(57)【要約】  バイオリアクタの動作中における動作管理に使用可能な機能コンポーネントの第１のグループの電力消費量を制御する方法は、特に、比較によって、機能コンポーネントの第１のグループについて、現在必要とされる全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きいことが示されるときにおいて、電力消費量を最適化するために、第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程であって、その第１のグループにおいて、調整された全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きくならないようにする。バイオテクノロジー装置は、バイオリアクタと、バイオリアクタ内に形成され培養チャンバを有するリアクタべセルと、ヒートポンプが設けられ培養チャンバの温度を制御するよう構成された温度制御デバイスとを備える。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上のバイオリアクタと、
少なくとも１つのバイオリアクタにそれぞれ割り当てられるとともに、そのバイオリアクタの動作中における動作管理のために使用可能な機能コンポーネントと、
機能コンポーネントの少なくとも第１のグループに対して動作中に制御信号を送るために、機能コンポーネントの第１のグループに接続されたコントロールユニットと、を備えるバイオテクノロジー装置の制御された操作方法であって、
動作中における機能コンポーネントの第１のグループの電力消費量を制御する方法は、
機能コンポーネントの第１のグループについての予め定められた全体の電力消費量に関する電子情報をコントロールユニット内に提供する工程と、
第１のグループにおける機能コンポーネントについてのそれぞれの現在の電力制御信号をコントロールユニット内で生成する工程と、
機能コンポーネントの第１のグループについてのそれぞれの現在の電力制御信号が考慮されるときに結果として生じる、現在の動作状況について現在必要とされる全体の電力消費量をコントロールユニット内で決定する工程と、
比較によって、機能コンポーネントの第１のグループについて、現在必要とされる全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きいことが示されるときにおいて、電力消費量を最適化するために、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程であって、その第１のグループにおいて、１つ以上の調整された電力制御信号を考慮するとともに調整されていない現在の電力制御信号を選択的に残すときに、調整された全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きくならないようにする工程と、
１つ以上の調整された電力制御信号と選択的に残された調整されていない現在の電力制御信号を、コントロールユニットを介して機能コンポーネントの第１のグループ内の機能コンポーネントに出力する工程と、を含む、方法。
【請求項２】
機能コンポーネントの第１のグループからの機能ブロックについて現在の全体の電力消費量を決定するときに、その機能ブロックにそれぞれ割り当てられたダイナミックな電力の予備量が考慮される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１のグループについて予め定められた全体の電力消費量を決定するステップが実施され、そのステップにおいて、予め定められた全体の電力消費量は、動作中の機能コンポーネントで利用可能な最大の全電力消費量と機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量との差として決定され、第２のグループの機能コンポーネントは、第１のグループの機能コンポーネントと異なり、それぞれに割り当てられた現在の電力制御信号の調整について、少なくともその調整が各機能コンポーネントにおける電力の低減を生じさせるときはいつでもその調整から除外される、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量を決定するステップが実施され、機能コンポーネントにそれぞれ割り当てられたダイナミックな電力の予備量を考慮にいれながら、各最大電力消費量を第２のグループの機能コンポーネントに加算するようにして、そのステップが行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
動作中の機能コンポーネントで利用可能な最大の全電力消費量を決定するステップが実施され、利用可能な最大の全電力消費量について低い側の閾値を決定し、その閾値を機能コンポーネントの第１のグループの予め定められた全電力消費量を決定する際に用いるようにして、そのステップが行われる、請求項３又は４に記載の方法。
【請求項６】
調整された電力制御信号は、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれ決定され、その際に、調整された電力制御信号に基づいて調整される電力消費量が常に、各機能コンポーネントの最大の電力消費量よりも小さい、又は等しくなるようにする、請求項１から５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項７】
機能コンポーネントの第１のグループからの複数の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する際に、相対的な電力分配量が維持される、請求項１から６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
電力消費は、温度制御デバイス、センサユニット、混合デバイス、撹拌駆動部、バルブ、流体運搬デバイスおよびポンプ駆動部のグループの中から１つ以上のコンポーネントタイプの機能コンポーネントにおいて行われる、請求項１から７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項９】
比較によって、現在の全電力消費量が機能コンポーネントの第１のグループについて予め定められた全電力消費量よりも小さいことが示されるときに、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについての現在の電力制御信号が、予め定められた全電力消費量をより多く使用するように調整され、その調整は、調整された全電力消費量が現在必要とされる全電力消費量よりも大きい一方で、予め定められた全電力消費量よりは大きくならないようにする、請求項１から８のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１０】
電力消費量を最適化するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程および／又は予め定められた全電力消費量をより多く使用するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程は、機能コンポーネントの第１のグループからの複数の機能コンポーネントにおける電力の再分配を含む、請求項１から９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１１】
電力消費量を最適化するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整するとき、および／又は、予め定められた全電力消費量をより多く使用するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整するときに、第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントの動作が開始されるおよび／又は停止される、請求項１から１０のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１２】
機能コンポーネントの第１のグループにおける電力消費量は、１つ以上の内部制御ループに接続された外部制御ループ内で制御される、請求項１から１１のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１３】
１つ以上のバイオリアクタと、
少なくとも１つのバイオリアクタにそれぞれ割り当てられるとともに、そのバイオリアクタの動作中における動作管理のために使用可能な機能コンポーネントと、
機能コンポーネントの少なくとも第１のグループに対して動作中に制御信号を送るために、機能コンポーネントの第１のグループに接続されたコントロールユニットと、を備えるバイオテクノロジー装置であって、
コントロールユニットは、以下の工程を行って、動作中における機能コンポーネントの第１のグループの電力消費量を制御し、その工程は、
機能コンポーネントの第１のグループについての予め定められた全体の電力消費量に関する電子情報をコントロールユニット内に提供する工程と、
第１のグループにおける機能コンポーネントについてのそれぞれの現在の電力制御信号をコントロールユニット内で生成する工程と、
機能コンポーネントの第１のグループについてのそれぞれの現在の電力制御信号が考慮されるときに結果として生じる、現在の動作状況について現在必要とされる全体の電力消費量をコントロールユニット内で決定する工程と、
比較によって、機能コンポーネントの第１のグループについて、現在必要とされる全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きいことが示されるときにおいて、電力消費量を最適化するために、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程であって、その第１のグループにおいて、１つ以上の調整された電力制御信号を考慮するとともに調整されていない現在の電力制御信号を選択的に残すときに、調整された全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きくならないようにする工程と、
１つ以上の調整された電力制御信号と選択的に残された調整されていない現在の電力制御信号を、コントロールユニットを介して機能コンポーネントの第１のグループ内の機能コンポーネントに出力する工程と、を含む、装置。
【請求項１４】
バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）と、
バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）内に形成され、培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）を有するリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）と、
ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）が設けられ、培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）の温度を制御する温度制御デバイスとを備える、バイオテクノロジー装置であって、
ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）は、リアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）を介して培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）に熱的に接続されるとともに、ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）への熱源ポテンシャルを形成し熱伝導性材料で形成された基準ボディ（２６）にも熱的に接続され、さらに、駆動エネルギの供給とともにリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）と基準ボディ（２６）の間で有用な熱を伝達する、バイオテクノロジー装置。
【請求項１５】
ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）は、電気的駆動エネルギによって駆動可能なヒートポンプである、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
リアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）は、べセル容器（２７．１−２７．ｎ）内に配置され、ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）は、べセル容器（２７．１−２７．ｎ）を介してリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）に熱的に接続される、請求項１４又は１５に記載の装置。
【請求項１７】
基準ボディ（２６）は、バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）の動作環境（３５）に熱的に接続される、請求項１４―１６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１８】
基準ボディ（２６）は、調整可能な熱抵抗（３４）を介してバイオリアクタ（１．１−１．ｎ）の動作環境（３５）に熱的に接続される、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）は、コントローラに接続され、コントローラは、バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）の動作中において、予め定められた動作管理スキームにしたがって、リアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）と基準ボディ（２６）の間で有用な熱を伝達するための駆動エネルギの供給を制御する、請求項１４―１８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項２０】
バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）と、
バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）内に形成され、培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）を有するリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）と、
培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）の温度を制御するとともにヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）が設けられた温度制御デバイスであって、ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）は、リアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）を介して培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）に熱的に接続されるとともに、熱伝導性材料で形成された基準ボディ（２６）にも熱的に接続され、さらに、駆動エネルギの供給とともにリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）と基準ボディ（２６）の間で有用な熱を伝達する温度制御デバイスとを備える、バイオテクノロジー装置であって、
基準ボディ（２６）は、複数のバイオテクノロジー装置におけるヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）に対する共有の熱源ポテンシャルを形成する、バイオテクノロジー装置。
【請求項２１】
バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）と、培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）とともにバイオリアクタ（１．１−１．ｎ）内に形成されるリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）と、温度制御デバイスとを備えるバイオテクノロジー装置内の培養チャンバの温度を制御する方法であって、
培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）内の培養温度についての設定値を温度コントローラ（４０）の設定値入力（４１）に供給する工程と、
温度センサユニットを用いて培養温度のプロセス値を検知し、温度コントローラ（４０）のプロセス値入力（４２）へプロセス値を供給する工程と、
温度コントローラ（４０）内において、培養温度についての設定値およびプロセス値を処理することにより温度制御信号を生成する工程と、
温度コントローラ（４０）の出力（４３）を介して温度制御信号を出力する工程と、
ヒートポンプコントローラ（５２）によって温度制御信号を受信し、温度制御信号に基づいてヒートポンプコントローラ（５２）によってヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）への駆動エネルギの入力を制御する工程と、を含む、方法。
【請求項２２】
温度コントローラ（４０）によって外部温度制御が実施され、付加的な温度コントローラによって内部温度制御（４４）が実施される、請求項２１に記載の方法であって、
温度コントローラによって出力される温度制御信号を付加的な温度コントローラ（４４）の設定値入力（４５）へ供給する工程と、
ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）をリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）へ熱的に接続している熱交換器の温度についてのプロセス値を付加的な温度センサユニットにより検知し、付加的な温度コントローラ（４４）のプロセス値入力（４６）へプロセス値を供給する工程と、
付加的な温度コントローラ（４４）内において、設定値およびプロセス値を処理することにより調整された温度制御信号を生成する工程と、
付加的な温度コントローラ（４４）の出力（４７）を介して調整された温度制御信号を出力する工程と、
調整された温度制御信号をヒートポンプコントローラ（５２）によって受信し、調整された温度制御信号に基づいてヒートポンプコントローラ（５２）によってヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）への駆動エネルギの入力を制御する工程と、をさらに含む、方法。
【請求項２３】
温度制御信号に対応する電力制御信号／調整された温度制御信号をヒートポンプコントローラ内に含まれる電力コントローラ（４９）の設定値入力（４８）へ供給する工程と、
ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）によって消費される電力についてのプロセス値を検知し、電力コントローラ（４９）のプロセス値入力（５１）へプロセス値を供給する工程と
電力コントローラ（４９）内において、設定値およびプロセス値を処理することにより調整された電力制御信号を生成する工程と、
電力コントローラ（４９）の出力を介して調整された電力制御信号を出力する工程と、
調整された電力制御信号をヒートポンプに割り当てられたヒートポンプコントローラのコントローラ（５２）によって受信し、調整された電力制御信号に基づいてコントローラ（５２）によってヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）への駆動エネルギの入力を制御する工程と、をさらに含む、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
各々がバイオリアクタ（１．１−１．ｎ）を有している複数のバイオテクノロジー装置と、バイオリアクタ（１．１−１．ｎ）内に形成され培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）を有するリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）と、温度制御デバイスとを備える、請求項２０に記載のバイオリアクタシステム内の培養チャンバの温度を制御する方法であって、１つ又は複数の培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）内の温度を請求項２２から２４のいずれか１つに記載の温度制御方法によって制御する、方法。
【請求項２５】
バイオリアクタシステムの動作段階において、
複数のバイオテクノロジー装置のうちの１つにおける温度制御デバイスのヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）は、リアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）から基準ボディ（２６）へ有用な熱を伝達することで培養チャンバ（３１．１−３１．ｎ）を冷却し、
ヒートポンプ（２８．１−２８．ｎ）は、基準ボディ（２６）からリアクタべセル（３０．１−３０．ｎ）への加熱用の有用な熱を伝達するために、複数のバイオテクノロジー装置の中の別の装置における温度制御デバイスに割り当てられる、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオテクノロジー装置およびバイオリアクタシステムの制御された操作を行う方法に関する。
【０００２】
本発明はさらに、バイオテクノロジー装置におけるバイオリアクタのリアクタべセル内に設けられた１つ以上の培養チャンバの温度を制御する方法の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
バイオリアクタは、発酵槽とも呼ばれ、バイオテクノロジー装置の一部である。バイオリアクタは、閉塞された反応チャンバを有し、この反応チャンバにおいて、真核細胞又は原核細胞が可能な限り適切かつ明確で制御された条件下で培養される。物質の転換は、ほとんどの場合プロセス工学によって自動化および制御されるとともに、有機体に必要な境界条件を用いて、そのプロセスに必要な１次物質および２次物質が存在する状態で調査、最適化および実施される。
【０００４】
