Инженерные технологии и системы, 2021, том 31, № 3

Научный журнал
Основан в январе 1990 г.
Периодичность издания ‒  
4 раза в год

ISSN 2658-4123 (Print), 2658-6525 (Online)  

Vol. 31, no. 3. 2021

ИНЖЕНЕРНЫЕ

ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

ENGINEERING 

TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

DOI: 10.15507/2658-4123

Зарегистрирован в Федеральной службе по надзору в сфере связи,  

информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзоре), 

свидетельство ПИ № ФС77-74640 от 24.12.2018 г.

Подписной индекс – 70539

Founder and Publisher ‒ 

Federal State 

Budgetary Educational 

Institution  

of Higher Education 
“National Research  
Ogarev Mordovia 
State University”

The previous name until beginning of 2019: 

Mordovia University Bulletin

Founder, Publisher and Editorial House address: 

68/1 Bolshevistskaya St., Saransk 430005, 

Republic of Mordovia,  

Russian Federation

Tel/Fax: +7 8342 481424 

Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых должны быть 

опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата 

наук, на соискание ученой степени доктора наук (Перечень ВАК)

Индексируется и архивируется в Web of Science Core Collection (ESCI),  

Российском индексе научного цитирования (РИНЦ),  

а также EBSCO 

Является членом Directory of Open Access Journals (DOAJ),  

Open Access Scholarly Publishers Association (OASPA),  

Committee on Publication Ethics (COPE),  

Ассоциации научных редакторов и издателей (АНРИ) и CrossRef

Адрес учредителя, издателя и редакции:

430005, Российская Федерация,  

Республика Мордовия,  

г. Саранск, ул. Большевистская, д. 68/1

Тел./факс: +7 (8342) 48-14-24

Учредитель и издатель –  

федеральное государственное  
бюджетное образовательное  

учреждение высшего  

образования «Национальный  

исследовательский Мордовский  
государственный университет  

им. Н. П. Огарёва»

Предыдущее название (до 2019 года):  
Вестник Мордовского университета  

E-mail: vestnik_mrsu@mail.ru; http://vestnik.mrsu.ru

Scientific journal

Founded in January 1990

Periodicity:  

Quarterly

DOI: 10.15507/2658-4123.031.202103  

Том 31, № 3. 2021

© ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», 2021

16+

 Том 31, № 3. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Научный журнал «Инженерные технологии и системы» 

публикует оригинальные научные статьи (Full Articles) на русском и английском 
языках, ранее не публиковавшиеся в других изданиях. Миссия заключается в публикации результатов научных исследований, способствующих развитию науки 
в области инженерных систем и технологий.

Журнал адресован исследователям, аналитикам и практикам в области физики 

и сельскохозяйственного производства, а также широкому кругу читателей, интересующихся проблемами технических наук.

Редакция журнала осуществляет научное рецензирование (двустороннее сле
пое) всех поступающих статей. Рукопись статьи направляется на рецензирование 
для оценки ее научного содержания нескольким ведущим специалистам соответствующего профиля, имеющим научную специализацию, наиболее близкую к тематике статьи.

Редакция журнала реализует принцип нулевой толерантности к плагиату. Мо
ниторинг некорректного цитирования осуществляется с помощью систем «Антиплагиат» и CrossCheck.

Распространение – Российская Федерация, зарубежные страны.
Журнал предоставляет открытый доступ к полным текстам публикаций, исходя 

из следующего принципа: открытый доступ к результатам исследований способствует увеличению глобального обмена знаниями.

Журнал включен в Перечень рецензируемых научных изданий, в которых 

должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора наук по 
научным специальностям и соответствующим им отраслям науки:

01.03.02 Приборы и методы экспериментальной физики
01.03.06 Оптика
01.03.13 Электрофизика, электрофизические установки
04.03.01 Технологии, машины и оборудование для агропромышленного комплекса
04.03.02 Электротехнологии, электрооборудование и электроснабжение агро
промышленного комплекса

Журнал индексируется и архивируется в базах данных:

Web of Science Core Collection (ESCI)

Российском индексе научного цитирования (РИНЦ)

EBSCO

Журнал является членом Open Access Scholarly Publishers Association (OASPA), 

Directory of Open Access Journals (DOAJ), Committee on Publication 

Ethics (COPE), Ассоциации научных редакторов и издателей (АНРИ), CrossRef 

и международного сообщества рецензентов Publons 

Материалы журнала доступны по лицензии Creative Commons “Attributionˮ  

(«Атрибуция») 4.0 Всемирная

Vol. 31, no. 3. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

The scientific journal Engineering Technologies and Systems 

publishes original scientific articles (full articles) in Russian and English, which 
have not been previously published in other publications. The mission of the journal is to publish research results that contribute to the advancement of knowledge 
in area of engineering systems and technology. 

