(57)【要約】  方法は、流量センサ（７０）によって、膜ろ過システム（１２）のフィルタ（２０）を通って流れる浸透流体（４８）の流速を測定するステップを含む。さらに、方法は、コントロールユニット（８６）によって、浸透流体（４８）の測定された流速を受け取るステップと、コントロールユニット（８６）によって、浸透流体（４８）の測定された流速に基づいて、フィルタ（２０）の第１の流束率を決定するステップとを含む。さらに、方法は、コントロールユニット（８６）によって、決定された第１の流束率を第１の所定の流束率と比較するステップを含む。加えて、方法は、コントロールユニット（８６）によって、決定された第１の流束率と第１の所定の流束率との比較に基づいて、膜ろ過システム（１２）を通常モードまたは流束容認モードで動作させるステップとを含む。膜ろ過システム（１２）の流束容認モードは、フィルタ（２０）の決定された正規化透水率値にさらに基づく。
2021527564.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
システム（１０）の動作の方法であって、
流量センサ（７０）によって、膜ろ過システム（１２）のフィルタ（２０）を通って流れる浸透流体（４８）の流速を測定するステップと、
コントロールユニット（８６）によって、前記浸透流体（４８）の前記測定された流速を表す信号を受け取るステップと、
前記コントロールユニット（８６）によって、前記浸透流体（４８）の前記測定された流速の信号に基づいて、前記フィルタ（２０）の第１の流束率を決定するステップと、
前記コントロールユニット（８６）によって、前記決定された第１の流束率を第１の所定の流束率と比較するステップと、
前記コントロールユニット（８６）によって、前記決定された第１の流束率と前記第１の所定の流束率との前記比較に基づいて、通常モードまたは流束容認モードで前記膜ろ過システム（１２）を動作させるステップであって、前記膜ろ過システム（１２）の前記流束容認モードが、前記フィルタ（２０）の決定された正規化透水率値にさらに基づく、ステップと
を含む、方法。
【請求項２】
前記膜ろ過システム（１２）を動作させるステップが、前記決定された第１の流束率が前記第１の所定の流束率より小さい場合、前記膜ろ過システム（１２）の少なくとも１つの動作パラメータを制御することによって、前記膜ろ過システム（１２）を前記通常モードで動作させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記少なくとも１つの動作パラメータが、前記膜ろ過システム（１２）の浸透ポンプ（４６）の速度、前記膜ろ過システム（１２）の供給ポンプ（３４）の速度、前記膜ろ過システム（１２）の浸透流路（４２）の第１の圧力制御弁（４４）の作動、および前記膜ろ過システム（１２）の貯留流路（５０）の第２の圧力制御弁（５２）の作動を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記膜ろ過システム（１２）を動作させるステップが、前記膜ろ過システム（１２）の前記少なくとも１つの動作パラメータを制御した後に、前記決定された第１の流束率が前記第１の所定の流束率以上である場合、前記膜ろ過システム（１２）を前記通常モードで動作させるステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記膜ろ過システム（１２）を動作させるステップが、前記膜ろ過システム（１２）の前記少なくとも１つの動作パラメータを制御した後に、前記決定された第１の流束率が前記第１の所定の流束率より小さい場合、前記膜ろ過システム（１２）を前記流束容認モードで動作させるステップを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記膜ろ過システム（１２）を動作させるステップが、前記フィルタ（２０）をきれいにするために、前記フィルタ（２０）を通るように水（６６）を導くことによって前記膜ろ過システム（１２）を前記流束容認モードで動作させるステップを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記膜ろ過システム（１２）を前記流束容認モードで動作させるステップが、前記フィルタ（２０）の所定の流束および前記フィルタ（２０）の決定された膜透過圧に基づいて、前記フィルタ（２０）の前記正規化透水率値を決定するステップを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