Efficiency analysis of a biogas plant based on mathematical modeling of mesophilic fermentation processes

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Ашық рұқсат Ашық рұқсат
Рұқсат жабық Рұқсат берілді
Рұқсат жабық Тек жазылушылар үшін

Аннотация

The article presents a mathematical model of the biochemical processes occurring in a biogas plant under the mesophilic fermentation regime. The aim of the research was to increase the efficiency of biogas plants by developing mathematical models of biochemical processes. The model is based on a system of differential equations that take into account the dynamics of the key components of the substrate, such as moisture, ash, nitrogen-free extractives (BEV), fats, proteins, and fiber. A number of factors have been identified that may affect the reaction rate, including the temperature regime, the hydrogen index of the reaction medium, as well as the content of ammonia and volatile fatty acids, which exhibit the ability to inhibit. During the calculations, the time dependences of the concentrations of the main components of the substrate were obtained and plotted graphically. As a result, the dependence of the volume output of biogas on the substrate parameters was obtained. The simulation results showed high accuracy in predicting biogas output, especially for piglet manure (R2 > 0.96). The model also takes into account the dynamics of microbial biomass and the accumulation of intermediates such as methane and carbon dioxide. The results obtained indicate that the developed mathematical model of the biochemical processes of a biogas plant has high accuracy and can be used to predict the key parameters of anaerobic digestion in the mesophilic regime. The developed approach can be integrated into biogas complex management systems to optimize substrate loading and increase energy generation efficiency. The work prospects include adapting the model to thermophilic conditions and complex substrates.

Толық мәтін

##article.viewOnOriginalSite##

Авторлар туралы

Dmitriy Klyosov

MIREA – Russian Technological University

Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: d.n.klesov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-4556-6246
SPIN-код: 9549-6115
Scopus Author ID: 57223098645
ResearcherId: Q-3076-2017

Cand. Sci. (Eng.), associate professor, Department of Industrial Programming, Institute of Advanced Technologies and Industrial Programming

Ресей, Moscow

Vadim Lomazov

Belgorod State Agricultural University named after V.Ya. Gorin; Belgorod State National Research University

Email: vlomazov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5061-704X
SPIN-код: 4891-3258
Scopus Author ID: 6506652291

Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor, Professor, Department of Applied Informatics and Mathematics, Faculty of Engineering, Professor, Department of Applied Informatics and Information Technology, Institute of Engineering and Digital Technology

Ресей, Mayskiy, Belgorod Region; Belgorod

Alexander Lomazov

Financial University under the Government of the Russian Federation

Email: alomazov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5816-7792
SPIN-код: 3216-9940
Scopus Author ID: 57212379073

Cand. Sci. (Eng.), associate professor, Department of Information Technology, Faculty of Information Technology and Big Data Analysis

Ресей, Moscow

Irina Miroshnichenko

Belgorod State Agricultural University named after V.Ya. Gorin

Email: imiroshnichenko_@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9651-218X
SPIN-код: 4810-1640
Scopus Author ID: 57192103319
ResearcherId: Q-7180-2017

Cand. Sci. (Biol.), associate professor, Department of Technology of Production and Processing of Agricultural Products, Faculty of Technology