The journal is addressed to researchers, analysts and practitioners in the fields 

of physics and agricultural production, as well as readers interested in engineering 
problems.

The Editorial Board reviews (double-blind review) all incoming papers. The 

manuscript of the article is sent for review to several leading specialists of the corresponding profile, who have scientific specialization closest to the subject of the 
article, to evaluate the scientific content. 

The Editorial Board follows the principle of zero tolerance to plagiarism. The 

incorrect citations shall be monitored with the help of Antiplagiat and CrossCheck 
systems.

The journal is distributed in Russian Federation and other countries of the world.
The journal offers direct open access to full-text issues based on the following 

principle: open access to research results contributes to the global knowledge 
sharing. 

The journal is included in the List of the leading peer-reviewed scientific jour
nals and publications, where basic scientific results of dissertations for the degree 
of Doctor and Candidate of Sciences should be published for scientific specialties 
and branches of science:

Instruments and Methods of Experimental Physics
Optics
Electrophysics, Electrophysical Installations
Technologies, Machinery and Equipment for Agro-Industries
Electrotechnics, Electrical Equipment and Power Supply in Agro-Industries
 

The journal is indexed and archived by databases:

Web of Science Core Collection (ESCI)

Russian Index of Science Citations

EBSCO

The journal is a member of Open Access Scholarly Publishers Association (OASPA), 

Directory of Open Access Journals (DOAJ), Committee on Publication 

Ethics (COPE), Association of Scientific Editors and Publishers (ASEP), CrossRef  

and the international community of reviewers Publons

All the materials of the “Engineering Technologies and Systems” journal are available 

under Creative Commons “Attribution” 4.0 license

 Том 31, № 3. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

РЕДАКЦИОННАЯ КОЛЛЕГИЯ

Вдовин Сергей Михайлович – главный редактор, ректор ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», 
кандидат экономических наук, доцент, ORCID: 0000-0001-7363-1389, rector@adm.mrsu.ru (Саранск, 

Российская Федерация)

Сенин Пётр Васильевич – заместитель главного редактора, проректор по научной работе  

ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», доктор технических наук, профессор,  

ORCID: 0000-0003-3400-7780, vice-rector-innov@adm.mrsu.ru (Саранск, Российская Федерация)
Гордина Светлана Викторовна – ответственный секретарь, член Европейской ассоциации 
научных редакторов (EASE), кандидат педагогических наук, ORCID: 0000-0003-2265-418X,  

vestnik_mrsu@mail.ru (Саранск, Российская Федерация)

Аллахвердиев Сурхай Рагим оглы – академик Российской Академии Естествознания, профессор 

кафедры экологии и природопользования ФГБОУ ВО «Московский педагогический государственный 
университет» (Москва, Российская Федерация); профессор кафедры лесной индустрии Бартынского 

государственного университета, доктор биологических наук (Бартын, Турция)

Булгаков Алексей Григорьевич – профессор кафедры промышленного и гражданского строительства 

ФГБОУ ВО «Юго-Западный государственный университет» (Курск, Российская Федерация); 

профессор строительного факультета Дрезденского технического университета, доктор технических 

наук, ORCID: 0000-0003-4261-9840 (Дрезден, Германия) 

Димитров Валерий Петрович – заведующий кафедрой управления качеством ФГБОУ ВО «Донской 

государственный технический университет», доктор технических наук, профессор,  

ORCID: 0000-0003-1439-1674 (Ростов-на-Дону, Российская Федерация)

Ерофеев Владимир Трофимович – академик Российской академии архитектуры и строительных 
наук, декан архитектурно-строительного факультета ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», доктор 

технических наук, профессор, ORCID: 0000-0001-8407-8144 (Саранск, Российская Федерация)
Железникова Ольга Евгеньевна – директор Института электроники и светотехники ФГБОУ ВО «МГУ 

им. Н. П. Огарёва», кандидат технических наук, доцент, Scopus ID: 56362747600 (Саранск, Российская Федерация)

Игумнов Леонид Александрович – заведующий кафедрой теоретической, компьютерной 

и экспериментальной механики ФГАОУ ВО «Нижегородский государственный университет им. 
Н. И. Лобачевского», доктор физико-математических наук, профессор, ORCID: 0000-0003-3035-0119 