記膜ろ過システム（１２）を前記流束容認モードで動作させるステップが、前記フィルタ（２０）の前記決定された正規化透水率値を前記フィルタ（２０）の所定の基本値と比較するステップを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記膜ろ過システム（１２）を前記流束容認モードで動作させるステップが、前記フィルタ（２０）の前記決定された正規化透水率値が前記フィルタ（２０）の前記所定の基本値の所定の割合より小さい場合に、インジケータ（９２）を作動させて前記フィルタ（２０）の交換を表示するステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記膜ろ過システム（１２）を動作させるステップが、前記フィルタ（２０）の前記決定された正規化透水率値が前記フィルタ（２０）の前記所定の基本値の所定の割合以上である場合に、前記膜ろ過システム（１２）を前記通常モードで動作させるステップを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記膜ろ過システム（１２）を前記通常モードで動作させるステップが、前記第１の所定の流束率を、前記第１の所定の流束率より小さい第２の所定の流束率に再設定するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記コントロールユニット（８６）によって、前記フィルタ（２０）の動作情報を表す一意の識別子（８９）を記憶するステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
システム（１０）であって、
フィルタ（２０）を備える膜ろ過システム（１２）と、
前記膜ろ過システム（１２）に結合されるコントロールシステム（１４）であって、前記コントロールシステム（１４）が、
前記膜ろ過システム（１２）に結合され、前記フィルタ（２０）を通って流れる浸透流体（４８）の流速を測定するように構成される流量センサ（７０）、および
前記流量センサ（７０）に通信可能に結合されるコントロールユニット（８６）であって、
前記浸透流体（４８）の前記測定された流速を受け取り、前記浸透流体（４８）の前記測定された流速に基づいて、前記フィルタ（２０）の第１の流束率を決定し、
前記決定された第１の流束率と第１の所定の流束率とを比較し、
前記決定された第１の流束率と前記第１の所定の流束率との前記比較に基づいて、前記膜ろ過システム（１２）を通常モードまたは流束容認モードで動作させるように構成され、前記膜ろ過システムの前記流束容認モードが、前記フィルタ（２０）の決定された正規化透水率値にさらに基づく、コントロールユニット（８６）
を備える、コントロールシステム（１４）と
を備える、システム（１０）。
【請求項１４】
前記膜ろ過システム（１２）が、
浸透ポンプ（４６）、および浸透流路（４２）に結合される第１の圧力制御弁（４４）と、
供給流路（１８）に結合される供給ポンプ（３４）と、
貯留流路（５０）に結合される第２の圧力制御弁（５２）と
をさらに備える、請求項１３に記載のシステム（１０）。
【請求項１５】
前記コントロールユニット（８６）が、前記浸透ポンプ（４６）、前記第１の圧力制御弁（４４）、前記供給ポンプ（３４）、および前記第２の圧力制御弁（５２）に結合され、
前記コントロールユニット（８６）が、前記決定された第１の流束率と前記第１の所定の流束率との前記比較に基づいて、前記浸透ポンプ（４６）の速度、前記供給ポンプ（３４）の速度、前記第１の圧力制御弁（４４）の作動、および前記第２の圧力制御弁（５２）の作動を制御するように構成される、請求項１４に記載のシステム（１０）。
【請求項１６】
前記コントロールシステム（１４）が、前記浸透流路（４２）に結合される第１の圧力センサ（７２）、前記供給流路（１８）に結合される第２の圧力センサ（７３）、および前記貯留流路（５０）に結合される第３の圧力センサ（８２）をさらに備え、前記コントロールユニット（８６）が、前記第１の圧力センサ（７２）、前記第２の圧力センサ（７３）、および前記第３の圧力センサ（８２）に通信可能に結合され、前記第１の圧力センサ（７２）、前記第２の圧力センサ（７３）、および前記第３の圧力センサ（８２）からの出力に基づいて、前記フィルタ（２０）の膜透過圧を決定するように構成される、請求項１４に記載のシステム（１０）。
【請求項１７】
