沼气研究软件：测量和预测甲烷产量的工具

SoftwareX 7（2018）205原始软件出版物沼气研究软件：测量和预测甲烷产量的工具萨莎·D Hafnera，*，Konrad Kochb，Hélène Carrerec，Sergi Astalsd，Sören Weinriche，夏洛特·伦尼特fa芬兰奥胡斯大学工程系，邮编12，8200 Aarhus N，b慕尼黑工业大学城市水系统工程系主任，地址：Am Coulombwall 3，85748 Garching，GermanycLBE，University of Montpellier，INRA，11100 Narbonne，Franced澳大利亚昆士兰大学高级水管理中心，布里斯班，昆士兰州4072e生物化学转化部，DBFZ Deutsches Biomasseforschungszentrum gemeinnützige GmbH，Torgauer Str. 116，04347莱比锡，德国地址：Campusvej 55，5230 Odense M，Denmarkar t i cl e i nf o文章历史记录：2018年1月3日收到2018年6月27日收到修订版，2018年保留字：厌氧消化生化甲烷势数据处理微生物化学计量学a b st ra ct通过厌氧消化从有机材料生产沼气既是一项成熟的技术，也是一个活跃的研究领域在这方面的贡献，我们描述了一个R包，旨在帮助标准化沼气研究。基于Web的应用程序提供对主要功能的访问。该软件可用于从一系列沼气测量类型中准确计算生化甲烷势（BMP）。此外，甲烷潜力可以预测从基板组成，促进实验设计和结果的解释通过提供对灵活、高效、标准化和透明算法的访问，该软件可以使沼气研究更加准确和高效。版权所有©2018作者.由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）中找到。代码元数据当前代码版本1.10.3用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://CRAN.R-project.org/package=biogas法律代码许可证GPL-2使用git的代码版本控制系统软件代码语言、工具和服务使用R不需要编译; Windows、Mac OSX、Linux如果可用，链接到开发人员文档/手册https://cran.r-project.org/web/packages/biogas/biogas.pdf问题支持电子邮件sasha. eng.au.dk1. 动机和意义厌氧消化是一种稳定有机物和生产可再生能源的成熟技术能量以沼气（甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的混合物）的形式回收，沼气生产的优化是一个活跃的研究领域[1]。厌氧消化的研究包括实验室和中试* 通讯作者。电子邮件地址：sasha. eng.au.dk（S.D. Hafner）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2018.06.005作为理论计算和过程建模。实验室实验用于确定从特定基质中可以获得多少CH4，或研究特定处理的效果[2，3]。许多这些实验使用生化甲烷潜力（BMP）测试，以估计可以获得的最大数量的CH4使用一系列简单计算将实验室测量值转换为BMP [4]。虽然概念上很简单，但各组之间的计算方法不同，并且很少在出版物中详细描述，导致缺乏重现性，结果中存在系统性偏倚的可能性很高许多组使用自定义电子表格模板进行计算。2352-7110/©2018作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx206S.D. Hafner等人/SoftwareX 7（2018）205可以使用底物组成（简单的化学计量）预测CH4的产生，但涉及多个步骤[5]。快速进行这些计算的简单方法在这篇文章中，我们描述了一个解决这些问题和需求的R环境包[6]：沼气包[7]。2. 软件描述沼气包采用R语言编写，可直接在R环境中使用。这个包的核心是一组十个函数，需要一定的R语言熟练程度才能使用。然而，一个名为OBA的基于Web的接口（来自OnlineBio GasA pp，https：//biotransformers.shinyapps.io/oba1/）提供对主要功能的访问，尽管灵活性较低。