(Нижний Новгород, Российская Федерация)

Истомина Наталья Леонидовна – начальник отдела физических наук Российской академии 

наук, заместитель академика-секретаря по научно-организационной работе ОФН РАН; профессор 

кафедры управления инновациями ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный 

исследовательский университет)»; главный редактор научно-технического журнала «Фотоника», доктор 

физико-математических наук, ORCID: 0000-0001-6008-1226 (Москва, Российская Федерация)

Кечемайкин Владимир Николаевич – директор Рузаевского института машиностроения ФГБОУ ВО 

«МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат экономических наук, доцент (Саранск, Российская Федерация)

Котин Александр Владимирович – профессор кафедры механизации переработки 

сельскохозяйственной продукции ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва»,  

доктор технических наук, ORCID: 0000-0001-8235-0052 (Саранск, Российская Федерация)

Кусмарцев Федор Васильевич – декан физического факультета Университета Лафборо (Лафборо, 

Великобритания); профессор Колледжа искусств и наук Университета Халифы,  
кандидат физико-математических наук, Scopus ID: 7006372417 (Абу-Даби, ОАЭ)

Кухарев Олег Николаевич – ректор ФГБОУ ВО «Пензенский государственный аграрный университет», доктор 

технических наук, профессор, ORCID: 0000-0002-3519-4066 (Пенза, Российская Федерация)

Микаева Светлана Анатольевна – заведующий кафедрой электроники ФГБОУ ВО «МИРЭА – 

Российский технологический университет», доктор технических наук, доцент, Scopus ID: 8542764000 

(Москва, Российская Федерация)

Нищев Константин Николаевич – директор Института физики и химии ФГБОУ ВО  

«МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат физико-математических наук, доцент,  

ORCID: 0000-0001-7905-3700 (Саранск, Российская Федерация)

Прытков Юрий Николаевич – директор Аграрного института ФГБОУ ВО «МГУ  

им. Н. П. Огарёва», доктор сельскохозяйственных наук, профессор (Саранск, Российская Федерация)
Рябочкина Полина Анатольевна – научный руководитель лаборатории оптической спектроскопии 
лазерных материалов ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарёва», доктор физико-математических наук, 

профессор, ORCID: 0000-0001-8503-8486 (Саранск, Российская Федерация)

Салем Абдель-Бадех Мохамед ‒ руководитель Исследовательских лабораторий в области 

искусственного интеллекта и знаний, профессор факультета компьютерных и информационных наук 

университета Ain Shams, доктор наук в области компьютерных технологий,  

заслуженный профессор, ORCID: 0000-0003-0268-6539 (Каир, Египет)

Скрябин Владимир Александрович – профессор кафедры технологий и оборудования 

в машиностроении ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», доктор технических наук,  

ORCID: 0000-0001-7156-9198 (Пенза, Российская Федерация)

Чучаев Иван Иванович – декан факультета математики и информационных технологий ФГБОУ ВО  
«МГУ им. Н. П. Огарёва», кандидат физико-математических наук, доцент (Саранск, Российская Федерация)

Шишелова Тамара Ильинична ‒ профессор кафедры физики ФГБОУ ВО «Иркутский 
национальный исследовательский технический университет», доктор технических наук,  

Scopus ID: 6507978465 (Иркутск, Российская Федерация)

Ямашкин Анатолий Александрович – декан географического факультета ФГБОУ ВО «МГУ 

им. Н. П. Огарёва», доктор географических наук, профессор, ORCID: 0000-0001-9995-8371 (Саранск, 

Российская Федерация)

Vol. 31, no. 3. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

EDITORIAL BOARD

Sergey M. Vdovin – Editor-in-Chief, Rector of National Research Mordovia State University, Cand.Sc. 

(Econ.), Associate Professor, ORCID: 0000-0001-7363-1389, rector@adm.mrsu.ru (Saransk, Russian 

Federation)

Petr V. Senin – Deputy Editor-in-Chief, Vice-Rector for Science and Research, National Research 

Mordovia State University, D.Sc. (Engr.), Professor, ORCID: 0000-0003-3400-7780,  

vice-rector-innov@adm.mrsu.ru (Saransk, Russian Federation)

Svetlana V. Gordina – Executive Editor, Member of European Association of Science Editors (EASE),  
Cand.Sc. (Ped.), ORCID: 0000-0003-2265-418X, vestnik_mrsu@mail.ru (Saransk, Russian Federation)

Surhay Allahverdi – Academician of the Russian Academy of Natural Sciences, Professor of the Ecology 

and Nature Management Chair, Moscow Pedagogical State University (Moscow, Russian Federation); 