「ベンチトップスケール（benchtop scale）」にて実施される一般的なバイオテクノロジー方法において、ガラス製のリアクタべセルがよく使用される。これにより、加圧滅菌可能なバイオリアクタにおいて、１つのオートクレーブ内の１つのピースにおいてガラス製のリアクタべセルを蒸気殺菌することができる。このようなケースでは、加圧滅菌を行う前に、リアクタべセル全体をコントロールユニットとの接続から分離する必要がある。接続は、典型的には締め付けネジ接続、押し込み式接続又は圧着接続などのホース接続の形態である。このようなバイオリアクタについての加圧滅菌可能な設計においては、バイオリアクタ自体に接続するバイオテクノロジー装置の機能コンポーネントをできるだけ効率的にリアクタべセル上に設けるとともに、さらにそれを加圧滅菌処理の終了後に再度取り外し可能とする必要がある。
【０００５】
バイオリアクタの別の設計は、例えば、リアクタべセルが１つの培養プロセスでのみ使用される使い捨て型のバイオリアクタの形態をとる一方で、撹拌駆動部のようにリアクタべセルに割り当てられた機能エレメントや、排気ガス除去のための温度コントロールユニットおよび／又は培養チャンバは再利用することができる。この接続においては、バイオリアクタに接続されたバイオテクノロジー装置の機能コンポーネントができるだけ効率的にリアクタべセル上に設けられるとともに、使用後に取り外し可能となる必要がある。
【０００６】
バイオリアクタは通常、中で使用される生物学的培養物の特性により、約１０―５０℃の温度範囲内で操作されるが、極限微生物による培養物のような稀なケースにおいては、−２０−１５０℃の温度で操作される。培養物の温度を制御する方法およびデバイスは、様々提案されている。１つの方法は、例えば、加熱ブランケットや、一体化されたエレメントを含んだ温度制御あご部（temperature-control jaws）などを用いるとともに、熱的に接続される電気的加熱エレメントを利用したリアクタべセル外表の直接的な加熱工程を含む。例えば、内部に冷却材が流れている冷却フィンガーや冷却コイルなどの埋没型熱交換器を用いて冷却を行う。
【０００７】
前述の加熱に関連して、リアクタべセルの外側は、代替的に、一般的にはあご状やポット上の設計による熱的に接続されたデバイスによって冷却することができ、当該デバイスの温度は、容積を制御可能な流量にて流れる冷却剤によって冷やすことができる。
【０００８】
１つの知られた変形例は、リアクタべセル内部から離隔された外部コンパートメントを通じて流れる予加熱又は予冷却された流体を用いた二重壁のリアクタべセルを使用するものである。その流体は通常、電気式ヒータなどによる複合加熱を用いてサイクル内で加熱される。またその流体は、熱交換器内の２次冷却剤又は代替物を用いて、すなわち、サイクル内に付加的な冷却剤を混合すると同時に同量の暖かい流体を取り除くことによって、冷却される。
【０００９】
最終的に、別の知られた変形例は、例えば赤外線源といった放射熱形式による間接的な外部加熱を使用する。このとき、上述した方法により冷却が行われる。
【００１０】
バイオリアクタ内の培養チャンバの温度を制御するための制御ループは通常、培養チャンバ内の培養物に適切に浸漬された温度センサと温度コントローラによって形成される。稀なケースにおいては、供給温度も制御される。
【００１１】
小さくかつパラレルな培養物について、例えばインキュベーターや保温チャンバなどの温度制御型コンパートメント内に、多層プレートや振とうフラスコなどの複数の小型リアクタべセルが配置される。これらのケースにおいて、例えば、Ｎ２、Ｏ２およびＣＯ２による混合物などのガスの温度のみが、コンパートメント内で適切に制御される。培養物の温度は通常、直接的に又はフィードバックによって測定されることはない。これにより、特に、細胞密度が高くかつ生物学的熱産生が強く明確な培養物の場合には、培養物内の温度が定まらなくなる可能性がある。
【００１２】
研究開発において、固定して搭載されない加圧滅菌型バイオリアクタシステムがよく使用される。このようなシステムにおいて、スチーム滅菌できないこれらのシステムコンポーネントから、リアクタ又は培養物べセルが滅菌の目的で一時的に分離される。これには、温度を制御するための知られた方法およびデバイスの場合には、付加的な取扱い工程が含まれる。流体の循環量を削減する必要があり、これは、適切なカップリングおよびシャットオフのデバイスを設ける必要があることを意味する。温度制御のために使用される流体に応じて、滅菌のために流体をサブシステムから取り除く必要がある。多くのケースにおける流体制御式の冷却デバイスの別の不利益は、例えば、接続チューブなどのシステムコンポーネント上に凝縮物が（周囲空気から）強固に形成されるということが挙げられる。類似の不利益は、１回使用式のバイオリアクタ内における温度制御エレメントの接続および接続解除から結果として生じる。
【００１３】
温度制御可能な流体（ほとんどの場合水性）の熱容量は比較的高いため、必要となったときに短時間で制御（冷却）することができないが、永続的に適切な形で利用可能である必要がある。この目的のために使用される再循環冷却器および／又は不完全に絶縁された導体などのデバイスにおけるエネルギー効率が悪いことに加えて、作業場における騒音や熱による付加的な悪影響が生じる場合がある。
【００１４】
ほとんどのケースにおいて、電気式ヒータは１次グリッド電圧にて操作される。これの１つの不利益は、絶縁を適切に行うことによって、電気的な安全性を確保しなければならないことであり、それには、固定して搭載されない加圧滅菌型のバイオリアクタの場合における付加的な費用の発生が含まれる。そこには、異なる操作電圧を有する適切な加熱エレメントを目的とする各マーケットにそれぞれ設ける必要があるという経済的な不利益も存在する。
【００１５】
全ての知られたシステムにおける別の明確な不利益は、特に冷却モードにおいてエネルギー効率が悪いことである。
【００１６】
制御システムに関して、ＥＰ１５３３８９３Ａ２は発電制御システムを開示している。ここで、ユーザが装置のセット状態を変更するケースでは、その変更による制御信号の命令にかかわらず、制御装置における操作制御部が装置を制するように制御し、さらにこの制御は、装置電力消費測定部から得られる装置の電力消費量の増加分が、発電容量測定部から得られる発電部の発電容量の増加分を超えないように行われ、ユーザによって設定された目標のセット状態に徐々に近づけることができる。しかしながら、さらなる改良が求められている。
【発明の概要】
【００１７】
本発明の目的は、様々な観点でより効率的な動作を可能とするための１つ以上のバイオリアクタを備えたバイオテクノロジー装置について、制御された動作の分野において改良技術を特定することであり、特に、リアクタべセルへの負荷が少ないエネルギ効率の良い動作に関する。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、培養システムの温度を効率的に制御可能な、バイオテクノロジー装置内のバイオリアクタ内にそれぞれ形成された１つ以上の培養チャンバの温度制御の分野において改良技術を特定することである。
【００１９】
この目的は、本発明に基づいてバイオテクノロジー装置の制御された動作を行うための独立請求項１による方法および独立請求項１３によるバイオテクノロジー装置によって達成される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が記載される。
【００２０】
本発明の一態様によれば、１つ以上のバイオリアクタと、
少なくとも１つのバイオリアクタにそれぞれ割り当てられるとともに、そのバイオリアクタの動作中における動作管理のために使用可能な機能コンポーネントと、
機能コンポーネントの少なくとも第１のグループに対して動作中に制御信号を送るために、機能コンポーネントの第１のグループに接続されたコントロールユニットと、を備えるバイオテクノロジー装置の制御された操作方法であって、
動作中における機能コンポーネントの第１のグループの電力消費量を制御する方法は、
機能コンポーネントの第１のグループについての予め定められた全体の電力消費量に関する電子情報をコントロールユニット内に提供する工程と、
第１のグループにおける機能コンポーネントについてのそれぞれの現在の電力制御信号をコントロールユニット内で生成する工程と、
機能コンポーネントの第１のグループについてのそれぞれの現在の電力制御信号が考慮されるときに結果として生じる、現在の動作状況について現在必要とされる全体の電力消費量をコントロールユニット内で決定する工程と、
比較によって、機能コンポーネントの第１のグループについて、現在必要とされる全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きいことが示されるときにおいて、電力消費量を最適化するために、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程であって、その第１のグループにおいて、１つ以上の調整された電力制御信号を考慮するとともに調整されていない現在の電力制御信号を選択的に残すときに、調整された全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きくならないようにする工程と、
１つ以上の調整された電力制御信号と選択的に残された調整されていない現在の電力制御信号を、コントロールユニットを介して機能コンポーネントの第１のグループ内の機能コンポーネントに出力する工程と、を含む、方法が提供される。
【００２１】
本発明のさらなる態様によれば、１つ以上のバイオリアクタと、
少なくとも１つのバイオリアクタにそれぞれ割り当てられるとともに、そのバイオリアクタの動作中における動作管理のために使用可能な機能コンポーネントと、
機能コンポーネントの少なくとも第１のグループに対して動作中に制御信号を送るために、機能コンポーネントの第１のグループに接続されたコントロールユニットと、を備えるバイオテクノロジー装置であって、
コントロールユニットは、以下の工程を行って、動作中における機能コンポーネントの第１のグループの電力消費量を制御し、その工程は、
機能コンポーネントの第１のグループについての予め定められた全体の電力消費量に関する電子情報をコントロールユニット内に提供する工程と、
第１のグループにおける機能コンポーネントについてのそれぞれの現在の電力制御信号をコントロールユニット内で生成する工程と、
機能コンポーネントの第１のグループについてのそれぞれの現在の電力制御信号が考慮されるときに結果として生じる、現在の動作状況について現在必要とされる全体の電力消費量をコントロールユニット内で決定する工程と、
比較によって、機能コンポーネントの第１のグループについて、現在必要とされる全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きいことが示されるときにおいて、電力消費量を最適化するために、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程であって、その第１のグループにおいて、１つ以上の調整された電力制御信号を考慮するとともに調整されていない現在の電力制御信号を選択的に残すときに、調整された全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きくならないようにする工程と、
１つ以上の調整された電力制御信号と選択的に残された調整されていない現在の電力制御信号を、コントロールユニットを介して機能コンポーネントの第１のグループ内の機能コンポーネントに出力する工程と、を含む、装置が提供される。
【００２２】