2.1. 软件构架软件包功能可分为三组：（1）用于通用转换和计算的基本矢量化功能，（2）两个用于计算BMP或类似实验室测量结果的数据处理功能，（3）用于预测CH4产量的功能。2.2. 软件功能2.2.1. 基本功能七个功能（表1）有助于数据处理和实验设计，并由数据处理功能使用（第2.2.2节）。大多数执行输入向量（第一个参数）的转换而且大多数都包含可选参数，这使得它们既灵活又方便。函数用于将测量的气体体积或压力转换为对应的标准体积。至固定量（44.72 mmol或717.4 mg CH/L，表1沼气包的基本功能。操作功能计算化合物calcCOD的需氧量（）插值合成等。interp（）根据质量损失mass2vol（）计算化合物的摩尔质量molMass（）标准化气体体积标准根据沼气体积vol2mass（）将气体体积转换为摩尔vol2mol（）“正常材料”）。这两个函数都依赖于一个隐藏函数（readFormula（））来读取化学公式。可以使用interp（）对沼气成分、累积产量或任何其他变量进行插值，它为stats包中的线性插值和样条函数提供了一个简单的集成接口[6]。2.2.2. 沼气数据处理功能根据实验室数据计算BMP（或沼气产量的相关测量）依次使用两个函数：cumBg（）（用于累计生物量）和summBg（）（用于汇总生物量）。它们的使用需要对BMP实验的设计有一定的了解[4，14，15]。输入、输出和操作如图1所示。这些函数执行数据操作，对基本函数的调用执行必要的转换。输入数据通常由一个或两个数据文件组成（一旦在R环境中，数据帧），包含沼气量和成分的原始测量（分别为“沼气”和“成分”数据）（图1）。（1））。所有文件必须包含唯一的密钥，以识别单个瓶。可以使用任何类型的文件，可以通过R读取（电子表格文件，制表符或逗号分隔的文本文件，以及其他）。电子表格便于数据输入，但使用文本文件导入数据更简单。测量数据和相关变量（如沼气测量温度）被传递给cumBg（）以计算沼气产量。输入和输出数据0的标准条件4◦C和1.0 atm，使用区间水平，意味着每个观测对应于一个测量间隔 计算的累积甲烷产量为vol2mol（）函数）。标准体积通常被称为正常体积，并且在出版物中给出，而没有关于标准化条件的细节。然而，由于术语的使用、水蒸气的校正和标准条件（IUPAC现在使用1 bar = 0.9869 atm [8]）的不一致性，谨慎的做法是简单地提供用于标准化的条件。沼气包中的标准条件默认为0° C和1.0 atm（101.325 kPa），但可由用户在功能调用中设置或全局设置。准确的标准化需要对水蒸气、压力和温度进行校正[9，10]。默认情况下，水蒸气含量基于饱和蒸气压，并使用Magnus形式方程[11]计算。 此功能可用于体积测量（通常为固定压力和可变体积）或测压测量（通常为固定体积和可变压力）。支持多个温度和压力单位（摄氏度、华氏度、K、大气压、千帕、巴等）。单位转换由隐藏函数unitConvert（）执行。两个函数在沼气质量和体积之间进行转换：mass2vol（）和vol2mass （）。这些功能用于沼气产量的重量测量（mass2vol（））和泄漏检查（vol2mass（））。vol2mol（）函数便于标准化为摩尔量，并基于NIST的摩尔体积数据[12]。考虑到基质能量含量的重要性，能够容易地确定任何基质的需氧量是有用的。calcCOD（）函数返回理论值（或“calcu-”lated’’ [函数的作用是：根据化学式计算摩尔质量原子量的内部数据库来自[13]（用于主要是一个中间对象，用于使用summBg（）计算BMP。然而，一些用户可以直接使用这些数据来研究动力学，对BMP感兴趣的用户可以通过绘制累积产量来检查CH4产量曲线的形状模型拟合和绘图任务目前可以使用其他软件包中的功能来执行测量可以是体积[16]、压力[16]、重量[9]或基于气相色谱法[17]。累积（沼气量是数据框中一行所代表的间隔结束时的总量）和间隔（沼气量仅是单个间隔期间产生的沼气量）数据均可由cumBg（）处理。对于大多数方法，有两种计算甲烷生产量的方法如果测量的CH4浓度被归一化，因此CH4和CO2浓度的总和是1，则计算可以基于离开每个瓶的气体体积[18]。对于绝对的CH4浓度，产量被确定为离开瓶的CH4体积和瓶顶部空间中的CH4这两种方法将得到相同的结果，如果顶空体积是准确的，沼气只包含CH4，CO2，H2 O和冲洗气体。