Репозиторій ЧДТУ

3 
ЗМІСТ 
 
ВСТУП 5 
РОЗДІЛ 1. Огляд основних параметрів системи керування  
біореактором 8 
1.1 Характеристика та склад органічних відходів 8 
тваринництва 
1.2 Кінетика процесу та вибір параметрів метанового  
зброджування 11 
1.3 Обґрунтування вибору вузлів в біореакторах 16 
1.4 Вибір математичних моделей для опису та моделювання  
метанового зброджування триступеневої біогазової установки 21 
Висновки до розділу 1 24 
РОЗДІЛ 2. Математичне і комп'ютерне дослідження  
параметрів процесу в біореакторі 25 
2.1 Розробка технологічного процесу підготовки сировини 25 
2.2 Розробка поєднаного вузла подрібнення субстрату 28 
2.3. Розробка математичної моделі вузлів в біореакторах  33 
Висновки до розділу 2 40 
РОЗДІЛ 3. Розробка системи автоматизації біогазової  
установки 42 
3.1 Вибір параметрів для системи автоматизації 42 
3.2 Програмне забезпечення та реалізація системи 46 
Висновки до розділу 3 59 
РОЗДІЛ 4. Експериментальні дослідження та аналіз 61 
4.1  Розробка та аналіз ефективності 61 
4.2 Розробка алгоритму системи управління біореакторами  71 
4.3 Розробка програмного забезпечення 74 
4 
4.4 Програмне забезпечення контролю та керування  
параметрами в біореакторах 81 
4.5 Комп'ютерне моделювання в ІС TRACE MODE  85 
Висновки до розділу 4 94 
ВИСНОВКИ 96 
СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ 97 
ДОДАТОК А Акт впровадження  
ДОДАТОК Б Публікація  
ДОДАТОК В Презентація кваліфікованої роботи  
  
5 
ВСТУП 
 
Актуальність теми. Міцна економіка та незалежність країн безпосередньо 
залежить від забезпечення людей продуктами харчування. Однак, збільшення 
поголів'я ВРХ і особливо молочного напряму, що містяться в стійловому режимі, 
супроводжується виділенням великої кількості органічних відходів, які 
забруднюють довкілля. 
Органічні відходи ВРХ містять штами метаноутворюючих бактерій, за 
участю яких за певної температури в біореакторі утворюється основні компоненти 
біогазу: метан і діоксид вуглецю. У всьому світі спостерігається посилення тренду 
на використання органічних відходів: виробничих та побутових, оскільки вона 
спрямована, перш за все, на розв'язання екологічних проблем, але й одночасно 
здатна служити невичерпним джерелом отримання зеленої енергії. 
Отримання біогазу (близького до природного газу) шляхом анаеробного 
зброджування органічних відходів тваринництва – один з основних шляхів 
розвитку біоенергетичного комплексу у майбутньому та сьогоденні. Оскільки 
анаеробне зброджування дозволяє вирішити відразу дві проблеми: безпечну та 
безвідходну утилізацію органічних відходів, внаслідок чого на виході виходить 
цінне добриво – біошлам та біогаз (метан). Біошлам надходить у вигляді добрива 
на поля, а біогаз як паливо для побутових потреб фермерських господарств. 
На сьогодні ринок насичений біогазовими установками, які переважно 
отримують біогаз ферментацією органічних відходів мезофільними бактеріями в 
силосних ємностях протягом тривалого часу, з малою автоматизацією і з високою 
вартістю продукції . 
Застосування інноваційних підходів у розробці біогазової технології, що 
включає безперервну одночасну подачу та відведення субстрату, її поетапне 
метанове зброджування в біореакторах, низьку вартість установки та малу кількість 
відходів ВРХ доступну фермерам дозволяє досягти максимальної кількості виходу 
біогазу (метану) та зменшити час зброджування. 
6 
Використання сучасних засобів автоматизації та автоматизованої системи 
управління біогазовою установкою дозволить оптимізувати роботу метанового 
зброджування в біореакторах, стабілізувати оптимальні режимні параметри у 
заданих інтервалах та систему безаварійності. 
Таким чином, розробка малогабаритної, з високим ступенем подрібнення 
відходів тваринництва у вузлі обробки сировини при безперервному метановому 
зброджуванні на трьох ступенях температурного режиму, із системою контролю та 
управління оптимальними параметрами, доступною за ціною біогазової установки 
для фермерів є актуальним завданням. 
Мета дослідження: 
Комп'ютерне моделювання та контроль параметрів автоматизації 
триступеневого метанового зброджування в біореакторах з метою оптимізації та 
керування. 
Об'єктом дослідження є технологічний процес автоматизованого 
безперервного метанового зброджування попередньо подрібненого субстрату за 
допомогою шнекового та кавітаційного деструктора в біореакторах триступеневої 
біогазової установки. 
Предметом дослідження є закономірності впливу ключових параметрів 
системи керування: ступеня подрібнення, однорідності складу субстрату, режиму 
завантаження, температурних режимів та інтенсивності перемішування на 
активність і розмноження бактерій у біореакторах, а також їх роль у системі 
контролю та автоматизації управління процесом зброджування. 
Завдання дослідження: 
1. Дослідити кінетичні умови та їх параметри, що впливають на 
інтенсифікацію процесу метановим зброджуванням органічних відходів 
бактеріями: первинного гідролізного розщеплення; підвищення кислотності; 
утворення оцтової кислоти та утворення метану; 
2. Дослідити конструкції пристрою обробки сировини та біореактора з 
мішалкою – нагрівачем у триступеневий біогазовій установці, що забезпечують 
максимальний вихід біогазу при докорінному метановому зброджуванні субстрату; 
7 
3. Створити інформаційну модель триступеневого метанового 
зброджування органічних відходів у біореакторах, що включає її подрібнення, 
нагрівання, подачу сировини та перемішування на кожному ступені процесу та 
дати її математичний опис; 
4. Розробити систему автоматичного регулювання локальних контурів: 
ступеня подрібнення; нагрівання та стабілізації температури; перемішування та 
подачі завантажуваного субстрату до рівня в біореактори, а також системи 
автоматизації та керування триступеневою біогазовою установкою в ІС TRACE 
MODE. 
  
8 
РОЗДІЛ 1 
ОГЛЯД ОСНОВНИХ ПАРАМЕТРІВ СИСТЕМИ КЕРУВАННЯ  
БІОРЕАКТОРОМ 
 
1.1. Характеристика та склад органічних відходів тваринництва  
 
В організмі корів 16,4% енергії використовуються для нарощування тіла 
тварини, 25,6% – витрачається на травлення кормів, а решта 58% переходять у гній. 
Ефективність отримання метану з гною переважно залежить від його складу та 
властивостей. Наприклад, рідкий гній складається із суміші твердих і рідких 
екскрементів, оборотної води, підстилкової соломи, залишків кормів і т.д. 
Відходи ВРХ є небезпечним джерелом багатьох захворювань. Вони можуть 
містити кілька десятків і навіть сотень життєздатних яєць та личинок. 
При тривалому зберіганні відходів ВРХ за сприятливих умов він починає 
розкладатися з утворенням кислот. Це свідчить про те, що сировина, що подається 
на переробку в біореактор не свіжа, а це тягне за собою зниження Рн середовища, 
змінюється співвідношення мікроорганізмів, що порушує подальше метанове 
зброджування. Тому одним із важливих моментів є своєчасний збір та підготовка 
гною до метанового зброджування, для максимального збереження органічної 
речовини, її складу. Тваринницькі комплекси повинні мати підлоги в приміщенні, 
звідки гній самопливом або за допомогою скребків прямував до збірників для 
подачі на попередню обробку до шнекового подрібнювача та кавітаційного 
диспергатора. В іншому випадку при збиранні гною з підстилковою соломою 
можуть виникнути втрати, отже, згодом не повний вихід біогазу за однакових 
витрат. Наприклад, на одну тонну свіжого гною витрати еквівалентні 36 - 39 кг. 
Суха органічна речовина гнійних стоків (СОР) складається в основному з 
біополімерів - білків, жирів та вуглеводів. 
Від співвідношення концентрацій цих сполук у відходах залежить вихід 
біогазу у кожному окремому випадку. Питомий вихід біогазу (з розрахунку на 1кг 
СОР, що розпався) при розпаді жирів в 1,5 раза вище, ніж при розпаді вуглеводів і 
9 
білків. Зміст метану в газах бродіння обумовлено розкладанням жирів та білків, а 
діоксиду вуглецю – розкладанням вуглеводів. Дані про виділення біогазу з 
основних груп органічних речовин наведено в табл. 1.1. 
 
Таблиця 1.1 - Вихід біогазу з 1 кг СОР, що розпався 
Склад газу, % Степінь 
Компонент Вихід біогазу за 
розпаду 
СОР м /кг розп. реч. CH4 CO2 
речовини, % 
Вуглеводи 0,79 50 50 64 
Жири 1,25 68 32 70 
Білки 0,704 71 29 47 
 
Використовуючи дані про питомий вихід біогазу та кількість збродженої 
абсолютно сухої беззольної речовини, можна розрахувати теоретичний вихід газу 
в метантенку. Максимально можливий рівень зброджування сухої органічної 
речовини, що завантажується в метантенки сировини визначають за формулою: 
а  0,92ж  0,62у  0,34б ∙ 100 %                                    (1.1) 
де ж, у, б – вміст жирів, вуглеводів та білків, г на 1г СОВ. 
Вихід біогазу помітно змінюється, якщо вихідний субстрат, окрім гною, 
містить рослинні залишки (бадилля картоплі, солому злакових тощо). 
У складі цих залишків міститься близько 15 – 20 %. Співвідношення 
кількості газу, яке може бути отримано з органічної речовини гною дійних корів 
(Д), відгодівельних бичків (Б), свиней (С) і курей (К), приблизно дорівнює: 
Д:Б:С:К = 5:7:8:10.                                                (1.2) 
Забезпечення цього співвідношення дуже важливе, оскільки вуглець і азот є 
біогенними елементами, що визначають зростання та метаболізм мікроорганізмів 
метанового біоценозу. Якщо співвідношення С:N занадто велике, то процес 
зброджування уповільнюється через брак азотного живлення для мікробів. Якщо 
це співвідношення надмірно мало, то надлишок азоту призводить до утворення 
10 
великої кількості аміаку, токсичного для бактерій. За даними різних авторів, 
оптимальне співвідношення С:N перебуває у межах (11–16):1. 
При змішуванні різних відходів (так званий коферментаційний процес) 
співвідношення С:N в субстраті, що зброджується, наближається до оптимального 
і вихід біогазу значно збільшується, наприклад гній ВРХ дорівнює 0.38 м /кг.  
Метод коферментаційного зброджування суміші органічних відходів 
тварин та рослинної біомаси останніми роками широко використовується в Європі. 
Зокрема, в Австрії при зброджуванні суміші гною від 50 голів ВРХ та рослинної 
біомаси (подрібненої трави, бадилля буряків, кукурудзяного силосу) з 20 га 
посівних площ отримують середньорічний вихід метану близько 300 м СН4. 
Цей метод успішно використовується в Україні. За розрахунками фахівців, 
використовуючи рослинну біомасу лише з 10% площ ріллі та пасовищ країни та 
лише половину органічних відходів сільськогосподарських тварин, можна 
отримати на рік до 21421,59 МВт електроенергії, що відповідає потужності кількох 
атомних електростанцій. 
Крім вуглецево-азотного балансу, реалізації стійкого бродіння необхідна 
присутність у сировині мікроелементів (залізо, молібден, нікель, кобальт та 
інших.). Навпаки, наявність в масі, яка зброджується, антибіотиків, які можуть 
потрапляти в гній під час лікування тварин, негативно впливає на процес бродіння. 
Велике значення для ефективного зброджування рідкого гною мають 
вологість сировини та вміст у ньому твердих частинок. Це пов'язано з умовами 
експлуатації та установки, оскільки тверді частинки, що мають більшу щільність, 
ніж субстрат, що зброджується (пісок, глина і т.п.) утворюють в метантенці осад, а 
легкі частинки флотують і утворюють на поверхні рідини кірку, що перешкоджає 
газовиділенню. 
Крім того, при низькій вологості (<86%) утруднюється переміщення 
субстрату за комунікаціями, а при високій вологості (>96%) різко знижується 
газовиділення через недостатній вміст органічної речовини в сировині. Більшість 
фахівців вважає оптимальною концентрацію сухих речовин у гною 8-10%, а 
оптимальна вологість при дозі завантаження 14% знаходиться в межах 92-94%. 
11 
Кінетичний процес анаеробного зброджування в біореакторах, 
відзначається різноманітністю підходів до опису та визначення ланцюжка 
утворення метану в біореакторі, отже, неможливості точного опису математичної 
моделі, через вплив на процес численних параметрів, що потребує його вивчення. 
При виборі основних параметрів для контролю та управління біогазовою 
установкою використовуються результати: як емпіричних моделей, що 
використовуються для опису кінетики метанового зброджування в біореакторі, так 
і експериментальних досліджень для визначення чисельних значень параметрів. 
Аналізуються критерії оцінки параметрів на можливість максимального впливу на 
процес метанового зброджування біореакторів та систему контролю та управління 
на всіх щаблях біогазової установки. 
 
