Computational nanotechnologyComputational nanotechnologyComputational nanotechnology2313-223X2587-9693YUR-VAK35838210.33693/2313-223X-2025-12-5-29-36EFJPCNSYSTEM ANALYSIS, INFORMATION MANAGEMENT AND PROCESSING, STATISTICSСИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ, УПРАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА ИНФОРМАЦИИ, СТАТИСТИКАResearch ArticleEfficiency analysis of a biogas plant based on mathematical modeling of mesophilic fermentation processesАнализ эффективности биогазовой установки на основе математического моделирования процессов мезофильного сбраживанияhttps://orcid.org/0000-0003-4556-624657223098645Q-3076-20179549-6115KlyosovDmitriy N.КлёсовДмитрий Николаевич
Russian Federation

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

кандидат технических наук, доцент, кафедра индустриального программирования, Институт перспективных технологий и индустриального программирования

d.n.klesov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5061-704X65066522914891-3258LomazovVadim A.ЛомазовВадим Александрович
Russian Federation

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

доктор технических наук, доцент, профессор, кафедра прикладной информатики и математики, инженерный факультет, профессор, кафедра прикладной информатики и информационных технологий, Институт инженерных и цифровых технологий

vlomazov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5816-7792572123790733216-9940LomazovAlexander V.ЛомазовАлександр Вадимович
Russian Federation

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

кандидат технических наук, доцент, кафедра информационных технологий, факультет информационных технологий и анализа больших данных

alomazov@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9651-218X57192103319Q-7180-20174810-1640MiroshnichenkoIrina V.МирошниченкоИрина Владимировна
Russian Federation

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

кандидат биологических наук, доцент, кафедра технологии производства и переработки сельскохозяйственной продукции, технологический факультет

imiroshnichenko_@mail.ruMIREA – Russian Technological UniversityМИРЭА – Российский технологический университетBelgorod State Agricultural University named after V.Ya. GorinБелгородский государственный аграрный университет имени В.Я ГоринаBelgorod State National Research UniversityБелгородский государственный национальный исследовательский университетFinancial University under the Government of the Russian FederationФинансовый университет при Правительстве Российской Федерации14122025125293616122025Copyright ©; 2025, Yur-VAKCopyright ©; 2025, Юр-ВАК2025Yur-VAKЮр-ВАКhttps://www.urvak.ru/contacts/https://journals.rcsi.science/2313-223X/article/view/358382

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.

В статье представлена математическая модель биохимических процессов, происходящих в биогазовой установке при мезофильном режиме сбраживания. Целью исследований было – повышение эффективности работы биогазовых установок за счет разработки математических моделей биохимических процессов. Модель основана на системе дифференциальных уравнений, учитывающих динамику ключевых компонентов субстрата, таких как влага, зола, безазотистые экстрактивные вещества (БЭВ), жиры, протеины и клетчатка. Определен ряд факторов, которые могут оказывать влияние на скорость реакций, в том числе температурный режим, водородный показатель реакции среды, а также содержание аммиака и летучих жирных кислот, проявляющих способность к ингибированию. В ходе расчетов были получены временные зависимости изменения концентраций основных компонентов субстрата и построены графически. Как результат была получена зависимость объемного выхода биогаза от параметров субстрата. Результаты моделирования показали высокую точность прогнозирования выхода биогаза, особенно для навоза поросят (R2 > 0,96). Модель также учитывает динамику микробной биомассы и накопление промежуточных продуктов, таких как метан и углекислый газ. Полученные результаты свидетельствуют о том, что разработанная математическая модель биохимических процессов биогазовой установки обладает высокой точностью и может быть использована для прогнозирования ключевых параметров анаэробного сбраживания в мезофильном режиме. Разработанный подход может быть интегрирован в системы управления биогазовыми комплексами для оптимизации загрузки субстрата и повышения эффективности генерации энергии. Перспективы работы включают адаптацию модели к термофильным условиям и сложным субстратам.