本発明により、バイオテクノロジー装置におけるエネルギー効率の良い動作管理が可能となる。
【００２３】
本発明の１つの好ましい発展形によれば、機能コンポーネントの第１のグループからの機能ブロックについて現在の全体の電力消費量を決定するときに、その機能ブロックにそれぞれ割り当てられたダイナミックな電力の予備量が考慮される。ダイナミックな電力の予備量は、第１のグループ内の機能コンポーネントにおける個々の電力消費のダイナミックな変化を考慮する。ダイナミックな電力の予備量は、例えば、第１のグル―プからの機能コンポーネントについて現在必要とされる全体の電力消費量を決定するときに、個々の電力消費量に対して０よりも大きい係数を乗じることによって考慮することができる。機能エレメントに必要とされる全体の消費量Ｐｉは、次の式によって計算することができる。
【００２４】
【数１】
2014528249.tif 000003
【００２５】
ここで、Ｐ．ｓｕｍは、機能コンポーネントの第１のグループからの機能コンポーネントＰｉに現在必要とされる全体の電力消費量であり、Ｐｉ．ＳＰは、現在の電力制御信号であり、Ｐｉ．σｉは、変化量すなわちＰｉ．σｉ＞０の場合の変化量を表す。
【００２６】
本発明の１つの好適な変化形によれば、第１のグループについて予め定められた全体の電力消費量を決定するステップが実施され、そのステップにおいて、予め定められた全体の電力消費量は、動作中の機能コンポーネントで利用可能な最大の全電力消費量と機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量との差として決定され、第２のグループの機能コンポーネントは、第１のグループの機能コンポーネントと異なり、それぞれに割り当てられた現在の電力制御信号の調整について、少なくともその調整が各機能コンポーネントにおける電力の低減を生じさせるときはいつでもその調整から除外される。第２のグループの機能コンポーネントの電力は、好ましくは、それらに別々に割り当てられた電力コントローラによって制御される。第２のグループは、好ましくは、動作中において機能をフルに発揮しなければならない機能コンポーネントによって形成され、これは電力の割当量の低減によって悪影響を受ける可能性がある。このため、第２のグループの機能コンポーネントは、現在の電力制御信号の調整から完全かついかなる場合も除外される、すなわち、電力制御のための瞬間的な設定値の調整から除外される。予め定められた全体の電力消費量は、例えば、Ｐ．ｓｕｍ‘＝Ｓ．ｍａｘ−Ｆ．ｓｕｍという式から決定することができる。Ｓ．ｍａｘは、動作中において機能コンポーネントに利用可能な最大の全体の電力であり、Ｆ．ｓｕｍは、機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量である。
【００２７】
本発明の１つの有利な変化形によれば、機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量を決定するステップが実施され、機能コンポーネントにそれぞれ割り当てられたダイナミックな電力の予備量を考慮にいれながら、各最大電力消費量を第２のグループの機能コンポーネントに加算するようにして、そのステップが行われる。第２のグループの機能コンポーネントにおける個々の電力消費量のダイナミックな変化は、それぞれのファクタを含めることにより考慮することができる。第２のグループの機能コンポーネントの全体の消費量Ｆｊは、例えば、以下の式によって計算することができる。
【００２８】
【数２】
2014528249.tif 000004
【００２９】
ここで、Ｆ．ｓｕｍは、第２のグループからの機能コンポーネントＦｊについての全体の電力消費量であり、Ｆｉ．ＳＰは、現在の電力制御信号であり、Ｆｊ．σｊは、個々に割り当てられた変化量すなわちＦｊ．σｊ＞０の場合の変化量を表す。
【００３０】
本発明の好ましい発展形によれば、動作中の機能コンポーネントで利用可能な最大の全電力消費量を決定するステップが実施され、利用可能な最大の全電力消費量について低い側の閾値を決定し、その閾値を機能コンポーネントの第１のグループの予め定められた全電力消費量を決定する際に用いるようにして、そのステップが行われる。この発展形において、低い側の閾値は、利用可能な全体の電力の最大値について決定され、その最大値よりも小さい又は等しい。低い側の閾値は、機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量を減算することにより、第１のグループの機能コンポーネントについて利用可能な最大の全体の電力を決定するための初期量として使用される。このような低い側の閾値を参照することにより、例えば、動作中における利用可能な最大の電力量に基づく電力のバッファを提供することができる。
【００３１】
本発明の１つの有利な変化形によれば、調整された電力制御信号は、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれ決定され、その際に、調整された電力制御信号に基づいて調整される電力消費量が常に、各機能コンポーネントの最大の電力消費量よりも小さい、又は等しくなるようにする。｜Ｐｉ．ＳＰ‘｜が、調整された電力制御信号によって決定される電力消費量を表す場合、前記値はＰｉ．ｍａｘよりも小さい又は等しい。これにより、現在の電力制御信号を調整するときに、１つ以上の機能コンポーネントについて調整された電力制御信号は、関連する機能コンポーネントの最大の電力消費量の個々の値を超えない。これにより、特に、電力消費量の超過によって生じうる機能コンポーネントへのダメージを抑制することができる。
【００３２】
本発明の１つの発展形によれば、機能コンポーネントの第１のグループからの複数の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する際に、相対的な電力分配量が維持される。現在の電力制御信号によって第１のグループの中の複数の機能コンポーネントについて結果的に生じる電力消費量の相対的な分配が、調整された電力制御信号に関して保存される。このことは、含まれる全ての電力制御信号に対して、平等な相対的値による調整が行われることを意味する。
【００３３】
本発明の１つの実施形態によれば、電力消費は、温度制御デバイス、センサユニット、混合デバイス、撹拌駆動部、バルブ、流体運搬デバイスおよびポンプ駆動部のグループの中から１つ以上のコンポーネントタイプの機能コンポーネントにおいて行われる。
【００３４】
本発明の別の実施形態によれば、比較によって、現在の全電力消費量が機能コンポーネントの第１のグループについて予め定められた全電力消費量よりも小さいことが示されるときに、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについての現在の電力制御信号が、予め定められた全電力消費量をより多く使用するように調整され、その調整は、調整された全電力消費量が現在必要とされる全電力消費量よりも大きい一方で、予め定められた全電力消費量よりは大きくならないようにする。この実施形態によれば、調整の結果が、少なくとも１つの現在の電力制御信号について、現在必要とされる電力消費量が関連する機能コンポーネントについて増加されるように調整が行われることになる。このように、利用可能な電力消費量が、すなわち予め定められた全体の電力消費量が、現在の動作状況にて大きな割合で使用される。
【００３５】
本発明の１つの有利な変化形によれば、電力消費量を最適化するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程および／又は予め定められた全電力消費量をより多く使用するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程は、機能コンポーネントの第１のグループからの複数の機能コンポーネントにおける電力の再分配を含む。この変形例によれば、１つ以上の現在の電力制御信号を調整する工程は、現在の電力制御信号の結果として生じる現在の電力消費量が１つの機能コンポーネントでは低減される一方で別の機能コンポーネントでは増加されるように、少なくとも２つの機能コンポーネント間における電力消費量の再分配を行う工程を含む。
【００３６】
本発明の１つの発展形によれば、電力消費量を最適化するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整するとき、および／又は、予め定められた全電力消費量をより多く使用するためにそれぞれの現在の電力制御信号を調整するときに、第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントの動作が開始されるおよび／又は停止される。この接続においては、動作の停止又は開始（スイッチオフ又はスイッチオン）が、特定の動作状況では除外される、あるいは１つ以上の機能コンポーネントについては通常除外されるようにしてもよい。このようにして、例えば、バイオテクノロジー装置の１つ以上の動作パラメータに基づき具体的に定められた動作状況においては、個々の機能コンポーネントが必ずスイッチオフされないように確保することができる。
【００３７】
本発明のさらに別の変化形によれば、機能コンポーネントの第１のグループにおける電力消費量は、１つ以上の内部制御ループに接続された外部制御ループ内で制御される。上述の目的は、本発明の別の態様により達成される、すなわち、独立請求項１４によるバイオテクノロジー装置と、独立請求項２０による複数のバイオテクノロジー装置を備えるバイオリアクタシステムとにより達成される。バイオテクノロジー装置内の培養チャンバの温度を制御するための独立請求項２１による方法およびバイオリアクタシステム内の培養チャンバの温度を制御するための独立請求項２４による方法も提供される。従属請求項には、本発明の有利な実施形態が記載される。
【００３８】
本発明の１つの態様によれば、バイオリアクタと、
バイオリアクタ内に形成され、培養チャンバを有するリアクタべセルと、
ヒートポンプが設けられ、培養チャンバの温度を制御する温度制御デバイスとを備える、バイオテクノロジー装置であって、
ヒートポンプは、リアクタべセルを介して培養チャンバに熱的に接続されるとともに、ヒートポンプへの熱源ポテンシャルを形成し熱伝導性材料で形成された基準ボディにも熱的に接続され、さらに、駆動エネルギの供給とともにリアクタべセルと基準ボディの間で有用な熱を伝達する、バイオテクノロジー装置である。
【００３９】
本発明の別の態様によれば、バイオリアクタシステムは、それぞれがバイオリアクタを備える複数のバイオテクノロジー装置と、バイオリアクタ内に形成され、培養チャンバを有するリアクタべセルと、培養チャンバの温度を制御するとともにヒートポンプが設けられた温度制御デバイスであって、ヒートポンプは、リアクタべセルを介して培養チャンバに熱的に接続されるとともに、熱伝導性材料で形成された基準ボディにも熱的に接続され、さらに、駆動エネルギの供給とともに各リアクタべセルと基準ボディの間で有用な熱を伝達する温度制御デバイスとを備え、基準ボディは、複数のバイオテクノロジー装置におけるヒートポンプに対する共有の熱源ポテンシャルを形成する。
【００４０】
本発明は、バイオリアクタと、バイオリアクタ内に形成され培養チャンバを有するリアクタべセルと、温度制御デバイスとを備えるバイオテクノロジー装置内の培養チャンバの温度を制御する方法であって、
培養チャンバ内の培養温度についての設定値を温度コントローラの設定値入力に供給する工程と、