 
1.2. Огляд кінетики процесу та вибір основних параметрів метанового 
зброджування  
 
Тваринницькі підприємства є одним із основних джерел викидів 
парникових газів в атмосферу. Метан утворюється внаслідок розкладання гною 
ВРХ на тваринницьких фермах при зберіганні чи вивезенні їх у поля як добрива. 
Переробка щоденно відновлюваних відходів тваринництва, а саме гною ВРХ в 
біореакторі з отриманням біогазу та біодобрива дозволяють частково вирішити 
екологічні та соціальні завдання, а також і фінансові за рахунок біогазу (метану), 
що використовується в побуті, для вироблення електрики та біодобрив для 
підвищення врожайності сільськогосподарських культур. 
Наявні одиничні біогазові установки відрізняються: - тривалим терміном 
зброджування; великими витратами для збирання щоденного об’єму сировини, що 
завантажується в біореактори, простим регулюванням і автоматизацією процесу 
метанового зброджування, а також великою вартістю обладнання, що неефективно 
і недоступно малим селянсько - фермерським господарствам. 
12 
Автори науково - дослідницьких робіт з переробки органічних відходів 
приходять до висновку, що «нині розроблені та функціонують велику кількість 
установок із вироблення біогазу з органічних відходів у різних країнах. 
Однак більшість науково - обґрунтованих біогазових біореакторів 
призначена для переробки відходів великих тваринницьких комплексів і 
передбачає підігрів біомаси, що зброджується, застосуванням електроенергії від 
централізованих мереж, що стримує ефективну утилізацію відходів селянських 
господарств, розосереджених у регіонах з відсутністю централізованого 
енергопостачання. 
Тому в умовах ринкової економіки виникає необхідність подальшого 
вдосконалення біогазової технології та біореакторів щодо отримання біодобрива та 
біогазу (метану). 
Розробка та моделювання процесу метанового зброджування в біореакторах 
трьох ступенів психрофільного, мезофільного та термофільного дозволяє отримати 
оптимальні режимні характеристики для системи контролю та оптимізації 
параметрів метанового зброджування в удосконаленій триступеневій біогазовій 
установці. 
Кінетичний процес анаеробного зброджування в біореакторах, 
відзначається різноманітністю підходів до опису та визначення ланцюжка 
утворення метану в біореакторі, отже, неможливості точного опису математичної 
моделі, через вплив на процес численних параметрів, що потребує його вивчення. 
При виборі основних параметрів для контролю та управління біогазовою 
установкою використовуються результати: як емпіричних моделей, що 
використовуються для опису кінетики метанового зброджування в біореакторі, так 
і експериментальних досліджень для визначення чисельних значень параметрів. 
Аналізуються критерії оцінки параметрів на можливість максимального впливу на 
процес метанового зброджування біореакторів та систему контролю та управління 
на всіх ступенях біогазової установки. 
 
 
13 
Умови та методи досліджень. 
Метанові біореактори перетворюють органічні відходи 
(сільськогосподарські та харчові відходи, гній тварин чи людини та інші органічні 
відходи) на енергію (у формі біогазу чи електрики). Переваги, що забезпечує 
процес метанового зброджування, – це утилізація відходів, виробництво енергії та 
виробництво добрив. 
Управління відходами дуже важливе як у міській, так і в сільській 
місцевості. У більшості промислово розвинених країн світу вже існують системи 
управління відходами, хоча їх часто можна покращити з погляду на довкілля. У 
сільських районах часто відсутні санітарні умови чи надійні системи управління 
відходами, і це дуже цінний сервіс за станом здоров'я та довкілля.  
Метанове зброджування може забезпечити енергією тих, у кого її ще немає, 
або може виробляти чисту енергію як альтернативу виробництву енергії з 
інтенсивним викидом вуглецю. Енергія, що надається тим, у кого її ще немає, 
дозволяє суспільствам досягати більшого та забезпечує набагато більш високу 
якість життя. Чиста «зелена» енергія набуває все більшого значення в міру 
зростання світового споживання енергії, і люди мають більший вплив на 
глобальний клімат. 
Побічний продукт добрива – ще одна перевага, яка може підвищити цінність 
метанової переробки сировини. Як тільки вихідна сировина споживається в процесі 
анаеробного зброджування, матеріал, що залишився, можна використовувати як 
ґрунтову добавку для підвищення врожайності сільськогосподарських культур. 
Селянським господарствам залишається вивезти на поля отримані органічні 
добрива або використовувати їх у підсобному господарстві. 
 
Кінетика процесу метанового зброджування 
Біохімічний процес метанового зброджування – це процес розкладання 
речовини без кисню. Процес відбувається у шлунках тварин, і той самий 
біологічний процес, що у природі, може бути відтворений і контролювати 
14 
інженерами. Існує чотири основні етапи метанового зброджування, див. рис. 1.1 
докладно описані в наступних розділах. 
 
Рис. 1.1 Шлях метанового травлення складається з чотирьох основних 
етапів: гідроліз, ацидогенез, ацетогенез та метаногенез 
 
Основні параметри метанового зброджування: 
Виробництво біогазу при метановому зброджуванні в біореакторі залежить 
від відсутності кисню, сприятливих умов для життєдіяльності та здатність різних 
бактерій розвиватися всередині біореактора. 
Створення комфортних умов для життєдіяльності бактерій, що виробляють 
метан, залежить від багатьох параметрів: температури, рН, розмірів частинок, 
перемішування, вологості, часу зброджування та природно від конструкцій та 
інших характеристик біореактора. 
1. Підтримка метанового зброджування в основному залежить від 
сприятливої температури субстрату, що зброджується. 
У численних наукових працях авторами наводяться висновки, що 
оптимальними температурами метанового зброджування субстрату є інтервали 
«18°С – 25°С», для психрофільного режиму, «25°С – 40°С», мезофільного та «52 – 
54°С» для термофільні. 
15 
До того ж, необхідно враховувати, що процес метанового зброджування 
дуже чутливий до змін температури. Найбільш допустимі зміни температури 
визначаються в межах: 
- психрофільний режим: ± 2 ° С на годину; 
- мезофільний режим: ± 1 ° С на годину; 
- Термофільний режим: ± 0,5 ° С на годину. 
2. Розміри частинок СС. 
Кавітаційний деспергатор, що використовується в процесі підготовки 
відходів тваринництва для подачі її на зброджування шляхом впливу спрямованої 
та керованої кавітації, зменшує частинки до мікронів перетворюючи гній, 
змішаний з водою в однорідну суміш. 
До того ж, мінімальний розмір твердих частинок дозволяє використовувати 
й інший ефект – перемішування субстрату, який руйнує не тільки кірки, а й 
прискорює життєдіяльність бактерій у субстраті, що є важливим фактором для 
максимального виходу біогазу. 
3. Рівень pH СС. 
З численних досліджень учених було виявлено, що вихід з інтервалу 
оптимального значення pH, який коливається в залежності від сировини від 6,5 до 
8,5 помітно знижує вихід метану, збільшуючи при цьому діоксид вуглецю на 
першому етапі технологічної схеми. 
Усунення збільшення діоксиду вуглецю в роботі усувається відбором на 
першому ступені СО2, яка потім повторно подається на третій ступінь СС, де є 
живильним середовищем для життєдіяльності мікроорганізмів метанового 
зброджування, що прискорює АЗ, сприяючи підвищенню його продуктивності, ). 
4. Оптимальний час АЗ вибирають від дози завантаження біореактор і 
температури процесу. При короткому часі метанового зброджування бактерії з 
біореактора вимиваються швидше, ніж можуть розмножуватися, а за тривалого 
процесу, не відповідають ефективному процесу отримання максимальної кількості 
метану. 
16 
5. Час обороту в біореакторі психрофільного режиму СС становитиме 11 
діб, 9 діб у мезофільному режимі та 8 діб у термофільному режимі. 
6. Частка СС що щодня вноситься в біореактори і відводиться, становить 
одну й ту саму кількість для всіх температурних режимів. Вибір часу метанового 
зброджування також залежить і від типу сировини, що переробляється. 
7. Значення вологості гною та екскрементів для ВРХ коливається в інтервалі 
92(%) – 86(%). 
8. Перемішування дозволяють запобігти: формування кірки та осаду; 
усунути порожнечі та скупчення; забезпечити рівномірну температуру та популяції 
бактерій усередині біореактора та вивільнення виробленого біогазу. Однак не варто 
забувати, що дуже часто його розбивання призводить метанового зброджування до 
непродуктивності. 
Таким чином, для отримання максимальної кількості біогазу необхідно 
обґрунтувати вибір основних параметрів метанового зброджування. При 
правильному підборі та розрахунку вищеназваних параметрів, що залежать один 
від одного, легше підтримувати процес метанового зброджування в біореакторах і 
засуджувати їх контроль і керувати роботою біореакторів на трьох ступенях 
метанового зброджування, що дозволяє отримувати максимальний вихід біогазу і 
концентрації метану в триступінчастій біогаз. 
 
 
1.3 Обґрунтування вибору вузлів в біореакторах 
 
Глибокий аналіз біогазових технологій показує, що всі зусилля вчених 
здебільшого націлені на розробку технологій, що підвищують економічну 
ефективність зберігання та транспортування рослинної сировини (біомаси). 
Вартість таких технологій дуже висока та окупність триває кілька років, що не 
прийнятно для фермерських господарств. 
Такі установки довго окупаються через величезні капітальні витрати на 
будівництво і заготівлю сировини і вимагають дотації від держави. До того ж у 
17 
таких біогазових технологій швидкість зброджування низька, що збільшує час 
зброджування біомаси в метатенці. 
Аналіз літературних джерел показав, що низький вихід метану виходить 
через нестійкість температурного режиму, утворення кірки, що стримує вихід 
біогазу, неефективного підбору складу та однорідності сировини. 
Для усунення недоліків існуючих біогазових установок необхідно 
розробити біогазову технологію, яка включає: стабілізацію температурного 
режиму, сприятливу для всіх мікроорганізмів симбіозу бактерій; подрібнення та 
гомогонізації до однорідного середовища завантажуваної дози субстрату; 
розподілом дози на кілька частин та подачі порціями для зброджування; 
одночасним перемішуванням мішалкою, що виконує також роль додаткового вузла 
нагріву субстрату, що зброджується всередині біореактора і доступною 
автоматизацією, системою контролю та управління значимими параметрами 
біогазової установки. 
Виходячи з цього, розробка малогабаритної, доступної за ціною, з малою 
кількістю сировини, зі стабілізацією температурного режиму, з перемішуванням, з 
системою подачі субстрату і з системою контролю та керування параметрами 
біогазової установки є актуальним завданням. 
В цей час найдешевшим ресурсом біоенергетики є органічні відходи тварин, 
харчові відходи та каналізаційні стоки. 
У цьому випадку необхідно посилити роботу на застосування ефективних 
методів попередньої підготовки сировини та застосування різних композицій 
складу субстрату з метою підвищення швидкості метаногенозу в біореакторах та 
максимального виходу біогазу та концентрації метану в ньому. 
Проведено аналіз впливу основних параметрів анаеробного зброджування 
на вихід метану, який дозволив розробити триступеневу біогазову установку, 
доступну за ціною та кількістю щоденно відновлюваної сировини гною ВРХ, що 
виробляється на фермі. Відмінною особливістю від існуючих біогазових 
технологій є інноваційні елементи: грубе подрібнення підстилкової сировини і далі 
отримання однорідного гомогенного середовища кавітаційним деструктором; 
18 
додаткового нагріву субстрату, що зброджується гарячим потоком води нижньої 
частини, бічних стінок біореактора і трубками мішалки, що нагріваються топковим 
газом c одночасним перемішуванням середовища, що зброджується. 
Методи дослідження. У роботі проведено літературний аналіз 
обґрунтованості вибору основних вузлів: триступеневого температурного процесу 
метанового зброджування субстрату та попередньою підготовкою грубих відходів 
тваринництва шнековим подрібненням та кавітаційною диспергацією. 
Обґрунтовано значущі параметри, що впливають на процес метаногенозу на час 
зброджування та вихід біогазу (метану), отримані лабораторним 
експериментальним шляхом та математичним моделюванням метанового 
зброджування субстрату в MatLab. 
Вузол попередньої підготовки сировини під час застосування різних 
композицій складу субстрату. 
Величезна кількість відходів рослинництва і особливо зернових у 
Казахстані залишається не затребуваним і утилізується з полів господарств шляхом 
спалювання чи розпилення. У південних районах через брак сінажу і кормів для 
тварин і особливо в зимовий період, солому, кукурудзяний силос після скошування 
комбайнами, пресують і заготовляють на корми тварин. 
У більшості фермерських господарств сіно, солому та кукурудзяний силос 
подають тваринам розсипаючи на землю або у спеціальні годівниці. Але все-таки 
при цьому залишається безліч сухих відходів, які змішуючись із гною та сечею ВРХ 
вивозяться на поля або відвантажуються біля корівника. Не можна не враховувати 
і те, що солома щотижня використовуються для підстилки та оновлюються, а стару 
солому з підстилки з гноєм вивозяться з приміщень та складуються біля ферм. 
У цих відходах є різні тверді частинки, як пісок, глина та ін., які зумовлюють 
утворення осаду, легкі ж матеріали як солома та ін. піднімаються на поверхню 
біореактору і генерують кірку, що призводить до зниженню газоутворення, отже до 
неефективності метанового зброджування та виходу біогазу. У цьому випадку 
підвищення ефективності метанового зброджування в біореакторі можна досягти 
однорідністю та ступенем подрібнення відходів тваринництва перед 
19 
завантаженням у біореактор рослинних залишків соломи, сіно до розмірів частинок 
30 мм. 
Наприклад, вихід біогазу із соломи та силосу становлять 0,3м  метану на 
1кг органічної сировини. Якщо взяти розрахунок на 1га посівної площі кукурудзи, 
він складе 600м /га , що доводить її як найціннішою сировиною для метанового 
зброджування. Однак кукурудза у складі суміші не повинна перевищувати 12% і до 
того ж має бути подрібнена до 30 мм. Досягти цього можна з використанням 
ріжучих і розриваючих пристроїв. 
Однак, досягнуте подрібнення до 30 мм недостатньо для ефективного 
метанового зброджування в біореакторі. Використання ефекту перетворення маси 
на мкн, можливо використовуючи диспергацію сировини. У цьому випадку в 
сировину рвуться складні зв'язки волокон (лігнін, целюлоза), що дозволяє 
бактеріям збільшити вихід біогазу, оскільки їх однорідна структура зруйнована і 
збільшується площа розщеплення сировини. 
Результатом подрібнення сировини перед подачею в біореактор є її висока 
дисперність, що зменшує період зброджування і збільшує вихід біогазу до 30%. Ще 
за диспергації вивільняються природні ензими, які є каталізаторами ефективності 
метанового зброджування. 
Вузол триступінчатого процесу метанового зброджування субстрату в 
біогазовій установці 
У роботах багатьох учених: переробка субстрату в біогаз (метан) 
пропонуються різні розроблені технології, основними з яких є: 
- періодична (з попарним використанням біореактора); 
- безперервна (з послідовним використанням біореактора); 
- ступенева (кислотне та метанове зброджування в біореакторі). 
Періодична система метанового зброджування проходить у двох і більше 
біореакторах, у яких на одній проходить метанове зброджування, а в іншій іде злив. 
При цьому густа органічна частина, що залишилася в біореакторах, 
використовується для наступної затравки під час заливки нової свіжої порції 
субстрату. У цій системі завантаження і злив субстрату, а потім відновлення 
20 
оптимального режиму, займає багато часу. Усе це породжує низку недоліків і 
переваг. 
Наприклад, збільшується об'єм біореактора, що збільшує вартість 
установки, проте гарантується знешкодження отриманого шламу - біодобрива, за 
рахунок не додавання свіжої порції субстрату. Іншими недоліками є: необхідний 
запас біогазу в газгольдері для безпечного та ефективного процесу зброджування; 
нерівномірність виходу біогазу та необхідність кількох десятків біореакторів для 
усунення цього недоліку. 
До числа недоліків належить і необхідність додаткової ємності для збору та 
доброджування біошламу, що вивозиться на поля у вигляді добрива. 
У послідовному процесі метанового зброджування (безперервний) субстрат 
завантажують у біореактори порціями безперервно в певний час і з подальшим 
видаленням такої самої порції субстрату з біореакторів. 
 