输入数据的结构是灵活的：默认的长格式是最灵活的（因为不同瓶的采样时间可能不同），但当在固定时间进行测量时，宽格式更紧凑，并用于自动化AMPTS II系统（Bioprocess Control，Lund，Sweden）。计算BMP所需的最终数据文件（“设置”数据（图 1））是瓶级的，并且至 少 包含瓶密钥，S.D. Hafner等人/SoftwareX 7（2018）205207Fig. 1. 用于计算生物化学甲烷潜力（BMP）或来自沼气生产的实验室测量的类似结果的输入数据显示在左侧。基质或处理的描述（分组变量）、接种物的量和添加的基质质量（通常为挥发性固体（VS））。summBg（）使用瓶键将设置数据与累积沼气数据（从cumBg（）输出）合并。BMP的实际计算在其他地方描述[4，10，15]。评估BMP的时间可以被指定为数值（例如，30 d），设置为最大值，或者当CH4相对生产率在指定的持续时间内下降到截止值以下时自动选择（例如，<每日净累积量的1%，持续3天[15]）。最后一个选项被认为是最佳做法。或者，可以返回所有测量时间的BMP根据需要使用interp（）进行线性插值，以估计指定时间的CH4默认情况下，返回分组变量每个水平的平均值和标准最终BMP估计值中的总随机误差（标准差）可能包括底物质量测定、仅接种瓶的CH4产量和含底物瓶的CH4目前，使用cumBg（）通过模型拟合和外推计算BMP是不可能的，但是这可以使用来自其他包的现有函数来完成，并且沼气包的未来版本可能包括用于此任务的函数2.2.3. 预测甲烷产量的函数函数的作用是：根据底物的化学计量来估算甲烷的生成量在其最简单的用法中，该函数可用于确定具有已知化学式的定义底物的最大理论CH4势（有时称为复合物基质可以使用经验化学式或通过它们的大分子组成来描述，例如，碳水化合物、蛋白质和脂质的含量在内部，经验化学式由特定的大分子组成和各组分的固定化学式确定：碳水化合物为C 6 H 10 O 5[20]，C 4 H 6。一O一。蛋白质为2N[21]，脂质为C57 H104 O6 [20]。但是，用户可以指定其他公式。化学计量基于Eq.（13.5）在[5]中。其他输入参数可用于包括能量和生物质生产之间的基质分配、基质的有限降解以及溶液和沼气之间的CO2分配（基于[5]和[22]）。通过这些添加，该函数可用于估计连续反应器中的实际生物气产量和组成。3. 说明性实例包函数可以以多种方式使用。cumBg（）函数可以处理20多种不同类型的度量。大多数函数都是灵活的，包含可选参数。矢量化的基本函数利用矢量回收规则来促进广泛的操作。由于篇幅所限，本节仅列举少数有限的例子。有关更多详细信息，读者应参考其他地方提供的 在 线 补 充 材 料 和 文 档 （ 参 见 www.example.comwww.example.com上关于沼气包的参考手册和插图https://cran.r-project.org/package=biogas，以及https：//www.youtube.com/channel/UCxNGlwTnSkEa1GaFuAKM_3A ） 上 提供。3.1. 基本功能已知组成的葡萄糖、乙醇、棕榈酸和食物垃圾的需氧量（gO2/g底物）可通过下式计算：> calcCOD（c（“C6H12O6”，“H3CCH2OH”、“CH3（CH2）14COOH”、+“C14.25 H23.74 O7.16 N”））[1]1.065743 2.083876 2.870336 1.567671请注意化学公式规范的灵活性，这适用于接受公式的所有函数。在容积法中，沼气体积通常在瓶的温度下或在室温下测量，并且必须标准化才能使用。标准体积为100在20 ℃、35 ℃或55 ℃下测量的水蒸气饱和气体（mL）大气压（1 atm）由下式给出> std（100，temp = c（20，35，55），pres = 1）使用1个大气压的标准压力和0 ℃的标准温度对体积进行[1]电话：+86-020 - 8888888传真：+86-020 - 8888888在测压方法中，压力在观测值之间变化，但每个瓶子的气体体积是固定的。>标准压力（vol = 480，temp = 35，pres = c（102，220），unit.pres =“kPa”）采用标准压力101.325 kPa和标准温度0 ℃对体积进行标准化。[1]404.6011 899.9771注意kPa的使用，以及标准条件到新单位的自动转换3.2. BMP计算该实施例显示了从用AMPTS II系统（Bioprocess Control，Lund，Sweden）进行的数据文件和R代码可在补充材料（MMCS1和MMC S2）中找到。