温度センサユニットを用いて培養温度のプロセス値を検知し、温度コントローラのプロセス値入力へプロセス値を供給する工程と、
温度コントローラ内において、培養温度についての設定値およびプロセス値を処理することにより温度制御信号を生成する工程と、
温度コントローラの出力を介して温度制御信号を出力する工程と、
ヒートポンプコントローラによって温度制御信号を受信し、温度制御信号に基づいてヒートポンプコントローラによってヒートポンプへの駆動エネルギの入力を制御する工程と、を含む、方法の概念も含む。
【００４１】
それぞれがバイオリアクタを備える複数のバイオテクノロジー装置と、バイオリアクタ内に形成され培養チャンバを有するリアクタべセルと、温度制御デバイスとを備えるバイオリアクタシステム内の培養チャンバの温度を制御する方法であって、１つ以上の培養チャンバにおける温度を前述の方法によって制御する方法も提供される。
【００４２】
提案された技術は、培養チャンバの温度を特に冷却モードにおいてエネルギ効率の良い方法により制御可能であるという先行技術に対する利点がある。それぞれのバイオリアクタにおける温度制御デバイス内のヒートポンプを用いることで、先行技術と比較して、温度制御流体を伝達するための既知の温度制御デバイスにおいて必要なパイプライン、接続および他のシステムエレメントが不要となる利点がある。これは、温度制御流体の漏えいが起こらないということを意味し、漏えいとは、特定の状況においてバイオリアクタのコンポーネントへのダメージ又は動作不良を起こしうる。動作中において、現在の動作管理要求に基づき、バイオリアクタと基準ボディの間の所望の熱交換を調整するために、ヒートポンプを正確に制御可能である。
【００４３】
１つ以上のヒートポンプの使用を具体的に規定する提案された技術は、特にパラレルなバイオリアクタシステムにおいて、バイオテクノロジー装置とコンパクトな構造とのより広範囲に及ぶ統合を補助する。
【００４４】
少なくとも１つのバイオリアクタは特に、加圧滅菌可能なバイオリアクタ又は使い捨てのバイオリアクタであってもよい。後者は、好ましくは、無菌包装にて提供される。しかしながら、提案された技術は、バイオリアクタのハイブリッドな変化形における様々な実施形態において使用可能である。
【００４５】
本発明の１つの好ましい発展形によれば、ヒートポンプは、電気的駆動エネルギによって駆動可能なヒートポンプである。１つの変化形によれば、ヒートポンプは、少なくとも１つのペルチェ素子により設計される。
【００４６】
本発明の１つの好適な構成によれば、リアクタべセルは、べセル容器内に配置され、ヒートポンプは、べセル容器を介してリアクタべセルに熱的に接続される。べセル容器は、熱交換器として機能し、好ましくは熱をよく伝える材料からなる。リアクタべセルおよび／又はべセル容器は、バイオリアクタの動作環境からの培養チャンバの熱境界を形成する。加えて、べセル容器の外側には、断熱が施されてもよい。
【００４７】
本発明の１つの有利な実施形態によれば、基準ボディは、バイオリアクタの動作環境に熱的に接続される。基準ボディの熱源ポテンシャルは、例えば、大気温度に関連する。バイオリアクタ自体の動作環境（特に大気）に対して温度制御を行うには、特に、例えば、日中で変化する温度の影響および／又は季節の影響を低減する又は完全に保管するように空調を行うことによって実現することができる。その点に関して、１つ以上の熱交換器又は空調コンプレッサが動作環境の一部であってもよい。動作環境における同様のパーツであるこのようなエレメントを、大気の影響に加えて又はそれに重複しながら熱ポテンシャルに影響を与えるために、基準ボディへ直接的に接続してもよい。
【００４８】
本発明の１つの発展形によれば、基準ボディは、調整可能な熱抵抗を介してバイオリアクタの動作環境に熱的に接続される。バイオリアクタの動作管理における調整可能な熱抵抗を作動させることによって、基準ボディの熱ポテンシャルを制御することができる。基準ボディと動作環境の間の熱流は、大気の温度と基準ボディの温度との差の割合や熱抵抗として観察することができる。熱抵抗を変化させることによって、基準ボディと動作環境の間の熱流を調整することができる。この点に関して、例えばヒートシンクやそれに割り当てられた可変型のファン制御を用いることによって、熱流を可変に実現することができる。
【００４９】
本発明の１つの有利な変化形によれば、ヒートポンプは、コントローラに接続され、コントローラは、バイオリアクタの動作中において、予め定められた動作管理スキームにしたがって、リアクタべセルと基準ボディの間で有用な熱を伝達するための駆動エネルギの供給を制御する。コントローラは、特に規制又は制御信号を導出するために、設定値およびプロセス値の比較を行う１つ以上の制御又は規制コンポーネントにて設計されてもよい。単純なケースでは、バイオリアクタに割り当てられたヒートポンプを制御する制御信号を導出するために、培養チャンバ内の温度を検知するとともに、それを設定値の温度と比較してもよい。
【００５０】
バイオテクノロジー装置の培養チャンバの温度を制御する方法と組み合わせて、温度コントローラによって外部温度制御が実施され、付加的な温度コントローラによって内部温度制御が実施され、この方法は、
温度コントローラによって出力される温度制御信号を付加的な温度コントローラの設定値入力へ供給する工程と、
ヒートポンプをリアクタべセルへ熱的に接続している熱交換器の温度についてのプロセス値を付加的な温度センサユニットにより検知し、付加的な温度コントローラのプロセス値入力へプロセス値を供給する工程と、
付加的な温度コントローラ内において、設定値およびプロセス値を処理することにより調整された温度制御信号を生成する工程と、
付加的な温度コントローラの出力を介して調整された温度制御信号を出力する工程と、
調整された温度制御信号をヒートポンプコントローラによって受信し、調整された温度制御信号に基づいてヒートポンプコントローラによってヒートポンプへの駆動エネルギの入力を制御する工程と、をさらに含む。
【００５１】
温度コントローラおよび／又は付加的な温度コントローラを、例えば、特にソフトウェア実装の使用を含むＰＩＤ（比例・積分・微分）コントローラとして設計してもよい。１つ以上のレギュレータにおける設定値を制限することによって、ヒートポンプを過負荷から保護することができる。
【００５２】
方法の別の変化形は、
温度制御信号に対応する電力制御信号／調整された温度制御信号をヒートポンプコントローラ内に含まれる電力コントローラの設定値入力へ供給する工程と、
ヒートポンプによって消費される電力についてのプロセス値を検知し、電力コントローラのプロセス値入力へプロセス値を供給する工程と
電力コントローラ内において、設定値およびプロセス値を処理することにより調整された電力制御信号を生成する工程と、
電力コントローラの出力を介して調整された電力制御信号を出力する工程と、
調整された電力制御信号をヒートポンプに割り当てられたヒートポンプコントローラのコントローラによって受信し、調整された電力制御信号に基づいてコントローラによってヒートポンプへの駆動エネルギの入力を制御する工程と、をさらに含む。
【００５３】
この変化形によれば、ヒートポンプに接続されたコントローラは、内部温度制御および／又は外部温度制御のための各制御ループに加えて、電力消費量に影響を与える制御信号を生成するための付加的な制御ループを含み、ここでは、最終的にはヒートポンプを調整するために使用される。電力制御信号を生成するために使用される電力コントローラは、ヒートポンプ内に発生される電力のプロセス値が設定値と等しくなるように、ヒートポンプの作動部材を制御する。これにより、温度制御デバイスにおける電力を最適化する制御メカニズムが提供される。
【００５４】
発生された電力のプロセス値は、電気的ヒートポンプの場合には、例えば電流消費量と電圧供給量を測定することによって決定される。これに関連して、ＰＷＭフルブリッジ（Ｈ−ブリッジ）の形態である作動部材の効率性を考慮に入れることができる。これは、より具体的には閉ループの変化形において行われる。電力コントローラは、ＰＩＤコントローラも可能であるとともに、割り当てられたヒートポンプにおける非線形性および連続スプレッドを補完するように設計されてもよい。複数の制御ループを使用するときには、電力コントローラの調整スピードは、数ミリ秒から最大約１秒までの範囲である。調整された温度制御信号を生成するための内部温度制御ループの制御ダイナミクスは通常、数秒から数分の間の範囲である。外部温度コントローラの調整スピードは例えば、１桁から２桁の秒数の範囲である。
【００５５】
複数のバイオテクノロジー装置を備えるバイオリアクタシステム内の培養チャンバの温度を制御する方法に関連して、
バイオリアクタシステムの動作段階において、
複数のバイオテクノロジー装置のうちの１つにおける温度制御デバイスのヒートポンプは、リアクタべセルから基準ボディへ有用な熱を伝達することで培養チャンバを冷却し、
複数のバイオテクノロジー装置のうちの別の装置における温度制御デバイスのヒートポンプは、基準ボディからリアクタべセルへの加熱用の有用な熱を伝達するように割り当てられる。これにより、バイオリアクタでの冷却中において、培養チャンバを加熱するために、有用な熱を別のバイオリアクタへ同時に供給する。基準ボディは、バイオリアクタにおける複数のヒートポンプに対する共有の熱ポテンシャルとして使用されるため、熱はそれに対して同時に供給され、同時に取り除かれる。このようにして、複数のバイオリアクタを備える装置において特にエネルギ効率の良い温度制御プロセスを実行することができる。それぞれが特定のバイオリアクタに割り当てられた温度制御デバイスを個々に制御することにより、バイオリアクタシステム内のバイオリアクタの配置について効率的な電力管理を行うことができる。
【００５６】
以下の実施形態は、上述のバイオテクノロジー装置の各種態様と関連して付加的に又はそれに対して代替的に提供されてもよい。
【００５７】
１つ以上のバイオリアクタと、
少なくとも１つのバイオリアクタにそれぞれ割り当てられるとともに、そのバイオリアクタの動作中における動作管理のために使用可能な機能コンポーネントと、
機能コンポーネントの少なくとも第１のグループに対して動作中に制御信号を送るために、機能コンポーネントの第１のグループに接続されたコントロールユニットと、を備えるバイオテクノロジー装置の制御された操作方法であって、
動作中における機能コンポーネントの第１のグループの電力消費量を制御する方法は、
機能コンポーネントの第１のグループについての予め定められた全体の電力消費量に関する電子情報をコントロールユニット内に提供する工程と、
第１のグループにおける機能コンポーネントについてのそれぞれの現在の電力制御信号をコントロールユニット内で生成する工程と、
機能コンポーネントの第１のグループについてのそれぞれの現在の電力制御信号が考慮されるときに結果として生じる、現在の動作状況について現在必要とされる全体の電力消費量をコントロールユニット内で決定する工程と、
比較によって、機能コンポーネントの第１のグループについて、現在必要とされる全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きいことが示されるときにおいて、電力消費量を最適化するために、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程であって、その第１のグループにおいて、１つ以上の調整された電力制御信号を考慮するとともに調整されていない現在の電力制御信号を選択的に残すときに、調整された全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きくならないようにする工程と、