Рис. 1.2 Технологічна схема проточної (послідовної) технології 
метанового зброджування 1 - теплообмінник, 2, 3 - біореактори, 
 4 – газгольдер 
 
У даній системі при виконанні умов рівномірної подачі порції субстрату 
одночасно в кожен біореактор та стабілізація температурного режиму метанового 
зброджування можливо отримати максимальний вихід біогазу. Безперервність 
успішного протікання метанового зброджування забезпечується ще постійним 
рівнем субстрату в біореакторах, подаванням попередньо підігрітого та 
21 
однорідного субстрату з вологістю (85-90%), а також його рівномірним 
перемішуванням в один і той самий час на добу. 
Технології принципу роботи метанового зброджування періодичної та 
послідовної (проточної) систем наведено нижче, див. рис. 1.12, 1.3. 
 
 
Рис. 1.3 Технологічна схема періодичного метанового зброджування 
1 - теплообмінник, 2, 3 - біореактори, 4 - газгольдер, 5 - збірник шламу 
 
 
1.4 Вибір математичних моделей для опису та моделювання метанового 
зброджування триступеневої біогазової установки 
 
Математичні (комп'ютерні) моделі через свою логіку і сувору формальність 
зручніші у використанні, ніж природні (фізичні). Вони дають змогу проводити 
обчислювальні експерименти, фактичне формулювання яких ускладнене або 
неможливе. 
Для оцінки кількості біогазу, що утворюється під час перероблювання 
відходів різного складу, залежно від основних чинників процесу використовується 
математичне моделювання, що містить у собі три взаємопов'язані етапи: складання 
математичного опису досліджуваного об'єкта, вибір методу для розв'язання 
системи рівнянь і реалізація її у вигляді програми комп'ютерного моделювання, а 
також визначення адекватності моделі. Визначення таких параметрів, як 
подрібнення, гомогенізація та деструкція субстрату, температура зброджування, 
22 
вміст вологи в субстраті, доза добового навантаження, швидкість та інтенсивність 
змішування, що впливають на метанове зброджування, розраховують у трьох 
напрямках. 
Були проаналізовані математичні моделі процесу анаеробного 
зброджування гною ВРХ, однак проаналізовані математичні моделі 
триступеневого процесу анаеробного зброджування гною ВРХ та методи 
розрахунку параметрів біогазових установок не враховують важливих 
характеристик процесу, зокрема, хімічних властивостей вихідного субстрату та 
впливу низки чинників, що сприяють інтенсифікації отримання метану. 
Для математичного опису технологічного процесу метанового 
зброджування субстрату в біореакторах автором обрано модель Конто, що 
враховує гідродинаміку та теплообмін зброджуваного субстрату і використовує 
коефіцієнт Кб, який описує вплив барботажного перемішування на ефективність 
процесу. 
  
(1.3) 
 
де; В - об'єм виходу біогазу, м ; V - швидкість; Кб - коефіцієнт барботажного 
перемішування; Тбр - час бродіння; K - кінетичний параметр; Q - кількість теплоти, 
необхідної для обігріву біореактора, Дж; u -швидкість руху гарячого потоку по 
трубі, м/с; k – коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м ∙ К); ����зм - площа теплопередачі 
біореактора, м ; Тт - температура гарячого потоку, К; Т - температура субстрату, 
що зброджується, в біореакторі, К; 
μm залежить від температури процесу зброджування: 
(1.4) 
 
де; Т - температура,  С. 
23 
Кінетичний параметр для гною ВРХ: 
(1.5) 
 
де; S0 - концентрація органічної речовини. 
Концентрація органічної речовини визначається за формулою: 
(1.6) 
 
 
�������� = ��б ∙ �������� 
(1.7) 
 
визначається за формулою: 
��б = ��б/��б (1.8) 
де; ρб - густина субстрату; кг/м . 
Густина біомаси: 
pб = 1000 + 2.4 ∙ (100 − b) (1.9) 
де; b - вологість зброджуваного субстрату, %. 
Добовий вихід біогазу з реактора залежить від добового виходу метану: 
(1.10) 
 
де; ��  - добовий вихід метану в біогазі, м /добу. 
(1.11) 
 
де; ��   - питомий добовий вихід метану, м /добу-м , Vmin - 90 %. 
Мінімальний об'єм реактора визначається за формулою: 
(1.12) 
 
Питомий добовий вихід метану визначається за формулою: 
(1.13) 
 
Вибір цієї моделі найбільш підходить для методології розрахунку основних 
параметрів біогазової установки, ніж інші: 
1. Конструктивно - геометричних розмірів біореактора; перемішувального 
пристрою; системи обігріву; 
24 
2. технологічних: температури; вологості; часу процесу; обсягу виробленого 
біогазу; частоти перемішування. 
 
 
Висновки до розділу 1 
 
1. Проведений літературний огляд показав, що для ефективного метанового 
зброджування гною доцільно попередньо подрібнити сировину до 30 мм, що 
значно підвищує ефективність процесу в біореакторі. 
2. Виявлено, що оптимальний рівень pH для метанового зброджування 
знаходиться в межах 6,5–8,5. При зниженні pH нижче 6,5 знижується активність 
метанових бактерій, тому рекомендується вилучати СО₂ на першому етапі і 
подавати його на барботаж третього ступеня. 
3. Процес метанового зброджування доцільно проводити в двох 
температурних режимах: мезофільному (37 °С) і термофільному (52 °С), оскільки 
на другому ступені залишаються корисні мікроелементи, які сприяють утворенню 
добрив. 
4. Рекомендовано подавати добове завантаження субстрату в три частини та 
порційно вводити його у біореактори, що знижує металоємність на 6% та витрати 
на обладнання підготовки сировини на 25%.  
  
25 
РОЗДІЛ 2 
 МАТЕМАТИЧНЕ І КОМП'ЮТЕРНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ 
ПАРАМЕТРІВ ПРОЦЕСУ В БІОРЕАКТОРІ 
 
2.1. Розробка технологічного процесу підготовки сировини  
 
У роботах багатьох учених, а також фахівців у галузі інтенсифікації 
анаеробного зброджування екскрементів ВРХ у малогабаритних триступеневих 
біогазових установках, їхнього ступеня автоматизації та керування, зазначено, що 
в процесі анаеробного зброджування чергування рідких і твердих речовин у складі 
субстрату змушують бактерії пристосовуватися до мінливих умов, що значно 
скорочує вихід біогазу, знижує концентрацію метану в ньому і збільшує термін 
перебування субстрату в біореакторі. 
Розв'язання даної проблеми під час попередньої підготовки підстилкового 
та безпідстилкового гною ВРХ шнековою та кавітаційною деструкцією дає змогу 
не лише звести до мінімуму температурну неоднорідність, а й вирішити питання 
однакового навантаження на біоценоз та максимальну поверхню контакту бактерій 
під час анаеробного зброджування субстрату на трьох щаблях, що дає змогу 
якнайповніше використати ємності біореакторів біогазової установки. 
З огляду на всі переваги та недоліки, що представлені в 1 розділі, а також у 
роботах науковців і спеціалістів уперше розроблено інноваційну технологічну 
схему безперервного метанового зброджування в триступеневій біогазовій 
установці, яка вирізняється : 
1. Попереднім подрібненням підстилкової сировини до необхідних розмірів 
частинок 30 мм у шнековому подрібнювачі; 
2. Створенням однорідного середовища, в якому розміри частинок 
становлять 50 мкр. при подрібненні в кавітаційному деструкторі; 
3. Подачею завантажуваного субстрату частотою втричі, що дає змогу 
швидше стабілізувати температурний режим, змішання свіжої порції з наявним 
субстратом у біореакторі; 
26 
4. Скоротити час роботи мішалки і потужності для нагріву зброджуваного 
субстрату; 
5. Підігріванням зброджуваного субстрату топковим газом від бічних стінок 
мішалки-нагрівача, що розташований усередині біореактора. 
Вищенаведений аналіз показує, що запропонована технологія метанового 
зброджування дасть змогу оптимізувати на всіх трьох щаблях основні параметри 
технологічного режиму (водневий показник, подрібнення, температура, тиск, 
перемішування, подавання та відбір сировини), що дасть змогу максимально 
збільшити вихід біогазу і скоротити час зброджування субстрату в біореакторі. 
Внаслідок чого значно скорочуються витрати на капітальне будівництво, 
обладнання та електроенергію біогазової установки. 
Функціональну схему вузлів підготовки сировини та метанового 
зброджування в триступеневій біогазовій установці наведено на рис. 2.1.  
 
Рис. 2.1 Функціональна схема вузлів підготовки сировини та 
метанового зброджування у триступеневій біогазовій установці 
 
Тут позначено: 1 - шнек грубого подрібнення гною з водою, 2 - ємність для 
тонкого подрібнення сировини, 3 - насос для подачі субстрату на перший ступінь, 
5, 4, 8, 11, 14, 18, 27 - труба 57 мм, 6 - автоматична мішалка, 7 - нагрівальні труби 
спіральної форми, 8 - підігрів води в нижній частині біореакторів, 9 - насоси для 
перекачування гарячої циркулюючої гарячої води в біореакторах, 10 - насос для 
27 
подачі біогазу збагаченого СО2 з першого ступеня на третій, 12, 16 - 
теплообмінники, 13 - насос для подачі субстрату з 1 ступеня до 2-го ступеня, 17 - 
насос для подачі субстрату з другого ступеня до 3-го, 20 - труба сферичної форми 
для подачі СО2, 21 - компресор для перекачування біогазів у газгольдер, 23 - 
газгольдер, 24 - ємність для очищення біогазу, 25 - насос для відкачування відбору 
порції з третього ступеня, 26 - ємність для зберігання біошламу, 28 - пальники для 
підігріву нижньої частини біореакторів, 29 - насос для перекачування рідкого 
шламу для перемішування з гноєм у шнековому подрібнювачі. 
Опис вузла метанового зброджування субстрату в триступеневій біогазовій 
установці. Процес метанового зброджування субстрату у вузлі відбувається в 
такому порядку. У біореактор 5 психрофільного режиму субстрат заливають 
щоденно дозу субстрату 11 днів, у процесі анаеробного зброджування в 5 біогаз 
збагачений С02 насосом 10 подається на барботаж у біореактор - термофільний 
режим 19. При надходженні 12 дози, з нижньої частини відбирається одна доза і 
проходить теплообмінник 12 і за допомогою насоса 13 подається в біореактор - 
мезофільного режиму 15 на зброджування. 
Процес подачі доз щодня триватиме до 9 разів, при цьому одержуваний 
біогаз відбирається через компресор 21 у газгольдер 23. Після 20 діб 
перекачувальний насос 17 відбирає одну дозу, яка проходить теплообмінник 16 і 
подається в біореактор 19. Процес подачі доз щодня триватиме до 8 разів. Біогаз, 
що виділяється, за допомогою компресора 21 відкачується в газгольдер 23 і після 
очищення 24 відправляється до споживача біогазу 27 та на опалення біореакторів 
5, 15, 19. 
Циркулююча вода для нагріву зброджуваного субстрату в біореакторах 5, 
15, 19 підігрівається газом у нижній частині і подається насосом 9 у трубки нагріву 
спіральної форми бічних стінок, потім назад повертається в нижню частину 
насосами . По закінченню 28 діб і виходу на безперервний процес триступеневої 
біогазової установки щоденно до 5 подаватиметься одна порція, а з 5 
відбиратиметься та далі подаватиметься на 15, а потім із 15 на 19, а потім насосом 
28 
25 відбирається біошламіз 19. У сепараторі 26 біошлам ділиться на тверде і рідке 
добриво.  
Потім проходить теплообмінники 12, 16, які нагрівають субстрат із 5 та 15 і 
подають у шнек 1. Нагрівання субстрату в трьох БР до оптимальних температур 
проводиться за допомогою одержуваного біогазу через пальники 28. 
Перемішування сприяє нагріванню субстрату і рівномірному розподілу 
температури та кислотності, а також розбиває кірку на поверхні зброджуваної 
суміші.  
В удосконаленій триступеневій біогазовій установці наявні інноваційні 
рішення такі як: відбір біогазу (збагаченого вуглекислим газом) здійснюється з 
психрофільного режиму (гідролізу), одразу на термофільний режим, оминаючи 
мезофільний режим. Біогаз, збагачений діоксидом вуглецю, подається в нижню 
частину біореактора термофільного температурного режиму на барботаж, 
збагачуючи зброджуваний субстрат СО2 і тим самим сприяючи розвитку 
ацетатразміцнюючих метаногенів, що підвищують вихід біогазу і концентрацію 
метану в ньому . 
 