前記コントロールシステム（１４）が、前記コントロールユニット（８６）に結合されるインジケータ（９２）をさらに備え、前記コントロールユニット（８６）が、前記フィルタ（２０）の前記決定された正規化透水率値が前記フィルタ（２０）の前記所定の基本値の所定の割合より小さい場合に、前記インジケータ（９２）を作動させて前記フィルタ（２０）の交換を表示するように構成される、請求項１３に記載のシステム（１０）。
【請求項１８】
前記コントロールユニット（８６）が、前記フィルタ（２０）の動作情報を表す一意の識別子（８９）を記憶するように構成されるメモリユニット（９０）を備える、請求項１３に記載のシステム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書の実施形態は、一般に、膜ろ過システムに関し、より詳細には、膜ろ過システムのフィルタの健全性を監視するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
溶液または混合物として多くの物質が存在することによって、溶液または混合物を分離するために開発されるべきプロセスの必要性が生じた。化学、薬学、食品、石油、健康管理、および汚水用途でのプロセスの流れにおいて物質を浄化、回収、隔離、および除去する必要があることによって、分離技術についての必要性に拍車がかかった。近年では、膜ベースのろ過が、多くの分離用途で重要性を増している。
【０００３】
最も一般的な膜ろ過プロセスは、精密ろ過（ＭＦ）、限界ろ過（ＵＦ）、および逆浸透（ＲＯ）である。膜ろ過プロセスは、圧力で駆動され、膜フィルタを使用して流体から高分子を分離するために使用される。フィルタの膜の小さい膜透過圧では、膜流束は流体圧に比例する。「膜流束」という用語は、フィルタの膜の、単位面積当たりの媒体の流速のことをいう。膜フィルタは、混合物のある構成成分が通過するのを許可する一方で、混合物の他の構成成分を保持することにより、選択的障壁としての機能を果たす。ろ過プロセスによって、２つの相、すなわち浸透相と貯留相がもたらされる。
【０００４】
膜分離プロセスの使用に関連する欠点は、膜フィルタの汚染として知られている現象である。汚染は、膜の表面または膜の細孔への付着物と呼ばれる材料の堆積であり、膜性能の変化または膜の完全な詰まりさえもたらす。結果として、フィルタの目詰まりに起因して、フィルタ効率が減少し、それによって、今度はろ過品質に影響が及び、全体的な処理時間が増加する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
膜フィルタの最適で効果的な使用を可能にするために、膜フィルタの健全性を常時監視する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書の一態様によれば、方法が開示される。方法は、流量センサによって、膜ろ過システムのフィルタを通って流れる浸透流体の流速を測定するステップを含む。さらに、方法は、コントロールユニットによって、浸透流体の測定された流速を受け取るステップと、コントロールユニットによって、浸透流体の測定された流速に基づいて、フィルタの第１の流束率を決定するステップとを含む。さらに、方法は、コントロールユニットによって、決定された第１の流束率を第１の所定の流束率と比較するステップを含む。加えて、方法は、コントロールユニットによって、決定された第１の流束率と第１の所定の流束率との比較に基づいて、膜ろ過システムを通常モードまたは流束容認モードで動作させるステップを含む。膜ろ過システムの流束容認モードは、フィルタの決定された正規化透水率値にさらに基づく。
【０００７】
本明細書の別の態様によれば、システムが開示される。システムは、フィルタを有する膜ろ過システムと、膜ろ過システムに結合されるコントロールシステムとを含む。コントロールシステムは、膜ろ過システムに結合され、フィルタを通って流れる浸透流体の流速を測定するように構成される流量センサと、流量センサに通信可能に結合されるコントロールユニットとを含む。コントロールユニットは、浸透流体の測定された流速を受け取り、浸透流体の測定された流速に基づいて、フィルタの第１の流束率を決定するように構成される。コントロールユニットは、決定された第１の流束率を第１の所定の流束率と比較するようにさらに構成される。さらに、コントロールユニットは、決定された第１の流束率と第１の所定の流束率との比較に基づいて、膜ろ過システムを通常モードまたは流束容認モードで動作させるように構成される。ろ過システムの流束容認モードは、フィルタの決定された正規化透水率値にさらに基づく。