瓶仅含有接种物、接种物和纤维素、或接种物和特定类型的食物垃圾。详情见[23]。目的是确定食物垃圾的BMP，并包括纤维素作为阳性对照[15]。输入数据被输入到一个电子数据表（xlsx）文件中的两个数据帧中，并读入R中以给出两个输入数据帧。第一个数据框第二个纤维素），并且还包含加入到每个瓶中的接种物（湿质量）和底物（VS质量）的量。208S.D. Hafner等人/SoftwareX 7（2018）205表2BMP示例中使用的间隔级“biogas”数据文件的结构第2-5列其他瓶的第6-10列时间（h）time.h食物垃圾1fw1纤维素1细胞1空白1空白1食物垃圾2fw200000116.11410.219.5226.917.913.731.5...49932812923.8362.53233.650032812923.8362.53233.6注：在wide结构中，bottle键在header中（fw1，cell1等）。双标题对于单位或其他细节的记录很有用。任何顺序都可以用于行（以及，对于长结构和组合结构，列）。正确使用cumBg（）函数需要了解数据的性质和结构：1. 沼气测量使用什么方法？在这里，它是一种体积方法，值是累积的。数值已经标准化，由于CO2的去除，CH42. 区间级数据的结构是什么？在这里，测量以宽格式组织（表2）。(The ‘‘setup’’ data file should always have thesame struc- ture, with one row for each通过调用cumBg（）计算所有瓶的累积沼气产量。输出是一个数据框，其中所有原始列都在输入“生物气”数据框中然后，通过从总产量中减去接种物的CH4产量，并使用summBg（）将结果标准化为底物VS，可以使用累积CH4产量来计算BMP。当净相对甲烷生产率下降到3d累积的1%以下时（当=“1p3d”）[15]的数据在表3中给出。通过设置when =“meas”可以返回所有测量时间的估计值，并且show.obs = TRUE也将返回单个瓶的结果（图2）。在本例中，变异性较低，可接受-食物垃圾BMP的标准偏差约为平均值的4%，低于Holliger等人推荐的5%标准[15]。测得纤维素的BMP为理论最大值（413.7mL）g−1是predBg（）返回的值，它满足条件由Holliger等人推荐[15 ]第10段。（理论最大值的85-（软件用户可能更喜欢应用其他标准，例如，[10]）3.3. 甲烷势从这些食物垃圾中预计应该产生多少甲烷？ 通过营养分析，估算出C14H24O7N的经验化学式因此，理论最大CH4电位（mLg−1）可由下式确定：> predBg（形式=“C14H24O7N”）[1]553.1513将该电势与测量的BMP（表3）进行比较，显示BMP是最大理论电势的83%。CH4潜势也可以由需氧量计算，需氧量可以测量或计算.但使用化学公式提供了更多的信息。设置value =“all”返回附加输出。图二. 使用summBg（）计算所有测量时间（每瓶500）的纤维素和食物垃圾的甲烷产率（上图）和相对甲烷产率在顶部图中，黑线显示单个瓶的结果，灰色区域显示平均值±标准差。> predBg（“C14H24O7N”，value =“all”）形成质量摩尔质量摩尔CODhydro1 C14H24O7N 1318.339 0.0031413051.583218 0.353711fCH4 vCH4mCH4mCO2 1 0.5625553.1513 0.3968435 0.8467742输出包括底物质量（质量，g）、摩尔质量（mol.mass，gmol−1）和底物摩尔数（mol）、底物COD′（COD，g g−1）、反应中消耗的水质量（hydro，g）、反应产物中CH4的分数（CH4和CO2，包括保留在溶液中的无机碳，因此fCH 4不等于沼气组成，但请参阅帮助文件中的xCH 4以获得此值的估计值）、CH4的体积（vCH 4，在1 atm压力和0° C下的干mL）以及产生的CH4和CO2的质量（g）。此外，用于计算的整体反应可以作为字符串或数字向量返回：> predBg（“C14H24O7N”，value =“reactionc”）[1]“C14H24O7N +6.25H2O--> 7.875CH4 + 5.125CO2 + NH4++ HCO3-”> predBg（“C14H24O7N”，value =“reactionn”）C14H24O7NH2O CH4 CO2 C5H7O2N NH4。