 
2.2. Розробка поєднаного вузла грубого та тонкого подрібнення 
підстилкового та безпідстилкового гною ВРХ 
 
Початкова підготовка субстрату необхідна для ефективної роботи 
використовуваного технологічного обладнання, а також для забезпечення 
подальшого процесу анаеробного зброджування в ньому.  
На першому етапі підготовки субстрату проводиться відділення сторонніх 
предметів і сортування субстрату. Необхідність проведення цієї операції залежить 
від походження та складу сировини для біогазових установок. До сторонніх 
предметів зазвичай відноситься каміння, яке під дією сили тяжіння зазвичай 
опускається на дно приймальної ємності. Ці та інші сторонні речовини можуть 
29 
видалятися вручну на стадіях постачання сировини, завантаження та 
перемішування . 
Основною сировиною для метанового зброджування є: гній тварин, 
органічні відходи харчової переробки, енергетичні культури (ріпак, силос, солома 
тощо). У шлунках ВРХ живуть симбіоз бактерій для здійснення процесу 
зброджування. 
Практично бактерії є всюди і за сприятливих умов вони починають 
розмножуватися і руйнувати органічні речовини. У біореакторах триступеневої 
біогазової установки шляхом нагрівання основних вузлів створюються сприятливі 
умови для розмноження бактерій. Для ефективної роботи триступеневої біогазової 
установки необхідно ретельно підходити до підбору сировини. 
Наприклад, використання лише безпідстилкового гною ВРХ не дає змоги 
отримати великої кількості біогазу, тоді як, маючи у своєму складі залишки соломи, 
сіна та інших органічних відходів, набагато підвищує продуктивність 
триступеневої біогазової установки. Тому маючи у складі сировини суху масу у 
співвідношення з гноєм великої рогатої худоби можливо домогтися значного 
збільшення біогазу . 
У роботі  наводиться розрахунок газу від різних енергетичних культур, 
наприклад, від силосу він становить 6000 м /га, проте з підстилковим гноєм ВРХ 
до суміші потрапляють рештки соломи та сіна. У цьому випадку для подрібнення 
сухої речовини необхідна попередня підготовка сировини для метанового 
зброджування. У складі сировини відсоток сухих речовин має не перевищувати 12 
% і тверді речовини подрібнюються до розмірів 30 мм із застосуванням шнекового 
обладнання, ріжучих та інших пристроїв . 
Використання шнекового та ріжучого обладнання дає змогу подрібнити 
відходи рослинництва до дрібних частинок, здатних розкладатися в короткі 
терміни зброджування. 
Однак конструкція даної установки не зовсім подрібнює сировину і для 
цього використовують мацератор для подрібнення довгих волокнистих речовин і 
30 
розриву волокон гетероторним насосом та доведення до однорідної гомогенної 
суміші розміром 50 мкм кавітаційним диспергатором . 
Подрібнювачі субстрату встановлюють перед блоком його подачі на 
перший ступінь зброджування біогазової установки. Сировина з великим вмістом 
волокон і твердої фази може подрібнюватися в приймальній ємності, 
транспортуючих трубопроводах, або ж ємностях для змішування субстрату. 
Як було сказано вище, стадія гомогенізації та змішування з рідкою фазою 
під час підготовки субстрату необхідна для проведення процесу мокрого 
зброджування, що проводиться в більшій частині установок для отримання біогазу. 
Цей процес проводиться у спеціально призначеній для цього ємності 
безпосередньо перед подачею підготовленого субстрату в біореактор на перший 
ступінь зброджування. 
Для змішування гною та приведення його в рідкий стан зазвичай 
використовують рідку гнойову рідину, або ж рештки від бродіння після 
зневоднення осаду, і лише в крайньому разі - свіжу воду. У процес фільтрату можна 
ввести в субстрат бактерії, що забезпечують процес анаеробного зброджування, 
тільки після процесу кавітації, яка проводить подрібнення і одночасно гігієнічну 
обробку субстрату. Під час вибору води необхідно контролювати її чистоту без 
будь-яких домішок і речовин, що чинять дезінфікуючу дію, оскільки вони можуть 
негативно вплинути на життєдіяльність бактерій, особливо метаногенів, чутливих 
до токсичного впливу .  
Однорідність субстрату, що завантажується в біореактор біогазової 
установки, один з основних чинників анаеробного зброджування, тому що цим 
забезпечується однакове навантаження на біоценоз анаеробних бактерій в усьому 
об'ємі біореактора. Чергування рідких і твердих речовин у складі субстрату 
змушують бактерії пристосовуватися до мінливих умов, що скорочує вихід біогазу. 
Однорідність складу, а також максимальна поверхня контакту бактерій і субстрату, 
що розкладається, забезпечується процесом кавітації в приймальній ємності, а 
також у біореакторі анаеробного зброджування. 
31 
Таким чином, попередня обробка субстрату перед його відправленням у 
біореактор на зброджування дає змогу значно збільшити відсотковий вміст метану 
в біогазі. 
На підставі проведеного аналізу запропоновано технологію для грубого та 
тонкого подрібнення підстилкового та іншого органічного відходу, запропоновано 
конструкцію шнекового подрібнювача грубого подрібнення до 30 мм і далі тонкого 
подрібнення довгих волокон у мацераторі, розривання у гетероторному насосі та 
доведення до однорідної та доведення до однорідної суміші розміром 50 мкм 
кавітаційним диспергатором. 
Технологічну схему вузла попередньої підготовки відходів тваринництва, 
порції субстрату, що завантажується, наведено на рис. 2.2. 
 
Рис. 2.2. Технологічна схема вузла попередньої підготовки відходів 
тваринництва, порції субстрату, що завантажується 
Тут позначені: 1, 17 - мотори; 2, 4, 16 - шківи; 3, 13 - вали; 5 - шнеки; 6 - 
вальці; 7 - приймальні ємності; 8,9 - ріжучі ножі; 10 - блок відключення автомата; 
11 - пристрій для змішування; 12 - форсунки; 14 - конічний шнек-змішувач; 15 - 
отвір для розвантаження, 18 - труби зі зворотною водою, 19 - ємність для 
перемішування, 20 - факел для відправки газу, що виділяється, в пальник, 21 - труба 
для відправки субстрату на зброджування, що пройшов цикл подрібнення, 22 - 
32 
диспергатор, 23 - генераторний насос, 24 - мацератор, 25 - муфта, 26 - пальник, 27 
- автоматична мішалка. 
Опис технологічного процесу роботи вузла попередньої підготовки відходів 
тваринництва. Основними обладнання вузла є : 
- шнековий сепаратор - призначений для грубого подрібнення перед 
завантаженням у БР рослинних залишків - соломи, сіна до розмірів часток 30 мм; 
- мацератор - призначений для подрібнення довгих волокнистих включень і 
одночасного відокремлення важких домішок і соломи, для захисту насосів, 
сепараторів та іншого обладнання від засмічення довгими включеннями і 
пошкодження твердими частинками, знижує в'язкість продукту, що перекачується; 
- диспергаторно-пульсаційні апарати, застосовуються для тонкого 
подрібнення і створення однорідної суміші з різних за структурою рідких 
продуктів; 
- гетероторний насос - це агрегат, що складається зі шнека і гвинта, під час 
обертання відбувається розрив волокон. 
Процес грубого і тонкого подрібнення у вузлі відбувається в такому 
порядку. Змішаний гній із соломою надходить на грубе подрібнення в приймальний 
бункер шнекового сепаратора, де проходить подрібнення через вальці та потім 
надходить на шнекове подрібнення 5 і ножове 8,9, далі подається в змішувальну 
камеру 11, куди надходить і оборотна вода. Гнойова рідина і вода змішується 
канонічним шнек-змішувачем 14 і потім через вивантажувальне вікно 15 сировина 
самопливом надходить до ємності для перешаровування 19, де підігрівається і 
перемішується за допомогою мішалки та відбувається кавітаційна деструкція 
сировини за допомогою мацератора 24, гетероторного насоса 23 і диспергатора 23. 
Цикл не подасть дозу зброджуваного субстрату в біореактор 
психрофільного режиму поки субстрат не досягне однорідної консистенції. Потім 
за допомогою насоса 21 подрібнена однорідна суміш - субстрат подається через 
теплообмінник у біореактор психрофільного режиму на метанове зброджування за 
температури 23  С. 
На основі вищевикладеного визначено: 
33 
1. об'єктом дослідження є технологічний процес безперервного метанового 
зброджування попередньо-подрібненого субстрату шнековим і кавітаційним 
деструктором у біореакторах триступеневої біогазової установки. 
2. Предмет дослідження. Закономірності впливу основних параметрів: 
подрібнення; однорідність складу; завантаження; температурний режим і 
перемішування на активність і розмноження бактерій у зброджуваних субстратах 
біореакторів, контролю та автоматизації управління. 
 
 
2.3. Розробка математичної моделі вузлів в біореакторах  
 
Для визначення математичної моделі суміщеного подрібнення 
підстилкового гною ВРХ та метанового зброджування за відомих теоретичних або 
експериментальних параметрів використали наступну методику досліджень: 
чисельні методи, що є одним із потужних математичних засобів комп'ютерного 
моделювання рішення задачі; математичне моделювання; математична статистика; 
оптимізація основних параметрів системи контролю, автоматизації управління 
триступеневою біогазовою установкою. Результати 
комп'ютерного моделювання тестувалися на апаратно-програмному 
комплексі в ТарРУ ім. М.Х.Дулаті, де різниця в похибці становила 5-10%. Для 
обробки результатів використовувалися пакети програм Matlab, Matcad, 
VisualStudio та інтегроване середовище TRACE MODE. 
Розробка математичної моделі ступеня подрібнення  
Математичний опис метанового зброджування та розрахунок складається з 
опису та розрахунку двох вузлів: у першому вузлі знаходження рівнянь,  що 
описують параметри крупного і «тонкого» подрібнення; у другому вузлі 
знаходження кінетичних рівнянь, що описують процес метанового зброджування 
на всіх трьох ступенях біогазової установки. 
 
 
34 
Таблиця 2.1 - Допоміжні величини. 
 
Обчислимо коефіцієнти a і b для рівняння гіперболічної регресії  за 
відомими формулами: 
(2.1) 
 
(2.2) 
 
Отже, шукане рівняння регресії має вигляд: 
(2.3) 
 
х - це кількість проходів, а y - розмір частинок подрібненої суміші 
після х-го проходу. 
Проведемо аналіз графіка рівняння регресії за допомогою програми 
Mathcad, див. рис. 2.3. 
Середня помилка апроксимації: 
35 
(2.4) 
 
 
Рис. 2.3 Графік рівняння регресії 
 
Аналізуючи графік, можна зробити висновок, що функція: 
 
(2.5) 
 
 
Описує процес подрібнення лише до x <= 4 або до подрібнення в 14 мкмн. 
За більшого подрібнення помилка апроксимації зростає, і дані стають 
некоректними. 
Для опису і знаходження функції подрібнення понад 14 мкн скористаємося 
функцією «Лінія тренду» в Excel, див. рис. 2.4. 
Безперервна лінія показує графік, побудований відповідно до даних із 
таблиці 1, пунктирна лінія - графік отриманої функції апроксимації: 
 
(2.6) 
 
36 
 
Рис. 2.4 Функція «Лінія тренду» 
 
Середня помилка апроксимації дорівнює 17.89 %, що свідчить про хорошу 
«підгонку» отриманої функції до досліджуваних параметрів. Змоделюємо цю 
функцію в Mathcad, див. рис. 2.5. 
 
Рис. 2.5 Реалізація степеневої функції в Mathcad 
 
Тоді процес обробки органічної сировини (подрібнення) можна описати 
такою системою рівнянь: . 
37 
(2.7) 
 
За допомогою надбудови X-Y-Trace у системі Mathcad знайдемо точку 
перетину графіків, для визначення граничних умов системи, див. рис. 2.6. 
 
 
Рис. 2.6 Визначення обмежень системи 
 
З рис. 2.6 видно, що графіки перетинаються при значеннях x=3.7282, 
y=18.184. Округливши значення до цілих, отримаємо систему рівнянь з 
обмеженнями: 
(2.8) 
 
Побудуємо отриману систему рівнянь у Mathcad, див. рис. 2.7. 
38 
 
Рис. 2.7 Система рівнянь. 
 
На основі вищевикладеного розроблено математичну модель, що дає змогу 
розв'язувати задачі модернізації процесу підготовки органічної сировини до 
біогазових установок . 
(2.10) 
 
де -Vоб - об'єм завантажуваної сировини (л); 
Тц - загальний час виконання одного циклу (Тц=9,61); 
L - бажаний розмір на виході (мкн); 
Vтр-об'єм труби системи; 
Тоб - необхідний час виконання процесу (сек). 
Система складається з двох рівнянь, при цьому перше рівняння - може бути 
застосовано для знаходження параметрів при великому подрібненні, а друге 
рівняння - при «тонкому» подрібненні. 
39 
Таким чином, використання цієї моделі дає змогу визначати ефективні 
конструктивні та режимні параметри завантаження сировини. Досліджувані 
процеси були змодельовані в середовищі Mathcad. 
Математичний опис зміни концентрації в системі коміркової моделі 
представлено такими передавальними функціями. 
(2.22) 
 
Розв'язання системи рівнянь розглядаємо біореактори, розташовані 
послідовно один за одним. Передавальні функції коміркових моделей наведено на 
схемі, див. рис. 2.10. 
 