mathematical modelingbiogasefficiency analysisbiogas plantmesophilic fermentation regimechemical composition of the substrateматематическое моделированиебиогазанализ эффективностибиогазовая установкамезофильный режим сбраживанияхимический состав субстратаThe research was carried out with the financial support of the Russian National Science Foundation as part of the scientific project No. 24-21-00059Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ в рамках научного проекта № 24-21-00059Guryev 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.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.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.Klyosov D. et al. Neural network analysis of the productivity of biogas plants for small agricultural enterprises // E3S Web of Conferences: VII International Conference on Actual Problems of the Energy Complex and Environmental Protection. Uzbekistan, 2024. Vol. 524. P. 01013. DOI: 10.1051/e3sconf/202452401013.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.Merhawi K.Ts. Enhancement of biogas production from agricultural waste by anaerobic digestion: Didactic review // Содержательные и процессуальные аспекты современного образования: Материалы V Международной научно-практической конференции (Астрахань, 24 февраля 2023 г.). Астрахань, 2023. С. 210–214.Minaeva E.A. Development of renewable energy sources (wind and solar) in Germany. Young Scientist. 2024. No. 2 (501). Pp. 98–103.Minaeva E.A. Development of renewable energy sources (wind and solar) in Germany // Молодой ученый. 2024. № 2 (501). С. 98–103.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.Samuratova T.K. et al. The main features of an eco-city in Kazakhstan: Development prospects // Вестник Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Серия: Технические науки и технологии. 2024. No. 4 (149). Pp. 23–31. DOI: 10.32523/2616-7263-2024-149-4-23-31.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.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.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.Апажев А.К. и др. Утилизация отходов животноводства с получением биогаза // International Agricultural Journal. 2022. Т. 65. № 5. DOI: 10.55186/25876740_2022_6_5_34.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.Ахмадишин А.А., Зиганшин Б.Г., Гайфуллин И.Х. Технология переработки и утилизации органических отходов // Прикладные исследования в агроинженерии: научные труды Всерос. (национальной) науч.-практ. конф. молодых ученых (Казань, 22 ноября 2023 г.). Казань: Казанский государственный аграрный университет, 2024. С. 206–212.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.Ковалев А.А. Разработка и исследование биоэнергетических установок для электро- и теплоснабжения сельскохозяйственных потребителей: дис. ... д-ра техн. наук. 2022. 236 с.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.Кузубов А.А., Шашло Н.В. Модели использования отходов аграрных предприятий в обеспечении энергетической и экологической безопасности // Вестник Воронежского государственного аграрного университета. 2021. Т. 14. № 3 (70). С. 168–176. DOI: 10.53914/issn2071-2243_2021_3_168.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.Настенко А.А. и др. Роль возобновляемых источников энергии и вторичных возобновляемых источников энергии в энергоменеджменте стран Европейского союза // Микроэкономика. 2024. № 5. С. 65–77. DOI: 10.33917/mic-5.118.2024.65-77.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.Паршикова М.В. Исследования анаэробного сбраживания отходов животноводства с применением активатора в биореакторе для интенсификации процесса // Вестник НГИЭИ. 2023. № 7 (146). С. 19–31. DOI: 10.24412/2227-9407-2023-7-19-31.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.Пуромов Н.С., Недожогина М.В. Использование альтернативных источников энергии для электроснабжения агрофермы на удаленных территориях // Современные проблемы энергоэффективности агроинженерных исследований в условиях цифровой трансформации: матер. Междунар. науч.-практ. конф. (Балашиха, 30 мая 2024 г.). Балашиха: Российский гос. ун-т народного хозяйства им. В.И. Вернадского. 2024. С. 158–164.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.Соловьев Д.С. и др. Математическое моделирование и оптимальное управление теплообменом в реакторе получения биогаза // Инновационные технологии и решения в промышленности: cб. матер. Всерос. науч.-практ. конф. с международным участием (Ишимбай, 16–18 апреля 2024 г.). Ишимбай, 2024. С. 218–220.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.Турсунбаева Г. и др. Производство биогаза из биомассы животноводства // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. 2022. № 3 (122). С. 171–181. DOI: 10.52167/1609-1817-2022-122-3-171-181.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.Тюрина Э.А., Степанова Е.Л. Перспективные технологии производства тепловой и электрической энергии. Инновации в теплоэнергетике и теплотехнике. Иркутск: Иркутский национальный исследовательский технический университет, 2023. 143 с.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.Федорова О.А., Федосеев С.В., Стовба Е.В. Тенденции в «зеленой энергетике»: использование сельскохозяйственного сырья при промышленной переработке традиционных углеводородов // Экономика сельскохозяйственных и перерабатывающих предприятий. 2023. № 7. С. 38–43. DOI: 10.31442/0235-2494-2023-0-7-38-43.