Head of the Forest Industry Chair, Bartin University, D.Sc. (Biol.) (Bartin, Turkey)

Aleksey G. Bulgakov – Professor of the Chair of Industrial and Civil Engineering, Southwest State 

University (Kursk, Russian Federation); Professor of Faculty of Civil Engineering, Dresden University of 

Technology, D.Sc. (Engr.), ORCID: 0000-0003-4261-9840 (Dresden, Germany)

Ivan I. Chuchayev – Dean of the Mathematics and Information Technology Faculty, National Research 
Mordovia State University, Cand.Sc. (Phys.-Math.), Associate Professor (Saransk, Russian Federation)

Valeriy P. Dimitrov – Head of the Chair of Quality Management, Don State Technical University,  

D.Sc. (Engr.), Professor, ORCID: 0000-0003-1439-1674 (Rostov-on-Don, Russian Federation)

Leonid A. Igumnov – Head of the Numerical Simulation of Theoretical, Computer and Experimental 
Mechanics Chair, Lobachevsky State University of Nizhniy Novgorod, D.Sc. (Phys.-Math.), Professor, 

ORCID: 0000-0003-3035-0119 (Nizhniy Novgorod, Russian Federation)

Natalia L. Istomina – Head of Physical Sciences Department, Russian Academy of Sciences, Deputy 
of Academic Secretary for Scientific and Organizational Work; Professor of the Innovation Management 

Chair, Moscow Aviation Institute (National Research University); Editor-in-Chief, Photonics Russia, 

D.Sc. (Phys.-Math.), ORCID: 0000-0001-6008-1226 (Moscow, Russian Federation)

Vladimir N. Kechemaykin – Director of the Ruzaevka Institute of Mechanical Engineering, National 

Research Mordovia State University, Cand.Sc. (Econ.), Associate Professor (Saransk, Russian Federation)
Aleksandr V. Kotin – Professor of the Chair of Mechanization of Agricultural Production Processing, 
National Research Mordovia State University, D.Sc. (Engr.), ORCID: 0000-0001-8235-0052 (Saransk, 

Russian Federation)

Fedor V. Kusmartsev – Head of Physics Department, Loughborough University (Loughborough,  
Great Britain); Professor of College of Art and Science, Khalifa University, Ph.D. (Phys.-Math.),  

Scopus ID: 7006372417 (Abu Dhabi, UAE)

Oleg N. Kukharev – Rector of Penza State Agrarian University, D.Sc. (Engr.), Professor,  

ORCID: 0000-0002-3519-4066 (Penza, Russian Federation)

Svetlana A. Mikayeva – Head of the Еlectronics Chair, MIREA – Russian Technological University, 

D.Sc. (Engr.), Associate Professor, Scopus ID: 8542764000 (Moscow, Russian Federation)

Konstantin N. Nishchev – Director of Institute of Physics and Chemistry, National Research Mordovia 

State University, Cand.Sc. (Phys.-Math.), Associate Professor, ORCID: 0000-0001-7905-3700  

(Saransk, Russian Federation)

Yuriy N. Prytkov – Director of Institute of Agriculture, National Research Mordovia State University, 

D.Sc. (Agric.), Professor (Saransk, Russian Federation)

Polina A. Ryabochkina – Scientific Director of the Laboratory of Optical Spectroscopy of Laser Materials, 
National Research Mordovia State University, D.Sc. (Phys.-Math.), Professor, ORCID: 0000-0001-8503-8486 

(Saransk, Russian Federation)

Abdel-Badeeh M. Salem ‒ Head of Artificial Intelligence and Knowledge Engineering Research Labs, 

Professor of Faculty of Computers and Information Sciences, Ain Shams University,  

D.Sc. (CS), Emeritus Professor, ORCID: 0000-0003-0268-6539 (Cairo, Egypt)

Tamara I. Shishelova ‒ Professor of the Physics Chair, Irkutsk National Research Technical University, 

D.Sc. (Engr.), Scopus ID: 6507978465 (Irkutsk, Russian Federation)

Vladimir A. Skryabin – Professor of the Chair of Technology and Equipment in Mechanical Engineering, 

Penza State University, D.Sc. (Engr.), ORCID: 0000-0001-7156-9198 (Penza, Russian Federation)

Anatoliy A. Yamashkin – Dean of Geography Faculty, National Research Mordovia State University, 

D.Sc. (Geog.), Professor, ORCID: 0000-0001-9995-8371 (Saransk, Russian Federation)