Рис. 2.10 Схема передавальної фунκції психрофільного, мезофільного і 
термофільного температурних режимів у біореаκторах. 
Замінивши час Т першого порядку на реальний час перебування �� =11 х 
24год, маємо таку передавальну фунκцію психрофільного режиму біореактора, 
також : 
(2.23) 
 
Мезофільного при  
Термофільного при  
Якщо припустити, що об'єми біореакторів у кожному ступені різні, то і час 
перебування у них буде різним: 
(2.24) 
 
де, �� , �� , ��  - середній час перебування в біореакторі кожного ступеня 
зброджування. 
Відκлиκи на одиничний імпульс і одиничний сκачоκ записуються в такому 
вигляді, згідно з : 
40 
(2.25) 
 
 
(2.26) 
 
Алгоритм розрахунку ������(��), ��вих(��) для триступеневого κасκада 
біореаκторів наведено в табл. 2.5. 
Таблиця 2.5 - Результати розрахунку: відκлиκи на одиничний імпульс і 
одиничний сκачоκ. 
 
 
Висновки до розділу 2 
 
1. Розроблено триступеневу біогазову установку метанового зброджування 
подрібненим гноєм ВРХ у шнековому та кавітаційному диспергаторі, доступна за 
ціною і за кількістю сировини, яка щоденно виробляється на фермі, що дозволяє 
фермеру сировини на фермі, яка дає змогу фермеру утилізувати відходи 
тваринництва, отримати біогаз (метан) та біодобриво, що впливають на економічну 
стійкість селянського господарства (патент РК № 5340, 2020). 
41 
2. Комп'ютерне математичне моделювання подрібнення підстилкової 
органічної сировини шнековою та кавітаційною диспергацією визначають за 
отриманою апроксимувальною функцією �� = -45.5042 + 2321369/�� яка показала, що 
вона описує процес подрібнення лише до x <= 4 або до подрібнення до 14 мкн., далі 
встановлено, що дані стають некоректними.  
 
  
42 
РОЗДІЛ3 
РОЗРОБКА СИСТЕМИ АВТОМАТИЗАЦІЇ БІОГАЗОВОЇ УСТАНОВКИ 
 
 
3.1 Вибір параметрів для системи автоматизації  
 
Математичне моделювання містить у собі три взаємопов'язані етапи: 
складання математичного опису досліджуваного об'єкта, вибір методу для 
розв'язання системи рівнянь і реалізація її у вигляді програми моделювання, а 
також визначення адекватності моделі . 
На підставі математичної моделі триступеневого процесу анаеробного 
зброджування гною ВРХ, що розглянуті вище, складаємо блок-схему математичної 
моделі процесу виробництва біогазу. 
Запропонована математична модель зброджування гною ВРХ ґрунтується 
на моделі Конто та рівняннях гідродинаміки і теплообміну. У цій моделі 
враховується вплив барботажного перемішування на ефективність процесу 
виробництва біогазу . 
Як вихідні дані для розв'язання алгоритму процесу анаеробного 
зброджування було взято такі вхідні параметри: 
v - робочий об'єм біореактора, м ; 
B0 - граничний вихід, м /кг; 
S - концентрація субстрату, кг/м ; 
Кб - коефіцієнт барботажного перемішування; 
K - кінетичний параметр; 
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2∙К); 
τбр - час бродіння, добу; 
����- СРМ, добу-1; 
u - швидкість руху теплоносія трубою, м/с; 
Q - кількість теплоти, Дж; 
Δ��зм - площа зіткнення, м ; 
43 
Тт - температура теплоносія, 
К; Т - температура середовища в біореакторі, К; 
S1 - вміст органічної речовини, частки від 1; 
Ссух - вміст біомаси в сухій речовині, частки від 1. 
Для розрахунку алгоритму процесу анаеробного зброджування за основу 
взято такі початкові вихідні дані: 
v – 3,5168 м ;B0– 3,968 м /кг;k – 0,60 Вт/(м2∙К);τбр – 10 сут;u – 5..15 м/с;Q– 
9,16 Дж;Δ��зм – 0,8 м2;Т – 25 °С;S1 – 0,2;Ссух – 0,140. 
МСР обчислюється за такою формулою: 
����=0.013∙25−0.129=0,1960 добу  (3.1) 
Щільність біомаси обчислюється за такою формулою: 
��б=1000+2.4∙(100−92)=1019,2 (3.2) 
Концентрація органічної речовини визначається за такою формулою: 
(3.3) 
 
Кінетичний параметр для гною ВРХ обчислюється наступною формулою: 
(3.4) 
 
Швидкість виходу біогазу . 
(3.5) 
 
Об’єм виходу біогазу: 
(3.6) 
 
Об’єм виходу метану з реактору: 
(3.7) 
 
Розрахунок об'ємної швидкості суміші на добу: 
Vc=(0,014+0,001)/0,6=0,0250 (3.8) 
Число кавітації, що розраховується за формулою (3.6): 
(3.9) 
 
Відносний перепад тиску на змішувачі: 
44 
(3.10) 
 
Таким чином алгоритм розрахунку виробництва метану та біодобрива в 
триступеневому режимі анаеробного зброджування біогазового комплексу 
складається з таких етапів: 
1. визначення числа кавітації та зміна відносного перепаду тиску у функції 
від відносної площі сопла; 
2. Розрахунок швидкості виходу біогазу, добового виходу біогазу і метану 
залежно від найважливіших параметрів процесу анаеробного зброджування. 
У роботі за допомогою об'єктноорієнтованого середовища Delphi 
розроблено додаток (додаток 2) для розрахунку МСР, СВБ, кількості виходу 
біогазу з біореактора згідно з математичною моделлю процесу анаеробного 
зброджування біомаси в біореакторі, див. рис. 3.1 
 
Рис. 3.1 Значення ступеня подрібнення твердих частинок у 
зброджуваному субстраті від числа кавітації 
45 
 
Рис. 3.2 Значення МСР від СВБ і кількості виходу біогазу 
 
Схему процесу анаеробного зброджування гною ВРХ у Simulink MatLab 
наведено на рис. 3.3. 
 
Рис. 3.3 Схема процесу зброджування ібіомаси в інтерфейсі Simulink 
MatLab 
 
Розроблено додаток в об'єктноорієнтованому середовищі Delphi 
«Розрахунок основних параметрів кавітаційної деструкції», отримано значення 
числа кавітації, див. рис. 3.4, та «Розрахунок СРМ, СВБ, кількість виходу біогазу» 
з біореактора згідно з математичною моделлю процесу анаеробного зброджування 
біомаси в біореакторі, отримано значення питомого росту мікроорганізмів, див. 
рис. 3.5. 
46 
 
Рис. 3.4 Значення основних параметрів кавітаційної деструкції 
 
 
Рис. 3.5  Значення питомого росту мікроорганізмів 
 
 
3.2 Програмне забезпечення та реалізація системи 
 
Згідно з розрахунками математичної моделі процесу зброджування біомаси, 
отриманої з гною ВРХ, отримано результати швидкості виходу біогазу від 
тривалості зброджування в трьох температурних режимах. Залежність добового 
47 
виходу біогазу та метану з реактора від температури процесу зброджування (за 
вологості 92%) наведена в табл. 
На рис. 3.6 значення добового виходу біогазу з біореактора в трьох 
температурних режимах (за вологості 92%). 
На наступному рис. 2.20 представлено розрахунки СРМ і СВБ, добовий 
обсяг виходу біогазу в психрофільному, мезофільному та термофільному 
температурних режимах зброджування (за вологості 92%, час бродіння 11 діб.). 
 
Рис. 3.6 Значення добового виходу біогазу з біореактора в трьох 
температурних режимах (за вологості 92%). 
 
 
 
 
 
 
48 
Таблиця 3.1 - результати за трьох температурних режимів роботи в 
біореакторах 
Температурний Психрофільний Мезофільний Термофільний 
режим температурний температурний температурний 
зброджування режим, 25℃ режим, 40℃ режим, 55℃ 
Час бродіння 10 діб 9 діб 8 діб 
Максимальна 0,1960 0,3910 0,5860 
питома швидкість 
росту 
мікроорганізмів 
Швидкість виходу 1,798 2,781 3,388 
біогазу 
Добовий об’єм 6,228 9,780 11,915 
виходу біогазу 
Добовий об’єм 4,359 6,846 8,340 
виходу метану 
 
У наступному рис. 3.7 1, 2, 3, 4, 5 подано розрахунки СРМ і СВБ, добовий 
обсяг виходу біогазу в психрофільному, мезофільному та термофільному 
температурних режимах зброджування (за вологості 92%, час бродіння 11 діб.). 
49 
 
Рис. 3.7 1 Графік - Час бродіння залежно від трьох температурних 
режимів роботи 
 
Рис. 3.7 2 Графік - Максимальна питома швидкість росту 
мікроорганізмів залежно від трьох температурних режимів роботи 
50 
 
Рис. 2. 3.7  3 Графік - Результат швидкості виходу біогазу залежно від 
трьох температурних режимів роботи 
 
Рис. 3.7 4 Графік - Результат добового обсягу виходу біогазу залежно 
від трьох температурних режимів роботи 
 
51 
 
Рис. 3.7 5 Графік - Добовий обсяг виходу метану залежно від трьох 
температурних режимів роботи 
На рис. 3.8 представлено схему моделі метанового зброджування біомаси в 
MatLab. 
 
Рис. 3.8  Схема моделі процесу зброджування біомаси в середовищі 
MatLab 
52 
Також відповідно до проведених розрахунків алгоритму процесу 
виробництва біогазу було складено графіки залежності густини субстрату, що 
зброджується, від вологості сировини, табл. 2.8 та швидкість росту мікроорганізмів 
від температурного режиму субстрату, що зброджується, в біореакторі, табл. 2.9. 
Таблиця 3.2 - Значення густини зброджуваного субстрату від вологості 
сировини 
 
 
Таблиця 3.3  - Значення питомого росту мікроорганізмів від температури 
 
Далі відповідно до наведених розрахунків математичної моделі процесу 
зброджування біомаси, отриманої з гною ВРХ, отримано графіки залежності 
53 
швидкості виходу біогазу та виходу біогазу від температури процесу зброджування 
в програмі MatLab, див. рис. 3.9. 
 
Рис. 3.9 - Залежність добового виходу біогазу та метану з реактора від 
температури процесу зброджування (за вологості 92%) 
 
З рис. 3.9 випливає, що оптимальний час бродіння в психрофільному режимі 
зброджування - 10 діб, у мезофільному температурному режимі - 5 діб, у 
термофільному температурному режимі - 7 діб. 
На наступному рис. 3.10 представлено значення розрахунків СРМ, СБВ, 
добовий об'єм виходу біогазу на добу та метану в трьох режимах триступеневої 
біогазової установки (за умови припущення вологості 92%, час 10 діб). 
 
 
 
 
 
54 
Таблиця 3.4 - результати за трьох температурних режимів роботи в 
біореакторах 
Температурний Психрофільний Мезофільний Термофільний 
режим температурний температурний температурний 
зброджування режим, 25℃ режим, 38℃ режим, 55℃ 
Час бродіння 10 діб 5 діб 7 діб 
Максимальна 0,1960 0,3650 0,5860 
питома 
швидкість росту 
мікроорганізмів 
Швидкість 1,798 3,346 3,746 
виходу біогазу 
Добовий об’єм 6,322 11,176 13,172 
виходу біогазу 
Добовий об’єм 4,425 8,237 9,221 
виходу метану 
 
 
Рис. 3.10 1 Графік результат швидкості виходу біогазу залежно від 
трьох температурних режимів роботи 
55 
 
 
Рис. 3.10  2 Графік час бродіння залежно від трьох температурних 
режимів роботи 
 
Рис. 3.10  3 Графік результат добового обсягу виходу біогазу залежно 
від трьох температурних режимів роботи 
 
56 
 
Рис. 3.10  4 Графік добовий обсяг виходу метану залежно від трьох 
температурних режимів роботи 
 
Рис. 3.10 1, 2, 3, 4 -Значення результатів СВБ, об'єм виходу біогазу на добу 
та метану залежно від температурного режиму зброджування 
 
Графік залежностей: швидкості виходу біогазу; добового виходу біогазу та 
метану з біореактора від температури процесу зброджування наведено на рис. 3.11. 
 