【０００８】
同様の文字が図面の全体を通して同様の部分を表す添付図面を参照して、以下の詳細な説明を読むと、本開示のこれらおよび他の特徴、態様、および利点をより良く理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本明細書の一実施形態による、膜ろ過システムと膜ろ過システムに結合されるコントロールシステムとを有するシステムの概略図である。
【図２】図１の実施形態によるシステムを動作させる方法を図示するフローチャートである。
【図３】本明細書の実施形態による、膜ろ過システムの動作のサイクルの数に対する、膜ろ過システムのフィルタの流速率の変動を図示するグラフ表示である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
別段の指示がない限り、本明細書で使用される技術用語および科学用語は、本開示が属する分野における当業者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有する。本明細書で使用する「第１の」、「第２の」などといった用語は、何らかの順序、量、または重要度を示さず、むしろ１つの要素を別のものから区別するために使用される。また、「ａ」および「ａｎ」といった用語は、量の限定を示さず、むしろ参照される物品のうちの少なくとも１つの存在を示す。本明細書における、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有する（ｈａｖｉｎｇ）」といった用語およびそれらのバリエーションの使用は、その後にリスト化される項目およびそれらの均等物ならびに追加の項目を包含することを意味する。「通信可能に結合される」および「結合される」という用語は、物理的または機械的な接続または結合に限定されず、直接的であれ、間接的であれ、電気的接続またはワイヤレス結合を含むことができる。
【００１１】
本明細書の実施形態によれば、膜ろ過システムおよびコントロールシステムを有するシステムが開示される。コントロールシステムは、膜ろ過システムに結合され、膜ろ過システムのフィルタを通って流れる浸透流体の流速を測定するように構成される流量センサを含む。コントロールシステムは、流量センサに通信可能に結合されるコントロールユニットをさらに含む。コントロールユニットは、浸透流体の測定された流速を受け取り、浸透流体の測定された流速に基づいて、フィルタの第１の流束率を決定し、決定された第１の流束率を第１の所定の流束率と比較するように構成される。コントロールユニットは、決定された第１の流束率と第１の所定の流束率との比較に基づいて、膜ろ過システムを通常モードまたは流束容認モードで動作させるようにさらに構成される。膜ろ過システムの流束容認モードは、フィルタの決定された正規化透水率（ＮＷＰ：Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ  Ｗａｔｅｒ  Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ）値にさらに基づく。別の実施形態によれば、膜ろ過システムを動作させる方法が開示される。本明細書の実施形態によれば、例示的なコントロールシステムは、膜ろ過システムのフィルタの寿命を監視することを可能にし、フィルタの決定された第１の流束率およびＮＷＰ値に基づいて、膜ろ過システムの動作の繰り返されるサイクルにわたるフィルタの使用を最適化することを容易にする。
【００１２】
図１を参照すると、本明細書の一実施形態による、膜ろ過システム１２と、膜ろ過システム１２に結合されるコントロールシステム１４とを有するシステム１０の概略図が示される。図示された実施形態では、膜ろ過システム１２は、フィルタ（すなわち、膜フィルタ）２０に供給流路１８を介して結合される貯蔵器１６を含む。フィルタ２０は、膜２６によって分離される入口部２２および出口部２４を有する。入口部２４は、入口２８と第１の出口３０とを有する。出口部２４は、第２の出口３２を有する。
【００１３】
膜ろ過システム１２は、供給ポンプ３４および供給流路１８に結合される供給制御弁３６をさらに含む。供給ポンプ３４は、供給制御弁３６の上流に置かれる。貯蔵器１６は、一時的な供給流体３８の貯蔵のために使用される。具体的には、供給ポンプ３４は、貯蔵器１６からフィルタ２０の入口２８に供給流路１８を介して所定の圧力で供給流体３８を供給するために使用される。供給制御弁３６は、供給流路１８を介した供給流体３８の流れを許可するまたは停止するために使用される。