１つ以上の調整された電力制御信号と選択的に残された調整されていない現在の電力制御信号を、コントロールユニットを介して機能コンポーネントの第１のグループ内の機能コンポーネントに出力する工程と、を含む、方法である。
【００５８】
１つ以上のバイオリアクタと、
少なくとも１つのバイオリアクタにそれぞれ割り当てられるとともに、そのバイオリアクタの動作中における動作管理のために使用可能な機能コンポーネントと、
機能コンポーネントの少なくとも第１のグループに対して動作中に制御信号を送るために、機能コンポーネントの第１のグループに接続されたコントロールユニットと、を備えるバイオテクノロジー装置であって、
コントロールユニットは、以下の工程を行って、動作中における機能コンポーネントの第１のグループの電力消費量を制御し、その工程は、
機能コンポーネントの第１のグループについての予め定められた全体の電力消費量に関する電子情報をコントロールユニット内に提供する工程と、
第１のグループにおける機能コンポーネントについてのそれぞれの現在の電力制御信号をコントロールユニット内で生成する工程と、
機能コンポーネントの第１のグループについてのそれぞれの現在の電力制御信号が考慮されるときに結果として生じる、現在の動作状況について現在必要とされる全体の電力消費量をコントロールユニット内で決定する工程と、
比較によって、機能コンポーネントの第１のグループについて、現在必要とされる全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きいことが示されるときにおいて、電力消費量を最適化するために、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する工程であって、その第１のグループにおいて、１つ以上の調整された電力制御信号を考慮するとともに調整されていない現在の電力制御信号を選択的に残すときに、調整された全体の電力消費量が予め定められた全体の電力消費量よりも大きくならないようにする工程と、
１つ以上の調整された電力制御信号と選択的に残された調整されていない現在の電力制御信号を、コントロールユニットを介して機能コンポーネントの第１のグループ内の機能コンポーネントに出力する工程と、を含む、装置である。
【００５９】
上述の技術により、バイオテクノロジー装置におけるエネルギー効率の良い動作管理が可能となる。
【００６０】
１つの好ましい発展形によれば、機能コンポーネントの第１のグループからの機能ブロックについて現在の全体の電力消費量を決定するときに、その機能ブロックにそれぞれ割り当てられたダイナミックな電力の予備量が考慮される。ダイナミックな電力の予備量は、第１のグループ内の機能コンポーネントにおける個々の電力消費のダイナミックな変化を考慮する。ダイナミックな電力の予備量は、例えば、第１のグル―プからの機能コンポーネントについて現在必要とされる全体の電力消費量を決定するときに、個々の電力消費量に対して０よりも大きい係数を乗じることによって考慮することができる。機能エレメントに必要とされる全体の消費量Ｐｉは、次の式によって計算することができる。
【００６１】
【数３】
2014528249.tif 000005
【００６２】
ここで、Ｐ．ｓｕｍは、機能コンポーネントの第１のグループからの機能コンポーネントＰｉに現在必要とされる全体の電力消費量であり、Ｐｉ．ＳＰは、現在の電力制御信号であり、Ｐｉ．σｉは、変化量すなわちＰｉ．σｉ＞０の場合の変化量を表す。
【００６３】
１つの好適な変化形によれば、第１のグループについて予め定められた全体の電力消費量を決定するステップが実施され、そのステップにおいて、予め定められた全体の電力消費量は、動作中の機能コンポーネントで利用可能な最大の全電力消費量と機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量との差として決定され、第２のグループの機能コンポーネントは、第１のグループの機能コンポーネントと異なり、それぞれに割り当てられた現在の電力制御信号の調整について、少なくともその調整が各機能コンポーネントにおける電力の低減を生じさせるときはいつでもその調整から除外される。第２のグループの機能コンポーネントの電力は、好ましくは、それらに別々に割り当てられた電力コントローラによって制御される。第２のグループは、好ましくは、動作中において機能をフルに発揮しなければならない機能コンポーネントによって形成され、これは電力の割当量の低減によって悪影響を受ける可能性がある。このため、第２のグループの機能コンポーネントは、現在の電力制御信号の調整から完全かついかなる場合も除外される、すなわち、電力制御のための瞬間的な設定値の調整から除外される。予め定められた全体の電力消費量は、例えば、Ｐ．ｓｕｍ‘＝Ｓ．ｍａｘ−Ｆ．ｓｕｍという式から決定することができる。Ｓ．ｍａｘは、動作中において機能コンポーネントに利用可能な最大の全体の電力であり、Ｆ．ｓｕｍは、機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量である。
【００６４】
１つの有利な変化形によれば、機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量を決定するステップが実施され、機能コンポーネントにそれぞれ割り当てられたダイナミックな電力の予備量を考慮にいれながら、各最大電力消費量を第２のグループの機能コンポーネントに加算するようにして、そのステップが行われる。第２のグループの機能コンポーネントにおける個々の電力消費量のダイナミックな変化は、それぞれのファクタを含めることにより考慮することができる。第２のグループの機能コンポーネントの全体の消費量Ｆｊは、例えば、以下の式によって計算することができる。
【００６５】
【数４】
2014528249.tif 000006
【００６６】
ここで、Ｆ．ｓｕｍは、第２のグループからの機能コンポーネントＦｊについての全体の電力消費量であり、Ｆｉ．ＳＰは、現在の電力制御信号であり、Ｆｊ．σｊは、個々に割り当てられた変化量すなわちＦｊ．σｊ＞０の場合の変化量を表す。
【００６７】
好ましい発展形によれば、動作中の機能コンポーネントで利用可能な最大の全電力消費量を決定するステップが実施され、利用可能な最大の全電力消費量について低い側の閾値を決定し、その閾値を機能コンポーネントの第１のグループの予め定められた全電力消費量を決定する際に用いるようにして、そのステップが行われる。この発展形において、低い側の閾値は、利用可能な全体の電力の最大値について決定され、その最大値よりも小さい又は等しい。低い側の閾値は、機能コンポーネントの第２のグループに割り当てられた電力消費量を減算することにより、第１のグループの機能コンポーネントについて利用可能な最大の全体の電力を決定するための初期量として使用される。このような低い側の閾値を参照することにより、例えば、動作中における利用可能な最大の電力量に基づく電力のバッファを提供することができる。
【００６８】
１つの有利な変化形によれば、調整された電力制御信号は、機能コンポーネントの第１のグループからの１つ以上の機能コンポーネントについてそれぞれ決定され、その際に、調整された電力制御信号に基づいて調整される電力消費量が常に、各機能コンポーネントの最大の電力消費量よりも小さい、又は等しくなるようにする。｜Ｐｉ．ＳＰ‘｜が、調整された電力制御信号によって決定される電力消費量を表す場合、前記値はＰｉ．ｍａｘよりも小さい又は等しい。これにより、現在の電力制御信号を調整するときに、１つ以上の機能コンポーネントについて調整された電力制御信号は、関連する機能コンポーネントの最大の電力消費量の個々の値を超えない。これにより、特に、電力消費量の超過によって生じうる機能コンポーネントへのダメージを抑制することができる。
【００６９】
１つの発展形によれば、機能コンポーネントの第１のグループからの複数の機能コンポーネントについてそれぞれの現在の電力制御信号を調整する際に、相対的な電力分配量が維持される。現在の電力制御信号によって第１のグループの中の複数の機能コンポーネントについて結果的に生じる電力消費量の相対的な分配が、調整された電力制御信号に関して保存される。このことは、含まれる全ての電力制御信号に対して、平等な相対的値による調整が行われることを意味する。
【００７０】
バイオテクノロジー装置の有利な発展形と組み合わせて、前述した方法の好適な変形例への所見を適用してもよい。
【００７１】
本発明は、好ましい実施形態および図面を参照して説明される。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】複数のバイオリアクタにより形成されるバイオリアクタシステムを備えるバイオテクノロジー装置を示す図
【図２】図１のバイオリアクタシステムの温度コントローラを示す図
【図３】図２の温度コントローラの断面図
【図４】複数のバイオリアクタにより形成されるバイオリアクタシステムを備えるバイオテクノロジー装置を示す模式図（バイオリアクタのそれぞれは、ヒートポンプを介して共有のソース又はメイン熱ポテンシャルに熱的に接続される）
【図５】コントロールユニットが割り当てられた図４のバイオテクノロジー装置の別の模式図
【図６】電気的制御可能なヒートポンプの効率性（％）について、熱的な結合面における温度差ΔＴへの依存性を示すグラフ
【図７】ヒートポンプの効率性が温度差ΔＴにどのように依存するかを示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００７３】
図１は、複数のバイオリアクタ（生物反応器）１．１−１．４が埋め込まれたバイオリアクタシステムを備えるバイオテクノロジー装置の模式図である。複数のバイオリアクタ１．１−１．４は、動作のために、ベースブロック２内において、それぞれ対応した開口３．１−３．４内に取り出し可能に受けられている。このとき、複数のバイオリアクタ１．１−１．４のそれぞれは、ベースブロック２内に配置された温度コントローラに接続されている。バイオリアクタ１．１−１．４のそれぞれには、動作に必要な流体を供給又は回収するための接続部材４．１−４．４が取り付けられている。
【００７４】
ベースブロック２上には、コンテナを有する装置５が形成されている。
【００７５】
図１によると、土台となる機能ブロック２上に、２つ以上の機能ブロック６、７が重ねて配置されている。これらは取り外し可能であるとともに、ガス混合ステーションおよび／又は１つ以上のポンプなどを受けることができる。
【００７６】
図１のバイオリアクタシステムのベースブロック２の中には、バイオリアクタ１．１−１．４のための温度コントローラが実装されている。この温度コントローラは、バイオリアクタ１．１−１．４の動作中において、培養のための所望の温度に関して、動作環境を調節するために用いられる。温度コントローラについては、図２、３を用いて以下でより詳細に説明する。図２は、図１のバイオリアクタシステムの温度コントローラデバイスの模式図であり、図３は、図２に示す温度コントローラデバイスの断面図である。
【００７７】