Vladimir T. Yerofeev – Academician of the Russian Academy of Architecture and Construction Sciences, 

Dean of Architectural and Civil Engineering Faculty, National Research Mordovia State University, 

D.Sc. (Engr.), Professor, ORCID: 0000-0001-8407-8144 (Saransk, Russian Federation)

Olga Ye. Zheleznikova – Director of Institute of Electronics and Light Engineering, National Research 

Mordovia State University, Cand.Sc. (Engr.), Associate Professor, Scopus ID: 56362747600  

(Saransk, Russian Federation)

 Том 31, № 3. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

СОДЕРЖАНИЕ

ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ

Караева Ю. В., Тимофеева С. С. Возможности получения биогаза из навоза и амаранта  

(на англ. яз.)  ........................................................................................................................................... 336

Плотников С. А., Карташевич А. Н., Мотовилова М. В. Оценка показателей процесса 

сгорания и тепловыделения в дизеле с предварительным подогревом топлива ............................349

Димитров В. П., Борисова Л. В., Хубиян К. Л. Моделирование знаний в задаче поиска 

причин неисправностей ........................................................................................................................364

ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВА МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО 

ХОЗЯЙСТВА

Дорохов А. С., Сибирёв А. В., Аксенов А. Г., Мосяков М. А. Результаты  

лабораторных исследований просеваемости почвы пруткового элеватора с асимметричным 
расположением встряхивателей и регулируемым углом наклона полотна ..................................... 380

Савин В. Ю. Исследование очесывающего аппарата устройства для уборки зерновых 

культур как колебательной системы .................................................................................................... 403

Саитов А. В., Сысуев В. А., Саитов В. Е. Исследование погружения зерна потоком 

в жидкость различной плотности методами планирования эксперимента ........................................ 414

ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ 

В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ

Жачкин С. Ю., Завражнов А. И., Пеньков Н. А., Мартынов А. В., Задорожний Р. Н. 

Оценка модуля упругости композитных гальванических покрытий при их послойном  
осаждении ............................................................................................................................................... 430

Николенко С. В., Коневцов Л. А., Гордиенко П. С., Панин Е. С., Величко С. А.  

Влияние добавки хрома и режимов при электроискровом легировании алюмоматричным  
анодным материалом стали 45 .............................................................................................................. 449

Ракутько С. А., Ракутько Е. Н. Оценка равномерности поверхностного распределения 

потока излучения как фактора энергоэффективности светокультуры ............................................... 470

Информация для авторов и читателей (на рус. яз.).............................................................487
Информация для авторов и читателей (на англ. яз.).........................................................489

http://vestnik.mrsu.ru
DOI: 10.15507/2658-4123.031.202103

ISSN Print 2658-4123

ISSN Online 2658-6525 

Vol. 31, no. 3. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

http://vestnik.mrsu.ru
DOI: 10.15507/2658-4123.031.202103

CONTENTS

PROCESSES AND MACHINES  

OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Karaeva J. V., Timofeeva S. S. Possibilities of Obtaining Biogas from Manure and  

Amaranth .................................................................................................................................................. 336

Plotnikov S. A., Kartashevich A. N., Motovilova M. V. Evaluation of Combustion Performance  

and Heat Release in Preheated Fuel Consumed Diesel Engines ..............................................................349

Dimitrov V. P., Borisova L. V., Hubiyan K. L. Knowledge Modeling in Troubleshooting ....... 364

TECHNOLOGIES AND MEANS 

OF AGRICULTURAL MECHANIZATION

Dorokhov A. S., Sibirev A. V., Aksenov A. G., Mosyakov M. A. Results of Laboratory  

Studies of Soil Sifting in a Rod Elevator with Asymmetric Arrangement of Web Agitators and 
Adjustable Elevator Apron Angle............................................................................................................ 380

Savin V. Yu. Study of a Stripper Header for Grain Harvesting as a Vibrating System ................ 403
Saitov A. V., Sysuev V. A., Saitov V. E. Studying Grain Flow Immersion into Liquids of Various 

Densities Based on the Methods of Experiment Design .......................................................................... 414

ELECTROTECHNOLOGIES AND ELECTRICAL EQUIPMENT  

IN AGRICULTURE

Zhachkin S. Yu., Zavrazhnov A. I., Penkov N. A., Martynov A. V., Zadorozhny R. N. 