【００１４】
加えて、膜ろ過システム１２は、浸透流路４２を介して第２の出口３２に結合される収集タンク４０を含む。膜ろ過システム１２は、第１の圧力制御弁４４および浸透流路４２に結合される浸透ポンプ４６をやはり含む。浸透ポンプ４６は、第１の圧力制御弁４４の下流に置かれる。フィルタ２０は、フィルタ２０の両端間の圧力差を利用することによって、供給流体３８から浸透流体４８を分離するために使用される。第１の圧力制御弁４４は、フィルタ２０の第２の出口３２を介して浸透流路４２を通って流れる浸透流体４８の圧力を制御するために使用される。具体的には、第１の圧力制御弁４４の開口の量は、フィルタ２０の第２の出口３１を介して浸透流路４２を通って流れる浸透流体４８の圧力を制御するために制御することができる。浸透ポンプ４６は、浸透流路４２を介して収集タンク４０に所定の圧力で浸透流体４８を供給するために使用される。
【００１５】
さらに、貯蔵器１６は、貯留流路５０を介してフィルタ２０の第１の出口３０に結合される。膜ろ過システム１２は、貯留流路５０に結合される第２の圧力制御弁５２をやはり含む。第２の圧力制御弁４４は、フィルタ２０の第１の出口３０を介して貯留流路５０を通って流れる貯留流体５４の圧力を制御するために使用される。貯留流体５４は、浸透流体４８の分離後の、供給流体３８の残りの部分である。貯留流体５４は、貯留流路５０を介して貯蔵器１６に供給される。具体的には、フィルタ２０の第１の出口３０を介して貯留流路５０を通って流れる貯留流体５４の圧力を制御するために、第２の圧力制御弁４４の開口の量が制御される。さらに、供給源５６が流路５８を介して貯蔵器１６に結合される。供給源５６は、供給流体３８の貯蔵のために使用される。移送ポンプ６０が流路５８に結合され、供給源５６から貯蔵器１６に流路５８を介して供給流体３８を移送するために使用される。要求があるときはいつでも、移送ポンプ６０は、追加の供給流体３８で貯蔵器１６を補充するように動作する。
【００１６】
加えて、膜ろ過システム１２は、入口経路６２を介して供給ポンプ３４の上流の供給流路１８の一部に結合される水供給源（図示せず）を含む。入口経路６２は、制御弁６４を介して供給流路１８の部分に結合される。制御弁６４は、供給流路１８を通した、供給流体３８または水６６のいずれかの流れを許可するために使用される。排水タンク（図示せず）が、第２の圧力制御弁５２の下流で、出口経路６８を介して貯留流路５０の一部に結合される。出口経路６８は、制御弁６９を介して貯留流路５０の部分に結合される。１つの事例では、制御弁６９は、水６６を貯留流路５０を介して排水タンクに導くために使用される。別の事例では、制御弁６６は、貯留流体５４を貯蔵器１６に導くために使用される。本明細書において、説明した膜ろ過システム１２は例示的な実施形態であり、限定するものと解釈すべきでないことに留意されたい。膜ろ過システム１２の構成は、用途に応じて変わってよい。
【００１７】
説明した実施形態において、コントロールシステム１４は、流量センサ７０および浸透流路４２に結合される第１の圧力センサ７２を含む。流量センサ７０は、第１の圧力制御弁４４の下流で浸透ポンプ４６の上流に置かれる。第１の圧力センサ７２は、第１の圧力制御弁４４の上流に置かれる。流量センサ７０は、フィルタ２０を通って浸透流路４２に流れる浸透流体４８の流速を測定するために使用される。一実施形態では、流量センサ７０は、浸透流路４２を通って流れる浸透流体４８の流速を表す信号を出力することができる。別の実施形態では、流量センサ７０は、浸透流体４８の流速を計算するために、浸透流体４８のたとえば量または速度といったパラメータを表す信号を出力することができる。浸透流体４８の流速を測定するために使用できる任意のタイプの流量センサが想定される。第１の圧力センサ７２は、浸透流路４２を通って流れる浸透流体４８の圧力を検知するために使用される。コントロールシステム１４は、第１の圧力制御弁４４に結合される第１の作動センサ７４、および浸透ポンプ４６に結合される第１の速度センサ７６をさらに含む。第１の作動センサ７４は第１の圧力制御弁４４の作動状態を測定するために使用され、第１の速度センサ７６は浸透ポンプ４６の速度を測定するために使用される。
【００１８】
コントロールシステム１４は、供給流路１８に結合される第２の圧力センサ７３、および供給ポンプ３４に結合される第２の速度センサ７８をさらに含む。第２の圧力センサ７３は、供給制御弁３６の下流に置かれる。第２の圧力センサ７３は、供給流路１８を通って流れる供給流体３８の圧力を検知するために使用される。第２の速度センサ７８は、供給ポンプ３４の速度を測定するために使用される。