図２によると、ハウジング２０内において、パワーユニット２１およびコントローラ電気機器２２が互いに隣接して配置されている。ハウジング後側２３においては、ファン２４、２５がハウジング２０の壁に組み込まれて配置されている。ファン２４、２５は、熱源ポテンシャルとして機能する基準ボディ２６（図３参照）に割り当てられるとともに、基準ボディ２６と協働する。このとき、ファン２４、２５が、バイオリアクタシステムの動作環境の温度を有している基準ボディ２６のための空気の流れを生成することにより、周囲の空気と基準ボディ２６の間での熱交換を確保するようにしている。
【００７８】
図３によると、バイオリアクタ１．２、１．４を受ける開口３．２、３．４は、べセル容器（vessel receptacles）２７．２、２７．４のそれぞれの中に形成されている。べセル容器２７．２、２７．４のそれぞれは、下方に配置されたヒートポンプ２８．２、２８．４に熱的に接続されている。ヒートポンプ２８．２、２８．４は、下方に配置されるとともにメインの熱ポテンシャルを形成する基準ボディ２６に部分的に熱的に接続されている。ここに示される実施形態では、ヒートポンプ２８．２、２８．４はそれぞれ、少なくともペルチェ素子によって形成されている、すなわち、電気エネルギーによって駆動可能なヒートポンプとして具現化されている。各べセル容器２７．２、２７．４と基準ボディ２６との相互の熱移動を誘発するために、電気的駆動エネルギーを供給することにより、ヒートポンプ２８．２、２８．４がバイオリアクタシステムの動作中に駆動される。このようにして、各べセル容器２７．２、２７．４が熱交換器として機能することにより、関連するバイオリアクタ１．２、１．４の温度が動作中に制御され、冷却又は加熱が行われる。
【００７９】
図２からも分かるように、基準ボディ２６は、その長さ全体に沿って形成された冷却フィン２９を備える。冷却フィン２９の間において、ファン２４、２５によって生成された空気流が流れる。
【００８０】
バイオリアクタ用の温度コントローラ／レギュレータの構造および機能については、図４−７を参照して以下で説明する。図４、５において、図１−３と同じ特徴には同じ参照符号を使用している。
【００８１】
図４は、複数のバイオリアクタ１．１−１．ｎによって形成されたバイオリアクタシステムを備えるバイオテクノロジー装置の模式図を示す。複数のバイオリアクタ１．１−１．ｎは、関連するヒートポンプ２８．１−２８．ｎを介して、基準ボディ２６によって形成される共有のソース又はメイン熱ポテンシャルにそれぞれ熱的に接続されている。
【００８２】
基準ボディ２６は、熱伝導率の高い材料からなる。現在の基準ボディ２６の温度はＴ０で表され、比熱容量はＣＨ０で表される。複数のバイオリアクタ１．１−１．ｎは、メイン熱ポテンシャルを形成する基準ボディ２６に一方的に熱的に接続されている。バイオリアクタ１．１−１．ｎのそれぞれは、関連するべセル容器２７．１−２７．ｎの中に配置された反応べセル（reactor vessel）３０．１−３０．ｎと、培養される培養物で部分的に満たされた培養チャンバ３１．１−３１．ｎとを備える。べセル容器２７．１−２７．ｎの外側は、断熱手段３３．１−３３．ｎによって、周囲に対して断熱されている。
【００８３】
割り当てられたそれぞれのヒートポンプ２８．１−２８．ｎ（例えば少なくとも１つのペルチェ素子によって電気駆動型のヒートポンプとして設計されることが好ましい）において、基準ボディ２６からべセル容器２７．１−２７．ｎへ又はその逆へ流れる正又は負の熱流Ｑｉが生じる。この熱流に、常に正である２つの熱損失流Ｑｌｏｓｓｉ／２が付加される。
【００８４】
図４によると、基準ボディ２６は、熱抵抗３４を介して動作環境３５に熱的に接続されている。動作環境３５の現在の温度は、予め定められた温度Ｔａｍｂである。メイン熱ポテンシャルを形成する基準ボディ２６と動作環境３５との間の熱流は、ＱＡｍｂ＝（Ｔａｍｂ−Ｔ０）／Ｒに等しい。
【００８５】
熱抵抗３４の適切な変化により、ＱＡｍｂおよびＴ０は、バイオリアクタの動作中において所望の範囲内で適切に制御される。実際には、ヒートシンクおよび制御可能ファンデバイスの組合せを用いて、様々に調整可能な熱移動を実行することができる（この点については、図２、３に関する上述の記載を参照）。
【００８６】
図４によると、ヒートポンプ２８．１−２８．ｎに対して電力供給部３６が設けられており、さらに、その最大電力レベルＳ．ｍａｘが定められている。
【００８７】
電気的制御可能なヒートポンプの効率性は、２つの結合面の間における熱の差に大きく影響を受ける。この関係は、図６、７に定性的に示される。図６は、電気的制御可能なヒートポンプの効率性（％）の依存性を示すグラフであり、熱的な結合面の間における熱の差ΔＴに依存する。
【００８８】
最大効率は、ΔＴ＝０Ｋのときに達成され、熱の差が増加するほど効率は低下する。入力された電力は、有効熱流量Ｑｉと熱損失流Ｑｌｏｓｓｉに分けられる。熱損失流はポジティブな貢献をもたらす一方で、プロセスターゲットの観点からは、培養物を加熱する際には、冷却の場合の状況を悪化させてしまう。これらの関係は、ヒートポンプに入力される所定の電力に関して図７に示される（曲線Ａ−Ｑｅｆｆ）。図７は、ヒートポンプの効率（％）が熱の差ΔＴにどのように依存しているかを示すグラフである。加熱の場合（ｙ軸の右側）には、入力された電力の大部分は、生物学的培養物に直接的に役立つが、冷却の場合（ｙ軸の左側）には、熱の差が大きくなるほど効率はより低下しやすくなる。システムの最適な（最大効率の）全体設計を実現するために、メインポテンシャルのセットポイント温度Ｔ０．ＳＰ（ＳＰは「セットポイント」、設定値のこと）は、バイオリアクタ内の培養物のセットポイント温度Ｔ１ｉ．ＳＰよりも小さく又は同じに設定される。
【００８９】
バイオリアクタ１．１−１．ｎ内の温度を制御する制御メカニズムについては、図５を参照してより詳細に説明する。
【００９０】
ヒートポンプ２８．１−２８．ｎは、メイン熱ポテンシャルを形成する基準ボディ２６に熱的にそれぞれ接続されている。一般的な動作管理システムにおいては、複数のバイオリアクタ１．１−１．ｎが加熱され、これは、基準ボディ２６から各バイオリアクタへの正の熱流に相当する。これにより、基準ボディ２６が冷却される。動作中の同じときに、他のバイオリアクタが冷却される場合、これらのバイオリアクタに割り当てられたヒートポンプから基準ボディ２６への正の熱移動が生じる。動作管理が理想的である場合、基準ボディ２６からの熱移動および基準ボディ２６への熱移動が互いに補完しあうことにより、基準ボディ２６の温度変化が生じない、又は極めて小さくなる。これにより、システム全体として最大エネルギー効率にて動作する。
【００９１】
生物的新陳代謝の非常に大きな割合において、このような用途における最適かつ典型的な温度の範囲は概ね２５−４０℃である。新陳代謝のプロセスは、熱を生成するバイオテクノロジーシステムによって達成され、同様に、この生物学的システムでの最大温度も前述の温度範囲内となる。バイオリアクタシステムは通常、概ね２０―３０℃の大気温度Ｔａｍｂを有する実験室にて動作される。適切に設定される場合、基準ボディ２６の温度Ｔ０は、Ｔａｍｂの近傍に設定される。このような状況では、Ｔ１ｉ、Ｔ２ｉが概ね２５−４０℃の生物学的関連動作範囲内にあるとともに、Ｔ０は概ね２０−３０℃とＴａｍｂに近くなっており、このとき、ヒートポンプ２８．１−２８．ｎの結合面における温度差は小さくなり、効率は最大となる。
【００９２】
１つ又は複数の培養物における新陳代謝プロセスのダイナミクスが所定のときに変化すると（ここでは、実際によく使用される冷却機能に対応する）、システムはこの点に関する理想的な動作ポイントに近づき始める。結合面における温度差が大きくなることによって、冷却中におけるヒートポンプの効率性は低下するが、生物的活動も同時に低下しながら、培養物によって所定の熱が生成されることにより、結果的にその効果は互いに部分的に補完し合う。
【００９３】
図５によると、培養物の温度Ｔ１ｉ．ＳＰの設定値（ＳＰ）は、外部温度コントローラ４０に予め定められる。外部温度コントローラ４０は、例えば変調ＰＩＤコントローラであって、オペレーティングソフトによって少なくとも部分的に実行される。培養物の温度Ｔ１ｉ．ＳＰ（ｉ＝１、・・、ｎ）の設定値（ＳＰ）は、外部温度コントローラ４０の設定値入力４１に付与される。プロセス値Ｔ１ｉ．ＰＶ（ＰＶ：「プロセス値」）は、外部温度コントローラ４０のプロセス値入力４２に付与される。コントローラ出力信号は、設定温度とプロセス温度Ｔ１ｉ．ＰＶを比較するとともに、コントローラパラメータを考慮することにより計算される。計算されたコントローラ出力信号は、外部温度コントローラ４０の出力ターミナル４３を介して出力される。この信号は同時に、Ｔ２ｉ．ＳＰとして表されるべセル容器２７．１の設定温度でもあり、Ｔ２ｉ．ＳＰは、設定値入力４５において内部温度コントローラ４４に付与される。プロセス値Ｔ２ｉ．ＰＶは、内部温度コントローラ４４のプロセス値入力４６に適用される。
【００９４】
培養チャンバ３１．１の温度と、リアクタべセル３０．１又はべセル容器２７．１の温度との最大の温度差は、適切なＴ２ｉ．ＳＰの上限又は下限によって定義することができ、それは絶対値であっても、培養物の温度Ｔ１ｉ．ＳＰ又はＴ１ｉ．ＰＶに対する相対的な温度であってもよい。このようにして、過加熱又は過冷却による生物学的システムへのダメージを有効に防止することができる。
【００９５】
内部温度コントローラ４４は、例えばソフトウェアによって実行される変調ＰＩＤコントローラであってよく、コントローラパラメータを考慮に入れながら、設定値Ｔ２ｉ．ＳＰおよびべセル容器２７．１のプロセス値Ｔ２ｉ．ＰＶからコントローラ出力信号Ｐｉ．ＳＰを計算する。コントローラ出力信号Ｐｉ．ＳＰは、出力ターミナル４７を介して出力され、コントローラブロック５０に付与される。この設定値Ｐｉ．ＳＰを適切に制限することにより、ヒートポンプ２８．１をオーバーロードから保護することができる。またこのようにすることで、システムを通じて負荷を配分することができる。これについては以降でより詳細に説明する。
【００９６】
この点において、コントローラブロック５０を用いることで、高レベルの電力管理を実行することができる。修正されたコントローラ信号Ｐｉ．Ｓｐ‘は、出力ターミナル５３を介して出力され、電力コントローラ４９の設定値入力４８に供給される（以下の説明を参照）。
【００９７】
プロセス値Ｐｉ．ＰＶは、電力コントローラ４９上のプロセス値入力５１に供給される。ヒートポンプ２８．１内に誘導される電力のプロセス値Ｐｉ．ＰＶが、コントローラブロック５０によって出力される設定値Ｐｉ．ＳＰ‘に対応するように、電力コントローラ４９はヒートポンプ２８．１のコントローラ５２を制御する。誘導される電力のプロセス値Ｐｉ．ＰＶは通常、電気式ヒートポンプの場合には現在の消費量と電圧の供給量を測定することにより決定される。コントローラ５２は、例えばＰＷＭフルブリッジによって実現され、「関連するヒートポンプのパワーエレクトロニクス」とも呼ばれるが、コントローラ５２の効率性は、次のテーブルに例示されるように算術的に考慮することができる。
【００９８】
【表１】
2014528249.tif 000007
【００９９】
例示として記載された実施形態では、電力コントローラ４９は、ヒートポンプ２８．１で実際によく生じる非線形性（nonlinearities）および連続スプレッド（serial spread）を補正する。電力コントローラ４９は、使用中のヒートポンプ２８．１の挙動を能動的に線形化する。コンポーネントによる分散は、電力の直接的な計測により補正される。これにより、生産中においてエレメントをソートする必要がないので、効率的に動作するロバストコントローラが形成される。
【０１００】