Рис. 3.11 Залежність швидкості виходу біогазу (добового виходу 
біогазу) від температури процесу зброджування (за вологості 92%) 
57 
 
За результатами аналізу та розрахунків показано, що при збільшенні 
вологості субстрату густина біомаси зменшується. Показано, що біомаса загальної 
вологості 92% є оптимальною вологістю для обробки сировини в біореакторі. 
У табл. 3.5 наведено значення точного розрахунку питомої швидкості росту 
мікроорганізмів за формулами Конто, Моно, Ендрюс і Мозера. 
За результатами розрахунку видно, що під час розрахунку питомої 
швидкості росту мікроорганізмів для зброджування біомаси з гною ВРХ 
найефективнішою є модель Конто. Чим вища температура зброджування, тим 
більша швидкість росту мікроорганізмів . 
Таблиця 3.5 - Значення питомої швидкості росту мікроорганізмів 
 
За результатами розрахунків алгоритму процесу зброджування гною ВРХ за 
вологості сировини 92%, температури 25°С, часу бродіння 10 діб. Були отримані 
такі результати: 
- оптимальна величина швидкості росту мікроорганізмів - 0,1960 діб, 
- щільність біомаси - 1019, 
- концентрація органічної речовини - 28,5320 кг/м , 
- кінетичний параметр для гною ВРХ - 0,8089, 
- швидкість виходу біогазу - 6,7589; 
- обсяг виходу біогазу з біореактора - 37,8498 м , 
- обсяг виходу метану з біореактора - 26,4948 м . 
58 
На наступних табл. 3.6, 3.7 подано значення результатів розрахунку за 
математичними моделями процесу зброджування Конто, Ендрюса та І.Р.Чен, 
А.Г.Хашимото. 
Таблиця 3.6 - Значення швидкості виходу біогазу та виходу біогазу в 
психрофільному температурному режимі 
 
 
Таблиця 3.7 - Значення швидкості виходу біогазу та виходу біогазу в 
мезофільному, термофільному температурних режимах 
 
З отриманих результатів розрахунку випливає, що для зброджування 
біомаси з гною ВРХ найбільш придатною та ефективною є модель Конто. За 
59 
результатами розрахунків оптимальний час бродіння в психрофільному 
температурному режимі, де вихід біогазу найвищий - 10 діб. Аналіз розрахунків 
показує, що при збільшенні вологості субстрату густина біомаси зменшується і 
загальна вологість 92% є оптимальною вологістю для обробки сировини в 
біореакторі. 
З використанням програми MatLab отримано графіки основних параметрів: 
подрібнення органічної сировини, питомої швидкості росту мікроорганізмів; 
швидкість виходу біогазу та інші. 
Використання шнекових подрібнювачів і кавітаційних деструкторів дало 
змогу значно скоротити час попередньої обробки сировини. 
Виробництво біогазу і концентрації метану в ньому збільшується на 10-30% 
при метановому зброджуванні підстилкового гною ВРХ. 
Подача завантажуваної дози подрібненого субстрату трьома частинами на 
добу дало змогу швидше адаптуватися свіжій порції до зброджуваного субстрату в 
біореакторі та стабілізувати оптимальну температуру. 
Усі ці фактори сприяють підвищенню виходу біогазу, концентрації метану, 
швидкості зброджування в біореакторі та економії витрат на виготовлення 
обладнання для попередньої підготовки підстилкового гною ВРХ, що дає змогу 
зменшити зношення обладнання та енергоефективність, а також значно скоротити 
витрати на будівництво біогазових установок. 
 
 
Висновки до розділу 3 
 
Отримано залежності визначення часу зброджування, росту 
мікроорганізмів, швидкості виходу біогазу, добового об'єму біогазу, та добового 
об'єму метану в психрофільному температурному режимі, мезофільному та 
термофільному в MatLabе». 
60 
Було встановлено, що при збільшенні температури зброджування питома 
швидкість росту мікроорганізмів і швидкість виходу біогазу збільшується при 
цьому: 
- максимальний ріст мікроорганізмів становить 0,1960 діб-1 при 
температурі 25℃; 
- щільність субстрату становить 1019 за вологості 92%; 
- концентрація органічної речовини - 28,5320 кг/м ; 
- кінетичний параметр для гною ВРХ - 0,8089; -швидкість виходу біогазу - 
6,7589; 
- обсяг виходу біогазу з реактора -37,8498 м ; 
- обсяг виходу метану з реактора - 26,4948 м . 
Проведені вище дослідження дали змогу знайти оптимальні параметри, які 
дають змогу збільшити вихід біогазу, за рахунок однорідності субстрату та за 
рахунок 12% вмісту сухих речовин у складі сировини, до 30%; одночасним 
нагріванням нижньої частини та оборотної води, що циркулює всередині БР, що 
дає змогу скоротити кількість виробленого біогазу на нагрівання основних вузлів 
біогазової установки. 
  
61 
РОЗДІЛ 4 
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ТА АНАЛІЗ 
ЕФЕКТИВНОСТІ СИСТЕМИ 
 
4.1  Розробка та аналіз ефективності 
 
У роботі розглядається інноваційне рішення щодо поєднання мішалки 
додатково як нагрівального елемента, нижньої частини та бокових стінок 
біореактора, що дасть змогу швидше адаптуватися до частки субстрату, що 
подається, та долі субстрату, що завантажується, в біореактор і стабілізувати 
температуру, див. рис. 4.1 1, 2.  
 
Рис. 4.1 1 Схема передачі тепла в біореакторі для метанового 
зброджування субстрату 
62 
 
Рис. 4.1 2 Конструкція біореактора для метанового зброджування 
субстрату 
 
Для нагрівання біомаси до температури 25°С, 37°С, 52°С, що відповідає 
психофільному, мезофільному і термофільному температурним режимам, буде 
використано трубчастий обігрівач, який працює спочатку на природному газі, з 
подальшим перемиканням на біогаз, мішалка-нагрівач, що обігріває топковим 
газом (ефект самовара). Матеріалом трубок є корозійно-стійкий матеріал 
склопластик. Його низька теплопровідність не дає змоги допустити перегрів зон 
біореактора, усуває накип зброджуваного субстрату та загибель мікроорганізмів. 
Мішалка - нагрівач періодично на добу тричі перемішує субстрат, що 
унеможливлює також накипання і загибель бактерій. 
Принцип роботи терморегулятора. Температуру субстрату в біореакторах 
вимірюють на трубопроводі, яким відбирають субстрат для наступного ступеня 
зброджування, і на трубопроводі, яким надходить субстрат із попереднього 
ступеня. Пристрої обладнані двома датчиками: розташованими в контурі та в 
кімнаті. Робота терморегулятора складається з порівняння температур, що 
надходить з термодатчика, із заданою оптимальною в інтервалі варіювання та в разі 
відхилення ухвалює рішення про вимкнення або подавання газу для нагріву 
63 
нижньої частини БР, бічних стінок і трубок мішалки-нагрівача опалювальної 
системи. 
Нагрівальні елементи зі склопластику розташовані всередині біореактора. 
При цьому перекачується лише гаряча вода, але не субстрат. Трубки - склопластик 
підлаштовують під діаметр біореактора, поставляють у зігнутому вигляді і 
приварюють до бічних стінок біореактора. Циркуляція гарячої води здійснюється 
насосом і в нижній частині піддону біореактора підігрівається спочатку природним 
газом, а потім біогазом. Необхідно враховувати, що труби - склопластик були 
занурені в зброджуваний субстрат і омивалися. У цьому разі вдається уникнути 
«мертвих зон», де не відбувається теплообміну. Чисельне розв'язання метанового 
зброджування в психрофільному, мезофільному та термофільному режимі нагріву 
основних вузлів біореактора проводимо з використанням методу скінченних 
елементів в інтегрованому середовищі Comsol Multiphysics 4.3 на базі Model 
Builder, яке є адміністратором моделі та розкриває всі свої можливості для 
побудови моделі. На рис.4.2. наведено нагрівання нижньої частини біореактора і 
підігрів трубок, розташованих усередині біореактора, в ІС моделювання COMSOL 
MULTIPHYSICS.  
 
 
Рис. 4.2 Нагрівання нижньої частини біореактора та підігрів трубок, 
розташованих усередині біореактора, у COMSOL MULTIPHYSICS 
 
64 
Таким чином, у біореакторі встановлено: внутрішню водяну систему, 
укріплену на стінках, яку підігрівають газом через пальники в нижній частині; 
мішалку-нагрівач, через трубки якої проходить топковий газ, укріплений у верху і 
знизу. На рис. 4.3 наведено розташування мішалки нагрівача, водяного опалення в 
біореакторі. 
 
Рис. 4.3 Технологічна схема біореактора з мішалкою-нагрівачем і 
водяним опаленням 
 
Контроль температури в біореакторі здійснюється системою керування 
температурою, контролю та керування перемішуванням СС із застосуванням ПІД-
регулятора температури . 
При надходженні від датчика сигналу ПІД-регулятор температури ТРМ 210 
обробляє його і подає завдання управління обладнанню «Газонагрівач». У даному 
контурі регулювання температурним режимом термопари ТСМ 100 визначають 
температуру і подають її за схемою далі, а газонагрівач нагріває зброджуваний 
субстрат через водяне опалення і трубками мішалки-нагрівача необхідної 
65 
температури. Для усунення мертвих зон і перемішування рівномірно 
зброджуваного субстрату всередині біореактора використовується спроектована 
автором мішалка-нагрівач. 
Циркуляцію гарячої води у водяному опаленні здійснюють насосом, а для 
увімкнення двигуна мішалки в схемі контуру регулювання температурою 
застосовують програмоване реле ПР114 . 
ПІД-регулятор температури ТРМ 210 - основні пристрої в системі, що дають 
змогу застосувати енергоефективне рішення зі зниження енергоспоживання, 
розміри та вартість пристроїв. 
Надходження сигналу з камери біореактора здійснюється за допомогою 
герметичного датчика температури, спроектованої на мікросхемі ТСМ 100, що дає 
змогу визначати температуру в широкому діапазоні. Інформація від датчика 
надходить у вигляді цифрового сигналу з 12-бітною роздільною здатністю за 
протоколом 1-Wire, що використовує лише один порт контролера. 
Розроблене програмне забезпечення мікроконтролера, отримавши сигнал, 
звіряє отримане значення з даними, розміщеними в коді ПЗ. 
У разі якщо значення отриманих даних нижче за достатнє, то подається 
сигнал на відкриття затвора MOSFET-транзистора, відкриваючись який живить 
реле, для керування нагрівальним елементом, див. рис. 4.3. 
 
Рис. 4.3 Схема пристрою терморегуляції (електрична) у біореакторі 
66 
З рис. 4.3 випливає, що в схемі використовується ОВЕН моделі ТРМ 210 
спільно з ПІД регулятором температури для терморегуляції в біореакторі. В 
електричній схемі пристрою терморегуляції в біореакторі показано, що в схемі 
використано U1 - ПІД-регулятор температури від компанії ОВЕН моделі ТРМ 210, 
U2 -герметичний датчик температури ТСМ 100, Q1 - MOSFET-транзистор 2N6660. 
У біореакторі перемішувальний пристрій складається з трубок і пристрій 
для кріплення мішалки-нагрівача в нижній і у верхній частині біореактора. Схема 
така ж аналогічна, як і в системі терморегуляції, крім термодатчика. Схема системи 
перемішування та схема пристрою перемішування (електрична) у біореакторі, див. 
рис. 4.4 . 
 
Рис. 4.4 Схема системи пристрою перемішування (електрична) у 
біореакторі 
 
Схема контуру регулювання і системи управління подачі та відбору 
зброджуваного субстрату, відрізняється від інших тим, що має у своєму складі 
додаткове обладнання насос і електрична схема цього контуру, див. рис. 4.5 . 
67 
 
Рис. 4.5 Електрична схема контуру регулювання та автоматизації 
управління подачі та відбору зброджуваного субстрату в біореакторі 
 
Узагальнена схема контуру регулювання та системи автоматизації 
керування технологічним процесом метанового зброджування: попередньо 
подрібненого субстрату в біореакторі; з урахуванням нагріву та терморегуляції; з 
мішалкою - нагрівачем для перемішування та одночасно нагріванням; насосами для 
подачі й відбирання субстрату, що зброджується, до біореакторів подано на рис. 4.6 . 
68 
 
Рис.4.6 Загальна схема автоматизації процесу метанового 
зброджування подрібненого субстрату в біореакторі. 
 
При досягненні та виконанні оптимальних умов для основних параметрів: 
подрібнення; температури; перемішування; подачі частинами завантажуваної дози 
з дотриманням рівня заливки субстрату в біореакторі можливе отримання 
максимального виходу біогазу . Після знаходження оптимальних значень 
параметрів системи контролю та управління контурів регулювання й автоматизації 
всієї триступеневої біогазової установки надалі потрібне обладнання для 
увімкнення й вимкнення насосів, які подають субстрат у біореактори, дотримання 
рівня заливання, нагріву зброджуваного субстрату та його перемішування в 
біореакторі, а також загальне обладнання для диспетчерського пункту. 
Автором у роботі прийнято використовувати мікроконтролери, які дають 
змогу створити ефективну схему керування замість набору мікросхем. До того ж і 
69 
ціна мікроконтролерів набагато нижча за мікросхеми, і енергоспоживання нижче, 
розміри створених контурів регулювання набагато менші за шафи. 
Загальну схему системи автоматичного керування процесом метанового 
зброджування подрібненого субстрату в триступеневій біогазовій установці на 
прикладі одного біореактора, який використовується на всіх щаблях, наведено на 
рис. 4.7 . 
 
