applied, a type of energy service provided, a location 
and a reference system (
Van Stappen et al., 2016
). 
Studies on the environmental impact of natural biogas production 
systems are discussed in the relevant literature (
De Vries et al., 2012
). 
Moreover, the research identified the most sensitive, polluting processes 
or stages of biogas systems, the so-called hot spots, which include: 
transport of biomass (
Muradin and Kulczycka, 2020
), cultivation of 
plants for energy purposes and management of digestate (
Poeschl et al., 
2012
). The magnitude of the environmental impact of the biogas plant 
may vary not only according to the selection of substrate or region but 
may also result from methodological differences in the approach to LCA 
testing, such as different functional units or accepted system boundaries. 
The type of raw material fermented in the biogas plant can be a 
decisive factor impacting the environmental effect of biogas systems 
(
Fuchsz and Kohlheb, 2015
). The results of an LCA for biogas systems for 
different agricultural substrates may also depend on the method of 
allocating environmental loads to specific products, e.g. for energy 
production (
Hijazi et al., 2016
) or production and use of digestate 
(
Timonen et al., 2019
). 
The LCA of agricultural biogas plants available in reference literature 
primarily pertains to the methane fermentation of raw materials such as 
arable crops (including energy ones) and animal faeces (
Wagner et al., 
2019
). The Life Cycle Assessment of the biogas plant fuelled by pig 
manure with other agro-industrial wastes (molasses, fish, biodiesel and 
vinegar production residues) and the biogas plant solely fuelled by pig 
manure showed that the assessed biogas plant scenarios showed a 
negative impact in four of the six selected impact categories (acidifica-
tion, eutrophication, global warming and photochemical oxidation po-
tential). For the other two categories (abiotic potential and ozone 
depletion potential), the analysis showed the benefits of replacing fossil 
fuels with biogas (
Croxatto Vega et al., 2014
). CO
2 
emissions from 
biogas plants may be lower than the average emissions from conven-
tional electricity generation (
De Vries et al., 2012
). 
The development of technologies for the production of biogas from 
agricultural biomass enables the management of waste biomass and its 
conversion to energy and agricultural fertiliser. Biogas production pri-
marily depends on the type, quantity and quality of the substrates fed. 
The substrate is mostly selected based on its availability to the 
biotechnological system. Solid and liquid animal manure is produced on 
livestock farms. These are mainly cattle and pig and poultry faeces. 
Monosubstrate biogas plants use the slurry from pigs and cows kept in a 
litter-free system on slatted floors. 
Important LCA studies regarding mono-digestion were featured by 
Lij´o et al. (2015) 
where three different plants were compared due to the 
different input of materials: pig slurry, maize silage or both materials in 
the co-digestion process. The lowest environmental burdens were noted 
for AD plants using the mono-digestion process of a pig slurry due to the 
maize straw production processes that were included in the system 
boundary (
Lij´o et al., 2015
). 
The environment of methane fermentation is characterised by ranges 
of successive parameters that can be divided into two groups environ-
mental parameters and process parameters (
Myczko et al., 2011
). 
Environmental parameters have a great impact on the course of indi-
vidual stages of methane fermentation and determine the amount of 
biogas obtained and the level of methane content. The process param-
eters are as follows: volume load, hydraulic retention time (HRT), dy-
namic volume balance, biogas composition, and mixing. Of the aforesaid 
factors, suspension mixing is a very crucial parameter that has a sig-
nificant impact on the efficiency of the biogas plant, both in terms of 
biogas quality and energy consumption. In general, mixing contributes 
to achieving substrate homogeneity and the uniform distribution of 
nutrients, pH values and temperature in the digester (
Singh et al., 2020
). 
Significant aspects of mixing are its intensity and duration. The intensity 
depends on the mixing technology applied. Depending on the design of 
the fermentation chamber and the type of substrate three different 
mixing techniques can be used: mechanical, hydraulic and pneumatic. 
For mechanical mixing, substrates are mixed by recirculating the con-
tents of the fermentation chamber. Impellers are rotated when immersed 
in the suspension (
Zhao et al., 2017
). Mechanical mixing is the most 
popular type currently applied in Europe. Various types of propellers 
and stirrers are applied to homogenise the contents of the fermentation 
tank. Moreover, mechanical mixing consumes the most energy per tank 
volume (
Lemmer et al., 2013
). 
Another method of mixing the contents of fermentation tanks is to 
use a fermentation liquid – hydraulic mixing. For this type of mixing, a 
substrate is pumped into the digester by a pumping system through 
adjustable nozzles that can inlet the liquid at a suitable angle adjustable 
both horizontally and vertically. Hydraulic mixing requires pumps for 
mixing biodegradable substrates (
Weiland, 2009
). On the other hand, 
pneumatic mixing (gas lifting) is affected by the produced biogas that is 
compressed and then pumped through the entire volume of the 
fermentation chamber for mixing (
Thorin et al., 2012
). 
In the tested biogas plant, the batch was mixed with a hybrid pump 
(hydraulic – pneumatic) that mixes the contents of the digester with raw 
biogas and fermenting biomass (
Fig. 1 
A, B) (
Myczko et al., 2019
). The 
digester enables the process of fermentation, its control and adjustment. 
It is designed vertically on four pillars. The hybrid pump inside the tank 
ensures the circulation of the fermenting mass and auxiliary mixing of 
digester contents with biogas. The heating medium is hot water taken