より単純な実施形態では、外部温度コントローラ４０の出力信号は、外部コントローラ４４および電力コントローラ４９を除外することにより、コントローラ５２に直接的に使用することができる。別の実施形態では、電力コントローラ４９を使用することなく、内部温度コントローラ４４を外部温度コントローラ４０から下流に接続することができる。別の実施形態では、出力４３を、電力コントローラ４９の設定値入力４８に直接的に与えることができる。
【０１０１】
温度制御される各システムコンポーネントの（継続的に低下する）熱容量に類似する外部温度コントローラ４０、内部温度コントローラ４４および電力コントローラ４９とともに、制御ループのダイナミクスは増加する。電力コントローラ４９の通常の調整速度は、数ミリ秒から最大１秒の範囲である。内部温度コントローラ４４の制御ダイナミクスは通常、数秒から数分の間である。外部温度コントローラ４０の調整速度は通常、１桁―２桁の分の値の間である。
【０１０２】
相互接続された制御ループは、それらに割り当てられた制御対象のシステムの移動特性をそれぞれ線形化する。これにより、大きなロバスト性を実現するとともに、極めて正確で精密な制御を行うことができる。
【０１０３】
相互接続された制御ループのそれぞれは、その制御パラメータの観点で、それに割り当てられた制御対象のシステムのダイナミックな移動特性に対して、最適に調整される。これを実現するために、制御ループのダイナミックな挙動を事前に実験から決定することができるとともに、その決定されたダイナミクスに関する情報（例えば、ダイナミックな挙動の特徴を示す操作パラメータ）をソフトウェアに記憶することができる。このような手法は広く知られているため、詳細な説明を必要としない。このようにして、システム全体における最適な制御ダイナミクスを実現することができる。
【０１０４】
さらなるコントローラ５４は、メインポテンシャルを形成する基準ボディ２６と周囲環境３５との間の結合部における熱抵抗３４を、設定値およびプロセス値の温度Ｔ０および現在の負荷状況に応じて制御する。この目的のために、例えばファン２４、２５などの形態の作動部材５５が使用される。
【０１０５】
培養チャンバ３１．１−３１．ｎの温度と、べセル容器２７．１−２７．ｎのリアクタべセル３０．１−３０．ｎの温度の最大温度差を具体的に定義および制御することにより、過加熱および過冷却によって培養物内の生物学的システムに起こりうるダメージを能動的に防止することができる。このことは、コントローラ４４、４９を備える内部温度制御ループの強いシステムダイナミクスによる過渡電流（transients）／移動（transfer）についても保証することができる。
【０１０６】
コスト効率および電力節約の理由により、バイオリアクタの温度を管理するデバイスをいわゆるマルチ電圧の電力供給ユニットとともに動作させることができる。マルチ電圧の電力供給ユニットは、各国ごとの一次電圧を、統一された安全な超低電圧に変換する。
【０１０７】
制御ブロック５０（図５参照）は特に、全てのｎ―設定値Ｐｉ．ＳＰの電力消費を合算する。この合算信号Ｐ．ｓｕｍは、システムでの負荷分配の際に使用され、特に、ヒートポンプ２８．１―２８．ｎに個々に割り当てられる電力の分配管理のために使用される。このような（高レベルの）電力管理システムの中に、バイオテクノロジー装置の他の機能コンポーネントを含んでもよく、あるいは、このような電力管理システムを、ヒートポンプ２８．１―２８．ｎが含まれない他の機能コンポーネントのために提供してもよい。したがって、以降の説明では、言及されているグループは、バイオテクノロジー装置の機能エレメントの任意のグループであり、これは特別なケースの場合にはヒートポンプ２８．１―２８．ｎである。
【０１０８】
機能コンポーネントＰｉは以下の特性を有する。
【０１０９】
【表２】
2014528249.tif 000008
【０１１０】
バイオテクノロジー装置は、電力管理を直接的には受けない代わりに電力管理についての外的な時間ベースの条件を供給する他の機能コンポーネントＦｊ（ｊ＝１、・・、ｍ）を備えてもよい。他の機能コンポーネントＦｊの典型的な実施形態は、撹拌駆動部、ガス混合システム、バルブおよび／又はポンプ駆動部である。
【０１１１】
電力割当量の低減による調整のわずかな遅れについて容易に対処可能な機能コンポーネントＰｉと比較すると、特定の機能コンポーネントは常にその機能を発揮可能である必要がある。この理由により、このようなコンポーネントは、電力割当量の低減によって中断されるべきではないが、このことは、提案される電力管理システムの下で生じる可能性がある。
【０１１２】
他の機能コンポーネントＦｊは以下の特性を有する。
【０１１３】
【表３】
2014528249.tif 000009
【０１１４】
電力供給Ｓは、機能コンポーネントＰｉおよび他の機能コンポーネントＦｊに提供される、すなわち、上述の実施形態における電力供給部３６によって提供される。
【０１１５】
電力供給Ｓは以下の特性を有する。
【０１１６】
【表４】
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【０１１７】
最小の出力電力Ｓ．ｍａｘを特定するために、機能コンポーネントＰｉおよび機能コンポーネントＦｊにおける電力消費量は、もし同時性ファクターが既知であればそれに基づいてもよい。以下の変形例は、他の機能コンポーネントＦｊの同時性（１）に基づく、すなわち、全てのコンポーネントをＦｊ．ｍａｘにて同時に操作することができる。
【０１１８】
第１のステップは、以下の式のように、機能コンポーネントＰｉの最大電力消費量の合計を決定するものである。
【０１１９】
【数５】
2014528249.tif 000011
【０１２０】
他の機能コンポーネントＦｊの最大電力消費量の合計は、以下の式により計算される。
【０１２１】
【数６】
2014528249.tif 000012
【０１２２】
電力供給Ｓの最大電力出力の最小値は、以下の式のように、決定される。
【０１２３】
【数７】
2014528249.tif 000013
【０１２４】
係数αは、理論的には（０−１）の範囲内であり、通常であれば用途に応じて例えば（０．２−０．８）の範囲内で選択される。
【０１２５】
上述したヒートポンプ２８．１―２８．ｎ（図５参照）のバイオテクノロジー装置において、搭載された電力定格（power rating）の最も大きな割合は、通常の場合、温度制御のための機能エレメントＰｉに見られる。
【０１２６】
ヒートポンプ２８．１―２８．ｎの完全な搭載電力は、稀なケースでのみ必要とされ、さらに、そのようなケースでは、他の機能コンポーネントＦｊにおいて最大電力Ｆｊ．ｍａｘが要求される可能性は極わずかである。これは、係数αを比較的小さい値（０．２−０．５）に選択可能であることを意味する。これにより、コストや電力のロスあるいはカットイン電流のようなマイナスの結果を伴う電力供給の過設計を回避することができる。
【０１２７】
以下において、電力消費量の分配を決定する方法を例示的に説明する。第１のステップでは、電力消費に関する現在の動作状況が決定される。
【０１２８】
機能エレメントＰｉに必要とされる電力消費量の合計が決定される。オプションとして、変化量Ｐｉ．σｉを用いて（すなわち、Ｐｉ．σｉ＞０）、個々のダイナミックな予備量（dynamic reserve）を考慮してもよい。
【０１２９】
【数８】
2014528249.tif 000014
【０１３０】
他の機能エレメントＦｊの全電力消費量についての現在のプロセス値が決定される。変化量Ｆｊ．σを用いて（すなわち、Ｆｊ．σ＞０）、個々のダイナミックな予備量を考慮してもよい。
【０１３１】
【数９】
2014528249.tif 000015
【０１３２】
このようにして、機能コンポーネントＰｉおよび／又は他の機能エレメントＦｊの個々の電力消費量をダイナミックに変更することができ、オプションとして例えば、異なる動作状況を考慮してもよい。
【０１３３】
現在の動作状況に必要とされる全体の電力Ｓ．ｓｕｍが、以下の式のように決定される。
【０１３４】
【数１０】
2014528249.tif 000016
【０１３５】
Ｓ．ｓｕｍが電力供給の現在利用可能な最大出力値であるＳ．ｍａｘよりも小さい又は同じである場合には、以下の式のように、全ての機能エレメントＰｉに対して必要な電力が安全に提供される。
【０１３６】
【数１１】
2014528249.tif 000017
【０１３７】
しかしながら、Ｓ．ｓｕｍが電力供給の現在利用可能な最大出力値であるＳ．ｍａｘよりも大きい場合には、安全な動作のために、複数の機能エレメントＰｉにおいて利用可能な電力を分配する適切な戦略を適用する必要がある。この目的のために別の変形例を利用することもできる。
【０１３８】
１つの変形例では、機能エレメントＰｉに分配可能な全体の電力Ｐ．ｓｕｍ‘が、以下の式のように決定される。
【０１３９】
【数１２】
2014528249.tif 000018
【０１４０】
１つの好ましい実施形態は、複数の機能エレメントＰｉにおける電力に関する既存の相対的な分配を継続することを試みる。この目的のために、以下の式のように、範囲がαから１である減少係数ｘが計算される。
【０１４１】
【数１３】
2014528249.tif 000019
【０１４２】
さらなるステップにおいて、個々の電力設定値Ｐｉ．ＳＰ‘が、以下の式のように計算される。
【０１４３】
【数１４】
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【０１４４】
これらの低減された電力設定値に基づいて、システム全体が安全かつ信頼性高く管理される。
【０１４５】
上述の電力制御概念を実行するための前提条件は、機能エレメントＰｉが少なくとも以下の種類の制御のうちの少なくとも１つに従うことである。その制御とは、個々の電力消費量を変更／調整可能なエレメントが含まれること、および、電力消費量が一定の（変更不可能な）複数のエレメントを含むが、これらは個々で又はグループで動作のオン／オフが可能であることの２つである。
【０１４６】
システム又は機能コンポーネントに対する制御された電力の提供は、それぞれの機能コンポーネントが同じ電力を共有するように、含まれる全てのコンポーネントの平均化により実行されてもよい。代替的に又は付加的に、電力を供給する際にシステムコンポーネントに重み付けを行ってもよい。例えば、選択されたシステムコンポーネントについては、常に最大の電力要求が提供されてもよい。あるいは、このようなシステムコンポーネントをシャットダウンから完全に除外してもよい。このようなシステムコンポーネントにおいて、供給される電力の低減を所定のパーセント量、例えば、通常／最大の電力消費量の３０％に制限してもよい。
【０１４７】
ここで提案した負荷管理システムは、バイオリアクタシステムにおけるシステム又は機能コンポーネントの任意の組み合わせについて実現することができる。特定の実施形態についての上述の説明は温度制御デバイスに基づいている。同様に、バイオリアクタシステム内の各バイオリアクタに割り当てられた攪拌機および／または温度制御デバイスに対して、共通の負荷管理システムを用いてもよい。
【０１４８】
上記詳細な説明、特許請求の範囲および図面の中に開示された発明の特徴は、発明を実現するにあたってそれぞれ分離しておよび任意の組合せにて各種実施形態中において重要であってもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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