Рис. 4.7 Загальна схема системи автоматичного керування процесом 
метанового зброджування подрібненого субстрату в біореакторі 
 
На рис. 4.7 позначено: 
1. автоматичний перетворювач інтерфейсів USB/RS-485 ОВЕН AC4; 
2 Вимірювач ПІД-регулятор ОВЕН ТРМ210 у щитовому корпусі Щ2; 
3. Перетворювач загальнопромисловий ОВЕН ПД100-ДИ0.06-811-2.5; 
4. електромагнітний клапан; 
5. Насос; 
6. електродвигун; 
7. Біореактор; 
8. Засувка (вихід біошламу); 
9 - 10. Мішалка; 
70 
11. Пристрій аналогового введення RS-485, МВ110; 
12 - Труба для нагрівання; 
13. Газгольдер; 
14. Клапан; 
15. ТСМ; 
16. Газонагрівач. 
Нижче позначено потоки керування: 
управління через ПЛК 100 «насосами»; 
електродвигун управління мішалкою через ПЛК 100; 
датчик тиску за спостереженням тиску в біогазовій установці. 
Це у нас аналоговий сигнал ми підключаємо до МВ110; 
ПДУ датчик рівня рідин у біогазовій установці, щоб бачити рівень 
- підключаємо до МВ110; 
електромагнітний клапан - коли тиск піднімається, спрацьовує 
електромагнітний клапан, виходить метан і метан надходить у газгольдер; 
ТСМ датчик температури в біореакторі-розташований у нижній 
частині котла з боку . 
З урахуванням загальної схеми біореактора на рис. 4.8 наведено схему 
системи автоматичного керування процесом метанового зброджування 
подрібненого субстрату в триступеневій біогазовій установці. 
Особливістю даної схеми є повний цикл технологічного процесу на всіх 
щаблях біогазової установки з виходом на термофільному режимі біошламу та 
попередньою підготовкою субстрату до початку подачі в біореактор 
психрофільного режиму. 
Як було вище сказано повний цикл від початку і кінця технологічного 
процесу метанового зброджування з системою керування основними параметрами. 
На рис.4.8 показано всі пристрої керування всіх біореакторів і всієї системи 
керування в цілому . 
71 
 
Рис. 4.8 Загальна схема системи автоматичного керування процесом 
метанового зброджування подрібненого субстрату в триступеневій біогазовій 
установці 
 
 
4.2 Розробка алгоритму системи управління біореакторами  
 
Ефективність процесу метанового зброджування становить стабілізація 
температурного режиму в біореакторах, для комфортної життєдіяльності 
мікроорганізмів, які в основному визначають процес метанового зброджування . 
Алгоритм роботи системи керування біореакторами триступеневої 
біогазової установки, представленої на рис. 4.9. 
Програма виконується трьома потоками. Потік температури призначений 
для вимірювання температури та роботи з нагрівачем. Потік тиску призначений для 
вимірювання тиску і роботи з клапаном. 
72 
Графічний потік є інформативним і відображає отриману з датчиків 
інформацію. 
Першим починає виконання потік тиску, оскільки у потоку температури 
стоїть заборона. 
У потоці тиску передбачена повторна заборона вимірювання температури і 
затримка тривалістю в отримання вимірювань потоком температури. Це зроблено 
для того, щоб уникнути конфліктної ситуації, коли два потоки в один момент часу 
намагатимуться вимірювати значення тиску і температури з одного датчика. 
Статися це може в момент закінчення очікування потоком тиску потоку 
температури та кінцем виконання потоку температури. Далі виконується 
процедура вимірювання тиску і ставиться дозвіл на вимірювання температури. З 
цього моменту потік температури почне своє виконання. На основі отриманих 
даних тиску від датчика ухвалюється рішення про необхідність увімкнення клапана 
відкачування газу. У разі надлишку тиску газу запускається процедура відкриття 
клапана і потік виконується з початку. 
Коли рівень тиску газу опуститися до допустимого рівня потік продовжить 
виконуватися і викличеться процедура закриття клапана. 
Технічна реалізація автоматизованої системи управління на прикладі 
одного біореактора триступеневої біогазової установки на апаратно-програмному 
комплексі в науково-дослідній лабораторії ТарРУ ім. М.Х. Дулаті наведена на рис. 4.10. 
Система контролю й автоматизації управління параметрами триступеневої 
біогазової установки містить у собі три рівні ієрархії . До складу системи 
управління особливе місце займає АРМ диспетчера. Автоматизоване робоче місце 
диспетчера містить апаратно-програмний комплекс, що містить два екрани 
моніторів, регулятори з інтерфейсом RS-485, перетворювачі температури типу 
ТСМУ, датчики тиску ПД100, перетворювачі інтерфейсів та інше устаткуванням, з 
програмним забезпеченням SCADA-системи TRACE MODE, див. рис. 4.10. 
 
73 
 
Рис. 4.9 Алгоритм виконання програми стабілізації температури 
зброджуваного субстрату 
 
74 
Рис. 
4.10 Загальна структура системи регулювання й автоматизації управління, 
що включає три рівні ієрархії управління 
 
 
4.3 Розробка програмного забезпечення  
 
Програмне забезпечення повністю візуалізує весь процес мета нового 
зброджування в біореакторі. В інтерфейсному вікні насоса залежно від кольору 
показується його робочий стан: червоний не діє, зелений у робочому стані.  
Внизу інтерфейсу розташовані схеми є таблиця, в якій показується кількість 
годин і днів, табл. 4.1 124, 125  
Таблиця 4.1 Час і аварійна ситуація роботи насосів в АРМ 
75 
 
 
Алгоритм опису та схем розрахунку технологічного процесу 
складається з: 
1 Етап. Грубе і тонке подрібнення підстилкового і безпідстилкового 
гною ВРХ. 
Гній і оборотна вода надходять у 1-й шнек, де вони дробляться, 
подрібнюються і зволожуються, після чого отриманий субстрат потрапляє до 
першої ємності, де проходить 3 етапи подрібнення і за ступеню подрібнення 10мкр. 
Відправляється на метанове зброджування психрофільного, мезофільного та 
термофільного режимів біогазової установки. 
76 
2. етап. Метанове зброджування субстрату в психрофільному 
температурному режимі. 
У біореакторі психрофільного режиму субстрат подається до 11 доз із 
підготовчої ємності, перемішується мішалкою нагрівачем при температурі 23 
градуси, а після чого проходить теплообмінник і потрапляє вже в біореактор 
мезофільного режиму. У цьому ж ступені утворюється збагачений вуглекислий газ, 
який відбирається в біореактор термофільного режиму 
минаючи мезофільний. В інтерфейсному вікні в кожному біореакторі трьох 
ступенів є шкала, яка візуально показує ступінь заповнення біореактора. 
Тут же нижче самої схеми показано таблицю, в якій можна побачити обсяг 
наповнення біореакторів. В інтерфейсному вікні висвічується температура й об'єм 
субстрату, що зброджується, в біореакторі психрофільного, мезофільного й 
термофільного температурних режимів, див. рис. 4.1 1 заповнення субстратом 
біореактора психрофільного режиму, перемішування зброджуваного субстрату та 
стабілізація температури. 
3 Етап. Метанове зброджування субстрату в мезофільному 
температурному режимі. 
У біореакторі мезафільного режиму субс 
трат подається до 9 доз, перемішується мішалкою нагрівачем при 
температурі 37 градусів, після чого проходить теплообмінник і подається в 
біореактор термофільного режиму. Зверху біореактора відбирається біогаз і 
подається в газгольдер.  
 
77 
МОНІТОРИНГ РІВНЯ 
Рівень в 
Рівень в 
Рівень в 
 
Рис. 4.11 Заповнення субстратом біореактора мезофільного режиму, 
перемішування зброджуваного субстрату і стабілізація температури 
 
4 Етап. Метанове зброджування субстрату в термофільному 
температурному режимі. 
У біореакторі термофільного режиму субстрат подається до 8 доз, 
перемішується мішалкою-нагрівачем за температури 53 градуси. Субстрат, що 
зброджується, насичується вуглекислим газом, який подається з біореактора 
психрофільного режиму, тим самим збільшуючи концентрацію метану в 
утвореному біогазі. 
Після проходження всіх ступенів зброджування, субстрат потрапляє до 
біошламу, де розділяється на оборотну воду, що йде до 1-го шнека, та добрива, що 
відправляються споживачеві. 
Біогаз, зібраний у верху біореактора термофільного режиму, відправляється 
в ємність очищення біогазу, де виділений біогаз відправляється в пальники для 
підігріву зброджуваних субстратів біореакторів для підтримування необхідної 
температури, а надлишки відправляються споживачу. 
У кожному біореакторі є тренд, що показує температуру субстрату, що 
зброджується, у біореакторі, 
78 
 
Рис. 4.12 Тренд про температурний режим субстрату, що зброджується, у 
біореакторах психрофільного, мезофільного та термофільного ступенів 
метанового зброджування 
 
5 етап. Метанове зброджування субстрату в безперервному режимі 
роботи триступеневої біогазової установки. 
Після заповнення біореакторів усіх ступенів метанового зброджування 
субстратом технологічний процес триступеневої біогазової установки виходить на 
безперервний режим роботи 126 
Робота в безперервному режимі проходить шляхом відбору з термофільного 
режиму біошламу, який подається у відстійник. Автоматично відбувається відбір з 
мезофільного режиму порції субстрату та подача його в термофільний, також йде 
відбір порції з психрофільного режиму та подача його в мезофільний. У 
психрофільний режим подається порція субстрату з підготовчої ємності, 
попередньо подрібнена й однорідна суміш води та підстилкового і 
безпідстилкового гною. 
При відборі та подачі субстратів одночасно в усі біореактори на всіх щаблях 
необхідно контролювати рівень їх заповнення. Тренд для перегляду рівня в 
біореакторах наведено на рис. 4.13 
79 
 
Рис. 4.13 Рівень зброджуваного субстрату в біореакторах на всіх ступенях 
біогазової установки 
 
6 Етап. Контроль і регулювання мішалок у біореакторах 
психрофільного, мезофільного і термофільного ступенів метанового 
зброджування. 
Після заповнення біореакторів на всіх ступенях до заданого рівня через 10-
15 хвилин вмикаються двигуни мішалок. На кожному температурному режимі 
мішалки мають різну швидкість і кількість прогонів. Ця інформація виводиться на 
екрани монітора диспетчеру, який стежить за їхньою роботою. 
На рис. 4.14 наводиться інформація про роботу мішалок на всіх трьох 
ступенях триступеневих біогазових установках . 
80 
 
Рис. 4.14 Інформація про мішалку в біореакторі психрофільного 
мезофільного та термофільного ступенів метанового зброджування 
 
 
4.4 Програмне забезпечення контролю та керування параметрами в 
біореакторах 
 
Програмне забезпечення контролю та управління параметрами метанового 
зброджування складається з чотирьох підпрограм: 
1. Підпрограма контуру регулювання подрібнення підстилкового гною 
ВРХ; 
2. Підпрограма контуру регулювання стабілізації температурного режиму; 
3. Підпрограма контуру регулювання подачі та відбору завантажуваного 
субстрату до заданого рівня; 
4. Підпрограма контуру регулювання пуску і зупинки мішалки-нагрівача. 
Підпрограма контролю ступеня подрібнення підстилкового гною в пристрої 
оброблення сировини відповідає за подрібнення та однорідність зброджуваного 
субстрату, що подається в біореактори . 
Підпрограма контролює процес ступеня подрібнення на кожному проході, у 
разі припинення подальшого подрібнення розмірів твердих частинок субстрату 
зупиняє роботу з метою економії електроенергії. 
81 
Тестування технологічного процесу вузла попередньої підготовки 
підстилкового гною ВРХ в апаратному програмному комплексі засвідчило 
керованість процесу та результати подрібнення. На рис. 3 .15 наведено схему 
контуру регулювання подрібнення в шнековому і далі в кавітаційному 
диспергаторі підстилкового гною ВРХ. 
Лістинг програми контролю й автоматизації керування контуром 
регулювання подрібнення гною ВРХ наведено в П 1.4.6.1 . 
Подрібнення органічної сировини під час запуску профайлера задаються 
початкові параметри системи, як-от об'єм сировини, що завантажується, бажаний 
розмір на виході та об'єм труб вузла обробки сировини. 
Далі відбувається візуалізація наповнення ємності для перемішування 
органічної сировини з водою. При цьому насос для перекачування біомаси в шнек 
перебуває в положенні «Вимкнений». У разі натискання на нього вся біомаса 
переходить у ємність для тимчасового зберігання, подрібнення та зброджування 
біомаси. 
 
Рис. 4.15 Контур регулювання подрібнення підстилкового гною ВРХ у 
шнековому подрібнювачі та далі в кавітаційному диспергаторі 
 
Далі для запуску процесу подрібнення необхідно перемкнути вимикач 
муфти в положення «Увімкнено». Запуститься робота елементів вузла обробки 
органічної сировини, а сама біомаса в ємності для тимчасового зберігання завдяки 
використанню генератора синусоїда почне циклічні рухи в напрямку згори вниз. 
82 
На елементі «Тренд», що демонструє графік, покроково промальовуватиметься 
залежність між часом обробки та розміром сировини. А в полях для відображення 
вихідних даних, таких як кількість необхідних циклів і час виконання процесу, 
відображаються отримані результати, див. рис. 4.16. 
 
Рис. 4.16 Загальний вигляд тренду подрібнення з описом об'єктів 
 
Підпрограма контролю температури зброджуваного субстрату в 
біореакторах відповідає за стабілізацію температури в біореакторах. Підпрограма 
контролює процес нагріву зброджуваного субстрату в біореакторах, у разі 
підвищення температури від оптимального зменшується подавання газу на 
пальники, і якщо відбувається зменшення температури, то збільшуємо газ на 
пальники, і температура починає підніматися до свого дозволеного максимуму, і 
так у всіх 3-х біореакторах. На рис. 4.17 наведені схеми контуру регулювання і 
стабілізації температури в біореакторах на всіх щаблях біогазової установки 
апарат, але програмному комплексі. 
83 
Повний лістинг підпрограми контролю за температурними режимами 
зброджуваного субстрату в біореакторах, що написані промисловою мовою Техно 
СТ в ІС TRACE MODE, наведений у П 2.3.6.2.  
Загальна шина передачі даних RS-485 
 
Рис. 4.17 Схема контуру регулювання та стабілізації температури в 
біореакторах на всіх ступенях біогазової установки 
 
Підпрограма контролю рівня та заповнення субстратом біореакторів трьох 
ступенів метанового зброджування. Підпрограма (основна) відповідає за час, дні та 
наповнення біореакторів субстратом. Вона контролює за утримання максимуму 
субстрату в біореакторі та наповнення проводиться по черзі, тобто щодобова доза 
субстрату частинами завантажується в біореактори один за одним доки не 
наповниться останній. 
Після того, як біореактор термофільного режиму наповниться до заданого 
рівня, наступна доза завантаження в біореактори відбувається одночасно і 
виходити на безперервний режим Лістинг підпрограми контролю та управління 
заповнення біореакторів субстратом до заданого рівня наведений у П 4.3.4.6. 
 