HCO3。1- 1个-6.257.875 5.125 0 1 1这些结果是针对完全底物降解。但在实践中，一些级分将不会被降解（如在上述实验中），并且降解级分的一部分用于S.D. Hafner等人/SoftwareX 7（2018）205209表3使用cumBg（）和summBg（）函数计算纤维素和食物垃圾的生化甲烷潜力（BMP）。前六列包含在summBg（）的默认输出中。基质时间平均值BMP BMPsx<$BMP编号Rel. 公司简介Inoc. CH4(d)（mL g−1）（mL g−1）（mL g−1）瓶s（%）（分数）纤维素19.0 380.5 4.44 7.69 3 4.20 0.13食物废料16.2 461.6 11.19 19.38 3 4.17 0.11注：BMP的单位为mL标准化CH4/g底物VS。"s x"=标准误差，"s"=标准差。伊诺克。CH4(net)合成新的微生物生物质（在上述反应中显示为C5H7O2N），因此不转化为生物气。通过使用可选参数，这些和其他影响可以包括在计算中，但这里的重点仅是CH4潜力该底物的营养分析显示56%的碳水化合物，27%的蛋白质和17%的脂质（VS的百分比）的组合物。这一信息可以直接与mcomp参数一起用于基于质量的混合物和大分子组成。> predBg（mcomp = c（碳水化合物=0.56，蛋白质= 0.27，脂质= 0.17））[1]547.6185化学式C 14 H 24 O 7 N实际上是使用predBg（）通过设置value=“all”从这些数据计算出来的。这两种估计值之间的差异是由于经验公式中的四舍五入> predBg（形式=“C14.25H23.74O7.16N”）[1]547.7193化学式和大分子类别也可以组合。例如，人们可能更喜欢C5H7O2N而不是蛋白质的默认值> predBg（mcomp = c（碳水化合物=0.56，C5H7O2N = 0.27，脂质=0.17））[1]536.8514. 影响沼气包和OBA可以帮助提高沼气研究的效率和结果的准确性在我们自己的小组内，它大大简化了数据处理，并促进了对结果的评价。在教学中，该软件已被用来演示概念，并检查学生沼气厂的优化需要准确估计的底物BMP和简单的工具，估计甲烷潜力。两者都是由这里描述的软件提供的。作为开放源码软件包的一部分，上述功能澄清和标准化了目前各团体之间存在差异的共同操作。该软件已经在一项大型实验室间研究（33个研究所）中用作数据处理的我们预计，该软件包可以作为一个更大的平台，包括模型拟合和其他功能的基础。生物气的研究活动正在增加。科学网列出了8000多篇发表于2000年或之后的论文，标题中有学术界代表了一个庞大的潜在用户群体，并且已经存在对我们软件的重大兴趣。自2015年5月上传以来，该沼气包已被下载超过22，000次。OBA的使用逐渐增加到每月超过150小时（应用程序运行的时间，无论并发用户的数量）。应用程序上的YouTube视频（https：//www.youtube.com/channel/UCxNGlwTnSkEa1GaFuAKM_3A ） 的 浏 览量超过3000次。5. 结论厌氧发酵产气的研究包括产气潜力的测定和预测两个方面.沼气包和基于网络的界面OBA可以通过提供数据处理和化学计量计算的标准化算法来提高沼气研究的效率以及甲烷潜力测量和预测的准确性。该R软件包可作为未来软件工具的平台，包括用于提取动力学数据、基于模型的BMP估计和用于预测BMP的经验模型的功能。致谢Jon Katz 为 OBA 做 了 最 初 的 R/Shiny 编 程 。 Ali HeidarzadehVazifehkhoran 、 Jin Mi Triolo 、 Christof Holliger 、 Simon VilmsPedersen和Agnieszka Glab提供了示例数据和有用的建议。附录A.补充数据与本文相关的补充材料可以在https://doi.org/10.1016/j.softx.2018.06.005上找到。引用[1] 毛春，冯毅，王新，任刚.厌氧消化产沼气研究进展。Renew Sustain EnergyRev 2015;45 （ Suppl. 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