Estimation of the Elasticity Modulus of Composite Electroplated Coatings during Their  
Layer-by-Layer Deposition ...................................................................................................................... 430

Nikolenko S. V., Konevtsov L. A., Gordienko P. S., Panin E. S., Velichko S. A. Effect  

of Chromium Addition and Regimes during Electrospark Alloying with Aluminum Matrix Anode 
Material of Steel 45 ................................................................................................................................. 449

Rakutko S. A., Rakutko E. N. Assessment of Lighting Uniformity as a Factor of Energy 

Efficiency in Greenhouse Horticulture .................................................................................................... 470

Information for Authors and Readers of the Journal (in Russian)............................................487
Information for Authors and Readers of the Journal (in English)..............................................489

ISSN Print 2658-4123

ISSN Online 2658-6525

Том 31, № 3. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Original article

Possibilities of Obtaining Biogas from Manure and 
Amaranth

J. V. Karaeva*, S. S. Timofeeva
Institute of Power Engineering and Advanced Technologies, FRC 
Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences  
(Kazan, Russian Federation)

*julieenergy@list.ru

Introduction. The use of biomass allows increasing the rate of biogas formation and its 
specific yield. This work aims to study the kinetics of methanogenesis and determine the 
optimal duration of digestion and organic load, which are the main indicators of the technological process of biogas formation.
Materials and Methods. The substrate (dairy manure, biomass of amaranth) was the study 
object. Experimental studies were carried out using a laboratory biogas plant. The computer program (certificate No. 2018662045) was used to obtain modified Gompertz models describing the kinetics of biogas formation. Based on the obtained data, the hydraulic 
retention time and organic loading rate (the key parameters in the design of biogas plants 
were determined).
Results. The paper presents the experimental studies results of the biogas formation kinetics when using dry amaranth biomass. The Gompertz mathematical models were obtained. Methane-tank control parameters (hydraulic retention time and organic loading 
rate) were obtained for anaerobic digestion of a new substrate.
Discussion and Conclusion. The use of new co-substrate Amaranthus retroflexus L. allowed increasing the specific biogas yield from dairy manure by 52.2 % and the ultrasonic 
pre-treatment in combination with the herbal supplement by 89.1 %. The optimal hydraulic retention time value was 10 days and organic loading rate was 4.1 kg of volatile solids 
per m3 of digester per day. 

Keywords: biogas, co-digestion, dairy manure, biomass, hydraulic retention time, amaranth 

Conflict of interest: The authors declare no conflict of interest.

For citation: Karaeva J.V., Timofeeva S.S. Possibilities of Obtaining Biogas from Manure 
and Amaranth. Inzhenernyye tekhnologii i sistemy = Engineering Technologies and Systems. 
2021; 31(3):336-348. DOI: https://doi.org/10.15507/2658-4123.031.202103.336-348

УДК 63.620.95
DOI: 10.15507/2658-4123.031.202103.336-348

http://vestnik.mrsu.ru
ISSN Print 2658-4123

ISSN Online 2658-6525 

© Karaeva J. V., Timofeeva S. S., 2021 

 Контент доступен по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 License.
 This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.

ПРОЦЕССЫ И МАШИНЫ 

АГРОИНЖЕНЕРНЫХ СИСТЕМ /

PROCESSES AND MACHINES

OF AGROENGINEERING SYSTEMS

Vol. 31, no. 3. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

Processes and machines of agroengineering systems

Оригинальная статья

Возможности получения биогаза из навоза 
и амаранта

Ю. В. Караева*, С. С. Тимофеева
Институт энергетики и перспективных технологий ФИЦ 
«Казанский научный центр РАН» (г. Казань, Российская 
Федерация)

*julieenergy@list.ru

Введение. Использование биомассы позволяет увеличивать скорость образования 
биогаза и его удельный выход. Целью данной работы является исследование кинетики метаногенеза и определение оптимальной продолжительности сбраживания 
и органической нагрузки как главных показателей технологического процесса образования биогаза.
Материалы и методы. Объектом исследования являлся субстрат (коровий навоз, 
биомасса амаранта). Экспериментальные исследования проводились на лабораторной биогазовой установке. Для получения модифицированных моделей Гомперца, 
описывающих кинетику образования биогаза, использовалась программа для ЭВМ 
(свидетельство № 2018662045). На основе полученных данных определялись время 
пребывания субстрата в метантенке и доза загрузки (ключевые параметры при проектировании биогазовых установок).
Результаты исследования. В работе представлены результаты экспериментальных 
исследований кинетики образования биогаза при использовании сухой биомассы 
амаранта. Получены математические модели Гомперца. Найдены показатели для 
контроля метантенка (время пребывания субстрата в метантенке и доза загрузки) 
для анаэробного сбраживания нового субстрата.
Обсуждение и заключение. Использование нового дополнительного субстрата 
Amaranthus retroflexus L. позволило увеличить удельный выход биогаза из коровьего 
навоза на 52,2 %, а предварительная обработка ультразвуком, в сочетании с травяной добавкой, – на 89,1 %. Оптимальное значение времени пребывания субстрата 
в метантенке составило 10 дней, доза загрузки ‒ 4,1 кг органического сухого вещества на 1 м3 аппарата в день. 