Триступенева біогазова 
установка 
Перетв
орювач інтерфейсу 
84 
Підпрограма контуру регулювання запуску та зупинки мішалки 
нагрівача 
Підпрограма відповідає тільки за пуск і зупинку мішалки нагрівача. 
Згідно з автоматизацією управління роботою мішалки нагрівача, через 
певний час програма сама вмикає рух мішалок у всіх щаблях метанового 
зброджування із заданою кількістю часу і швидкістю. У процесі роботи мішалки 
нагрівача на панелі йде відлік часу і закінчується після зупинки. 
Лістинг програми контролю і керування пуском і зупинкою мішалки 
нагрівача наведено в П4 4.6.4. 
Таким чином, розроблено програмне забезпечення контролю та управління 
параметрами всіх ступенів біогазової установки, що включає контроль і управління 
подрібненням, температурою, подачі та відбору дози субстрату, що 
завантажується, і мішалкою-нагрівачем . 
На рис. 4.18 наведено функціональну схему безперервного метанового 
зброджування подрібненого субстрату на трьох ступенях біогазової установки. 
Програма контролює рівень рідини, не перевищуючи рівня 80% від об'єму 
біореактора, у разі підвищення відбувається скидання рівня в автоматичному 
режимі. Температурний режим так само піддається контролю, система не дасть 
підвищенню або зниженню температури в інтервалах вище +25 градусів. 
У разі виходу температури з інтервалу і неможливості його демпфірувати 
шляхом розрахунку за математичною моделлю буде видано сигнал у вигляді вікна 
тривоги. Створено додатковий пульт керування процесами, наприклад: для 
підвищення зниження температури або рівня оператором. 
85 
 
Рис. 4.18 Безперервна триступенева біогазова установка метанового 
зброджування субстрату із системою регулювання та автоматизацією 
управління 
 
Повний текст програмного забезпечення контролю та управління 
параметрами метанового зброджування, що складається з підпрограм: контурів 
регулювання подрібнення підстилкового гною ВРХ; стабілізації температурного 
режиму; подачі та відбору субстрату, що завантажується, до заданого рівня; пуску 
та зупинки мішалки біогазової установки після виходу на безперервний режим 
наведено в додатку 2. 
 
 
4.5 Комп'ютерне моделювання в ІС TRACE MODE  
 
З літературного огляду  було виявлено, що розміри твердих частинок у 
субстраті здебільшого впливають на одержання в біогазі основних компонентів: 
метану та діоксиду вуглецю за метанового зброджування в біореакторах. 
Тому попереднє подрібнення в мацераторі, гетероторному насосі та 
кавітаційному диспергаторі твердих частинок необхідне для знаходження 
оптимального розміру цих частинок у субстраті комп'ютерним моделюванням. 
86 
Комп'ютерне моделювання для розрахунку концентрації метану і діоксиду 
вуглецю на всіх ступенях біогазової установки виконували на апаратно-
програмному комплексі з програмним забезпеченням ІС ТРАСЕ МОДЕ 6.  
У складі біогазу крім основних компонентів метану (від 50% до 85%) і 
діоксиду вуглецю (13÷50%), присутні й інші компоненти, як-от водень і сірчистий 
водень, що разом становлять лише один відсоток. Розрахунок і знаходження 
лабораторним та експериментальним шляхом водню та сірчистого водню в суміші 
дуже трудомісткий, до того ж вони особливо не впливають на процес метанового 
зброджування.  
Тому надалі під час розрахунків прийматимемо, що біогаз складається 
тільки з метану та діоксиду вуглецю. У роботі  наведено формули розрахунку 
об'єму, яку й візьмемо за основу: 
P ⋅ V ⋅ T (4.1) 
V  
T ⋅ P
 
де V1- об'єм дорівнює 0,022414 м , (t = 0 С, Р1 = 101325 Па) 
Т2 = 273+ t1(К),Р2 = 116524 Па. (4.2) 
СММ (Молярну масу біогазу), що містить два компоненти метану і діоксиду 
вуглецю, розраховуємо за такою формулою. Позначивши об'ємну частку метану в 
біогазі через с (ω(СН4)=с) і об'ємну частку діоксиду вуглецю ω(СО2)=1-с, СММ 
виразимо через значення об'ємної частки метану у вигляді такої формули:  
(4.3) 
 
Густину газу (ρbiog) V2, виразимо у вигляді:  
(4.4) 
 
Проте залишається питання, як знайти густину біогазу без лабораторних 
випробувань. Досліджуючи роботи  за допомогою регресійного аналізу визначаємо 
відносну залежність між розміром частинок і густиною біогазу у вигляді степеневої 
функції 
(4.5) 
 
87 
де: x-розмір переважаючих частинок. 
Коефіцієнт детермінації даної функції 0.8888, середня помилка 
апроксимації - 4.6534%, що отримано в роботах , свідчить про досить хорошу 
оцінку та придатність до дослідження параметрів.  
Традиційно аналіз складу біогазу проводять у спеціалізованих лабораторіях, 
оснащених апаратурою та обладнанням.  
Визначення хімічного аналізу складу біогазу в цих лабораторіях надто 
складне та трудомістке. Для моделювання процесу метанового зброджування в 
системі інтегрованої інформаційної системи Scada ІС Trace Mode спочатку 
створимо необхідні канали, див. рис. 4.19 1, 2: CH4 - вміст метану; CO2 - вміст 
вуглекислого газу; CH4% - процентний вміст метану; CO2% - процентний вміст 
вуглекислого газу. 
 
Рис. 4.19 Вікна, відсотковий вміст метану та вуглекислого газу 
1 - створення каналів, 2 - компоненти: кнопка і текст 
 
Властивості кнопок змінювати не будемо, у властивостях «Тексту» 
здійснимо прив'язку до відповідних каналів СO2 і CH4, див. рис. 4.20 1, 2. 
88 
 
Рис. 4.20 Прив'язка тексту до каналів СO2 і CH4 1 - введення тексту до 
аргументу, 2 - розміщення елемента на тренді 
 
Нам необхідно визначити потрібного нам компонента, а саме здійснимо 
прив'язку до параметра метану CH4, див. рис. 4.26 1,2.  
Для перегляду на екрані вмісту метану і вуглекислого газу розташуємо 
елемент повзунок, поверх елемента в повзунку розташуємо 4 елементи. Текст, у 
двох із яких змінимо властивості текст на CH4 і CO2, а решту два прив'яжемо до 
відповідних каналів. Крім того, для відображення на стрічці тільки двох кольорів 
необхідно відкрити рядок «Смуга», що випадає, і змінити значення меж елемента, 
див. рис. 4.21 1, 2. 
89 
 
1                                                                 2 
Рис. 4.21 Прив'язка тренду і графічного елемента до аргументу  
1 - введення тренду до аргументу, 2 - введення графічного елемента до 
аргументу 
 
Далі, створюємо прив'язку каналів до відповідних елементів у структурі 
проєкту створимо новий елемент «Програма», назвемо його «Концентрація». У 
редагуванні шаблону створимо аргументи. У розділі глобальні змінні додамо дві 
змінні, див. табл. 4.2 1, 4.2 2  
 
 
 
 
 
 
 
90 
Таблиця 4.2. 1 - аргументи програми.  
 
 
Таблиця 4.2. 2 - глобальні дані. 
 
 
Далі, клацнувши по слову «Програма», виберемо мову програмування 
Техно ST. У вікні, що відкрилося, у полі введення коду додамо програму.  
Під час запуску «Програмного забезпечення продукту» вводимо бажаний 
ступінь подрібнення та інтервал температурного режиму на всіх трьох ступенях 
біогазової установки. У процесі виконання програми, вона сама обчислить 
передбачувану густину біогазу і відповідно знайде концентрацію речовин у ньому.  
Комп'ютерний експеримент проводився АСУ метановим зброджуванням у 
системі Scada Trace Mode на апаратно-програмному комплексі «Автоматизована 
система управління процесом метанового зброджування 
Як вхідні параметри прийнято: об'єм сировини, що завантажується; 
бажаний розмір частинок на виході; об'єм труб системи вузла оброблення 
сировини; початкова температура сировини; бажана температура сировини.  
Як вихідні параметри: кількість циклів для виконання; кількість прогонів 
загальної маси; час подрібнення сировини; час нагрівання; вміст метану; вміст 
вуглекислого газу.  
91 
Як опорний план проведення експерименту створимо матрицю початкових 
і кінцевих значень параметрів.  
Є величини постійні, а змінюється тільки бажаний розмір частинок на 
виході. Таким чином, вхідні значень проведення для проведення експерименту 
набудуть вигляду, табл.4.3. 
Таблиця 4.3 - Вхідні значення для проведення досліду 
Параметр Кількість дослідів N 
1 2 3 4 5 6 7 8 
Об’єм сировини, що 600 600 600 600 600 600 600 600 
завантажуватися 
Бажаний розмір 2000 1000 200 100 50 20 10 5 
частинок на виході 
Об’єм труб системи 5 5 5 5 5 5 5 5 
вузла перероблювання 
сировини 
Потужність 50 50 50 50 50 50 50 50 
обігрівального 
елемента 
Початкова температура 10 10 10 10 10 10 10 10 
сировини 
Бажана температура 25 25 25 25 25 25 25 25 
сировини 
 
Для виявлення залежності між розміром частинок на виході та 
концентрацією біогазу вводимо об'єм сировини, що завантажується; бажаний 
розмір частинок на виході; об'єм труб системи вузла обробки сировини; потужність 
обігрівального елемента; початкова температура сировини; бажана температура 
сировини. Матриця вхідних і вихідних значень проведення експерименту матиме 
вигляд, див. рис. 4.22 1,2,3. Із рис. 4.22 1 - випливає, що на основі введених даних 
92 
за температури від 20 до 23С0 вихід метану становив 68,8%, а вихід вуглекислого 
газу відповідно 31,1%.  
За температури від 34 до 37 С0, рис. 4.22 2 - вихід метану становив 79,8%, 
вихід вуглекислого газу 20,1% і від 51 до 54 С0, рис. 4.22 3 - вихід метану становив 
81,7%, вуглекислого газу 18,2%. 
 
Рис. 4.22 1 - Вхідні та вихідні параметри психрофільного за 
температури в інтервалі 20 до 23 °С 
93 
 
Рис. 4.22 2 - Вхідні та вихідні параметри мезофільного при температурі 
в інтервалі 34 до 37 °С. 
 
 
Рис. 4.22 3 - Вхідні та вихідні параметри термофільного при 
температурі в інтервалі 51 до 54 °С. 
 
На основі отриманих результатів в ІС ТРАСЕ МОДЕ за вхідних параметрів, 
зафіксованих для дослідів у триступеневій біогазовій установці, видно, що зі 
94 
збільшенням температури концентрація метану зростає, а діоксид вуглецю 
зменшується.  
Побудуємо графік, що відображає залежність між початковою 
температурою та часом нагрівання біогазу. Як видно з графіка, зі збільшенням 
температури відбувається зменшення часу нагрівання біогазової установки, див. 
рис. 4.23. 
 
Рис. 4.23 Залежність часу нагріву зброджуваного субстрату від витрати 
теплоти 
 
З рис. 4.23 видно, що після початкового часу нагрівання, що збільшується, 
зменшується час нагрівання сировини, а, отже, зменшується і витрата теплоти. 
 
 
Висновки до розділу 4 
 
1 Розроблене програмне забезпечення в ІС Trace Mode знаходить основні 
оптимальні значення параметрів, такі як час подрібнення сировини, час нагріву, а 
також здатне регулювати потужність нагрівального елемента, запуск мішалки, 
подачу та відбір субстрату, стабілізацію температурного режиму та розраховувати 
концентрацію метану та діоксиду вуглецю у двокомпонентній біогазовій суміші.  
2. Розроблено схеми регулювання та автоматизації управління локальних 
контурів: подрібнення, стабілізація температури, перемішування, подача і відбір 
95 
зброджуваного субстрату, що подається на зброджування в біореактори кожного 
ступеня біогазової установки. 
3. Розроблено комп'ютерний контроль і автоматизація управління 
основними параметрами в біореакторах на апаратно-програмному комплексі з 
використанням СКАДА систем ТРАСЕ МОДЕ для знаходження швидкості виходу 
метану і швидкості росту мікроорганізмів. 
  
96 
ВИСНОВКИ 
 
Анаеробне зброджування біомаси, одержуваної з гною ВРХ у біогазовому 
комплексі є ефективним способом переробки гною ВРХ. 
Огляд результатів науково-дослідних робіт показав, що триступеневе 
метанове зброджування в біореакторах, в кожній з яких створені оптимальні 
параметри процесу метаногенезу субстрату - є найоптимальнішою. 
1. Для ефективного метанового зброджування рекомендується попереднє 
подрібнення сировини до 30 мм, підтримання pH на рівні 6,5–8,5 та використання 
двох температурних режимів: мезофільного (37 °C) і термофільного (52 °C), що 
забезпечує оптимальний вихід біогазу та якісне біодобриво. 
2. Запропонована конструкція установки з шнековим і кавітаційним 
диспергатором є доступною за ціною та ефективною для фермерських господарств, 
забезпечуючи утилізацію відходів, виробництво біогазу (метану) та біодобрива. 
3. Розроблено математичну модель для оцінки параметрів подрібнення, 
швидкості виходу біогазу та росту мікроорганізмів, що дозволяє оптимізувати 
процес зброджування у різних температурних режимах. 
4. Створено програмне забезпечення в ІС Trace Mode для автоматизації 
управління основними параметрами біореакторів, що включає контроль 
температури, перемішування, подачу та відбір субстрату, а також розрахунок 
концентрації метану і СО₂ в біогазовій суміші. 
5. Оптимальні параметри процесу дозволяють збільшити вихід біогазу на 
30%, скоротити енерговитрати на нагрівання установки та підвищити економічну 
стійкість фермерських господарств.