Ресей, Mayskiy, Belgorod Region

Әдебиет тізімі

  1. Guryev V.V., Kuvshinov V.V., Yakimovich B.A. Prospects for the Development of Renewable Energy in the Crimean Peninsula. Vestnik IzhGTU imeni M.T. Kalashnikova. 2021. Vol. 24. No. 4. Pp. 109–115. doi: 10.22213/2413-1172-2021-4-109-115.
  2. Klyosov D. et al. Neural network analysis of the productivity of biogas plants for small agricultural enterprises. In: E3S Web of Conferences. Proceedings of the VII International Conference on Actual Problems of the Energy Complex and Environmental Protection. Uzbekistan, 2024. Vol. 524. P. 01013. doi: 10.1051/e3sconf/202452401013.
  3. Merhawi K.Ts. Enhancement of biogas production from agricultural waste by anaerobic digestion: Didactic review. In: Substantive and procedural aspects of modern education. Proceedings of the V International Scientific and Practical Conference (Astrakhan, February 24, 2023). Astrakhan, 2023. Pp. 210–214.
  4. Minaeva E.A. Development of renewable energy sources (wind and solar) in Germany. Young Scientist. 2024. No. 2 (501). Pp. 98–103.
  5. Samuratova T.K. et al. The main features of an eco-city in Kazakhstan: Development prospects. Bulletin of the L.N. Gumilyov Eurasian National University. Series: Technical Sciences and Technologies. 2024. No. 4 (149). Pp. 23–31. doi: 10.32523/2616-7263-2024-149-4-23-31.
  6. Zablodskiy M. et al. Research of the influence of the combined electromagnetic field on biogas output. Problems of the Regional Energetics. 2023. No. 2 (58). Pp. 81–96. doi: 10.52254/1857-0070.2023.2-58-08.
  7. Apazhev A.K. et al. Utilization of livestock waste with biogas production. International Agricultural Journal. 2022. Vol. 65. No. 5. (In Rus.). doi: 10.55186/25876740_2022_6_5_34.
  8. Akhmadishin A.A., Ziganshin B.G., Gaifullin I.H. Technology of processing and utilization of organic waste. In: Applied research in agroengineering. Scientific papers of the All-Russian (national) scientific and practical Conference of Young Scientists (Kazan, November 22, 2023). Kazan: Kazan State Agrarian University, 2024. Pp. 206–212.
  9. Kovalev A.A. Development and research of bioenergetic installations for electricity and heat supply to agricultural consumers. Dis. ... of Dr. Sci. (Eng.). 2022. 236 p.
  10. Kuzubov A.A., Shashlo N.V. Models of waste use of agricultural enterprises in ensuring energy and environmental safety. Bulletin of the Voronezh State Agrarian University. 2021. Vol. 14. No. 3 (70). Pp. 168–176. (In Rus.). doi: 10.53914/issn2071-2243_2021_3_168.
  11. Nastenko A.A. et al. The role of renewable energy sources and secondary renewable energy sources in the energy management of the European Union countries. Microeconomics. 2024. No. 5. Pp. 65–77. (In Rus.). doi: 10.33917/mic-5.118.2024.65-77.
  12. Parshikova M.V. Studies of anaerobic digestion of livestock waste using an activator in a bioreactor to intensify the process. Bulletin of the NGIEI. 2023. No. 7 (146). Pp. 19–31. (In Rus.). doi: 10.24412/2227-9407-2023-7-19-31.
  13. Puromov N.S., Nedozhogina M.V. The use of alternative energy sources for power supply to agricultural farms in remote areas. In: Modern problems of energy efficiency of agroengineering research in the context of digital transformation. Proceedings of the International Scientific and Practical Conference (Balashikha, May 30, 2024). Balashikha: Vernadsky Russian State University of National Economy. 2024. Pp. 158–164.
  14. Soloviev D.S. et al. Mathematical modeling and optimal control of heat exchange in a biogas reactor. In: Innovative technologies and solutions in industry. Proceedings of the All-Russian Scientific and Practical Conference with international participation (Ishimbai, April 16–18, 2024). Ishimbai, 2024. Pp. 218–220.
  15. Tursunbayeva G. et al. Biogas production from livestock biomass. Bulletin of the Kazakh Academy of Transport and Communications named after M. Tynyshpayev. 2022. No. 3 (122). Pp. 171–181. (In Rus.). doi: 10.52167/1609-1817-2022-122-3-171-181.
  16. Tyurina E.A., Stepanova E.L. Promising technologies for the production of thermal and electrical energy. Innovations in thermal power engineering and heat engineering. Irkutsk: Irkutsk National Research Technical University, 2023. 143 p.
  17. Fedorova O.A., Fedoseev S.V., Stovba E.V. Trends in “green energy”: The use of agricultural raw materials in the industrial processing of traditional hydrocarbons. Economics of Agricultural and Processing Enterprises. 2023. No. 7. Pp. 38–43. doi: 10.31442/0235-2494-2023-0-7-38-43.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
2. Fig. 1. Time dependences of changes in concentrations of the main components of the substrate

Жүктеу (153KB)
3. Fig. 2. Biogas output

Жүктеу (164KB)


Лицензия сипаттамасына сілтеме: https://www.urvak.ru/contacts/

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».