Ключевые слова: биогаз, метановое сбраживание, коровий навоз, биомасса, время 
пребывания субстрата, амарант

Конфликт интересов: авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования: Караева, Ю. В. Возможности получения биогаза из навоза и амаранта / Ю. В. Караева, С. С. Тимофеева. – DOI 10.15507/2658-4123.031.202103.336-348 // 
Инженерные технологии и системы. – 2021. – Т. 31, № 3. – С. 336–348.

Introduction
Sustainable development requires a sys
tematic approach to solving the problem of 
organic waste recycling. At the moment, 
many technologies have been developed to 
reduce environmental pollution. However, 
in the application of methods for organic 
waste recycling, Russia has not yet reached 
the modern world level. Up to 250 million 
tons of organic waste is accumulated annually, a significant part of which decomposes 

in an open environment, posing a serious 
threat to nature and humans.

The use of improved technologies and 

also the joining of various technologies 
for organic waste recycling contribute to 
the development of a “circular economy” 
and an increase in the efficiency of resource use [1–3].

At present, a combined technology, in
cluding anaerobic digestion (AD) and pyrolysis (Py), is of particular interest [4; 5]. 

Том 31, № 3. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Процессы и машины агроинженерных систем  

It allows implementing a full cycle of organic waste recycling.

Three types of process integration are 

known [6]:

– AD-Py. Anaerobic digestate is used 

for pyrolysis as a valuable feedstock material for energy and biochar production; 

– Py-AD. Pyrolysis products such as 

biochar, gas, aqueous phase can be suitable feedstock or effective additives for 
the AD process; 

– AD-Py-AD combines the two previ
ous methods.

Figure 1 shows the AD-Py technology 

combining biological and thermochemical processes. Livestock waste and plant 
biomass are sent for anaerobic digestion. 
The resulting biogas is used for energy 
production. The effluent is separated and 
dried, followed by thermochemical processing [3]. Synthesis gas and pyrolysis 
liquid are used as energy resources. Char 
residue is a good soil additive used to increase biomass yields [7]. The biomass is 
then used as feedstuff in livestock, and its 
waste is again sent for anaerobic digestion.

Such technologies are poorly studied 

since they include two processes: methanogenesis and thermochemical processing [8; 9]. This paper presents the experimental studies results of the first key 
process – anaerobic digestion of dairy 
manure and dry biomass of the weed plant 
Amaranthus retroflexus L. [10]. The description of the second process – the thermochemical processing of the effluent – is 
presented in another publication of the authors [10].

Several parameters influence the per
formance and biogas production for anaerobic digestion, but especially the organic loading rate (OLR) [11–13] and the 
hydraulic retention time (HRT) [14; 15]. 
Reactor control is based on OLR and 
HRT values [16]. The Modified Gompertz 
model is often used in practical applications to optimize process parameters for 
improving the design of the methane tank 
and the entire technology as a whole [15].

Some experimental studies were car
ried out in the laboratory of energy systems and technologies of the Institute of 

F i g. 1. The AD-Py technology

Vol. 31, no. 3. 2021
ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS

Processes and machines of agroengineering systems

Power Engineering and Advanced Technologies of the Kazan Scientific Center 
of the Russian Academy of Sciences to 
obtain a modified Gompertz model, reactor control indicators (HRT and OLR) for 
anaerobic digestion of a new substrate.

The aim of this study is the applica
bility of co-digestion of manure and amaranth biomass for improving methane production at the mesophilic temperature. 

Literature Review
Anaerobic digestion of biomass (or
ganic agricultural and domestic wastes) 
has a special place in energetics. It allows you to obtain biogas containing 
about 70 % methane, and disinfected 
organic fertilizers. Biomass utilization 
is extremely important in agriculture, 
where a large amount of fuel is spent on 
various technological needs, and the need 
for high-quality fertilizers is continuously 
increasing [17]. 

The total cow number in Russia is 

8.3 million animal units. Thus annually 
more than 166.7 million tons of manure 
is accumulated in the region near livestock farms and poses a serious environmental threat. Besides, there is a tendency 
to increase the size of farms and reduce 
their total number. For example, in the 
Republic of Tatarstan (region of Russia), 
there are 11 megafarms, that are the largest in Europe.

Biogas production from dairy manure 

is unprofitable because of the low specific 
biogas yield [18]. Some researchers propose co-digestion to eliminate this problem [18–20]. The most popular co-substrates at biogas plants are maize, wheat 
straw, and grass [21–24].

Combined treatment of several sub
strates under AD can increase the efficiency of biogas production. The synergistic effect is achieved by the fact that the 

necessary microelements and nutrients 
contained in substrates in different quantities reach their optimal values under the 
correct combination [25]. At co-digestion, 
it is also possible to regulate the C/N ratio, 
which promotes better biological decomposition of organic waste and, accordingly, increases the biogas yield [26; 27]. 

Biogas is a promising renewable ener
gy source that is why the search for suitable 
substrates is at the center of attention. During the period from 2009 to 2018, biogas 
production in the world doubled and continues to grow [28]. In European countries, 
70 % of substrates for biogas production 
come from the agro-industrial complex and 
include manure and crop waste1.

Plants of the Amaranth family are 

promising co-substrates for a significant 
increase in the rate of methanogenesis and 
the amount of produced biogas [29]. Thus, 
in earlier studies, it was proved that the 
biomass of plants from the Amaranthaceous family is a co-substrate for anaerobic digestion. But since cultivar amaranth 
is an expensive raw material, it was necessary to continue the search for affordable and cost-effective methanogenesis 
stimulating agents. In the present work, an 
experiment with biomass of Amaranthus 
retroflexus L. the closest wild-growing 
relative of amaranth was conducted.

Materials and Methods
The substrate (dairy manure, biomass 

of amaranth) was the object of the study. 
It was stored for two days in a refrigerator 
at 4 °C. 

Amaranthus retroflexus L. and Ama
ranthus cruentus L. were gathered in the 
dissemination phase at the field in the Republic of Tatarstan (Russia). 

The co-digestion process was stu
died in the laboratory experimental setup consisting of an LB-162 water bath, 

1 Calderon C., Colla M., Jossart J.-M., et al. Statistical Report: Biogas. 2019. 23 р. Available at: 

https://www.europeanbiogas.eu/wp-content/uploads/2020/01/EBA-AR-2019-digital-version.pdf (accessed 
22.03.2021). (In Eng.)

Том 31, № 3. 2021
ИНЖЕНЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И СИСТЕМЫ

Процессы и машины агроинженерных систем  

0.5 l anaerobic digesters, plastic containers, measuring cylinders, a system of rubber hoses, ultrasonic technological apparatus of the Series “Wave” 
UZTA-0.2/22 Ohm (Fig. 2).

The experiments were carried out in 

three repetitions; a thermostatic water 
bath maintained a mesophilic temperature (37 °C).

The volume of produced biogas was 

determined daily [29]. The composition 
of the gas was determined every 7 days 
in two repetitions by gas-liquid chromatography. Biogas was sampled using 
a 1 000 µl gas-tight syringe. Khrom 5 gas 
chromatograph (Austria), Porapak Q column (2.4 m long), thermal conductivity 
detector and gas carrier. He were used for 
this purpose. 

     

F i g. 2. Experimental set-up

The following substrates compositions 

were used in the experiments (table 1).

Pre-treatment was carried out for 

4 minutes using the ultrasonic device with 
the power of 80 W at an oscillation frequency of 22 kHz and an exposure intensity of at least 10 W/cm2.

The experiments were considered 

complete “when the daily biogas yield 
was less than 1 % of the cumulative gas 
yield for three days” [30]. The experiment 
lasted 55 days. For sample No. 1 (control), 
the digestion period was 37 days. For other 
samples, it was 55 days. The analysis of 
biogas yield kinetics was normalized by 
pressure (P = 101.3 kPa) and temperature 
(T = 0 °С). 

Elemental 
analysis 
of 
the 
stu
died samples was carried out using the 

T a b l e 1

Composition of samples for experiments

Sample
Dairy manure 

mass, g

Biomass 
additive

Biomass / 

Manure ratio
Total volatile solids, g VS∙L–1
Ultrasonic 

pre-treatment

No. 1
80
–
–
40.4
no

No. 2
48
Amaranthus 
retroflexus L.
1:8
40.9
no

No. 3
48
Amaranthus 
retroflexus L.
1:8
40.9
yes

No. 4
48
Amaranthus 
cruentus L.
1:8
40.9
yes