【００１９】
コントロールシステム１４は、別の流量センサ８０および貯留流路５０に結合される第３の圧力センサ８２を追加で含む。流量センサ８０は、第２の圧力制御弁５２の下流に置かれる。第３の圧力センサ８２は、第２の圧力制御弁５２の上流に置かれる。流量センサ８０は、貯留流路５０を通って流れる貯留流体５４の流速を測定するために使用される。一実施形態では、流量センサ８０は、貯留流路５０を通って流れる貯留流体５４の流速を表す信号を出力することができる。別の実施形態では、流量センサ８０は、貯留流体５４の流速を計算するために、貯留流体５４のたとえば量または速度といったパラメータを表す信号を出力することができる。貯留流体５４の流速を測定するために使用できる任意のタイプの流量センサが想定される。第３の圧力センサ８２は、貯留流路５０を通って流れる貯留流体５４の圧力を検知するために使用される。コントロールシステム１４は、第２の圧力制御弁５２に結合される第２の作動センサ８４をさらに含む。第２の作動センサ８４は第２の圧力制御弁５２の作動状態を測定するために使用される。
【００２０】
さらに、説明した実施形態では、コントロールシステム１４は、プロセッサ８８およびプロセッサ８８に結合されるメモリユニット９０を有するコントロールユニット８６を含む。いくつかの実施形態では、コントロールユニット８６は、膜ろ過システム１２の１つまたは複数の機能を制御するために使用される。ある種の実施形態では、コントロールユニット８６は、意図した機能性を実施するために、互いに協働して働く１つより多いプロセッサを含む場合がある。コントロールユニット８６は、メモリユニット９０との間でコンテンツを記憶して取り出すようにさらに構成される。一実施形態では、コントロールユニット８６は、膜ろ過システム１２の機能性を開始して制御するように構成される。
【００２１】
一実施形態では、コントロールユニット８６は、汎用コンピュータ、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、デジタル信号プロセッサ、およびコントローラのうちの少なくとも１つを含む。他の実施形態では、コントロールユニット８６は、限定しないが、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラム可能ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）などといったカスタマイズしたプロセッサ要素を含む。いくつかの実施形態では、コントロールユニット８６は、キーボード、マウス、および任意の他の入力デバイスのうちの少なくとも１つと通信可能に結合して、操作者からコンソールを介してコマンドおよび／またはパラメータを受け取るように構成することができる。
【００２２】
一実施形態では、メモリユニット９０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、またはプロセッサ８８によってアクセス可能な任意の他のタイプのコンピュータ可読メモリである。また、ある種の実施形態では、メモリユニット９０は、膜ろ過システム１２を動作させる一連のステップを実施するようにプロセッサ８８に命令する複数の命令を有するプログラムで符号化された、非一時的なコンピュータ可読媒体であってよい。一実施形態では、メモリユニット９０は、フィルタ２０の動作情報に関連する一意の識別子８９を記憶するように構成される。
【００２３】
説明した実施形態では、コントロールユニット８６は、流量センサ７０、８０に通信可能に結合される。一実施形態では、コントロールユニット８６は、浸透流体４８の流速を表す出力信号を流量センサ７０から受け取るように構成される。別の実施形態では、コントロールユニット８６は、知られている技能にしたがって、浸透流体４８の流速を計算するために、流量センサ７０から、浸透流体４８のたとえば量または速度といったパラメータを表す出力信号を受け取るように構成される。コントロールユニット８６は、浸透流体４８の測定された流速に基づいて、フィルタ２０の第１の流束率を決定するように構成される。本明細書では、フィルタ２０の第１の流束率は、フィルタ２０の単位面積当たりの浸透流体４８の測定された流速として規定されることに留意されたい。コントロールユニット８６は、フィルタ２０の決定された第１の流束率と第１の所定の流束率とを比較して、決定された第１の流束率と第１の所定の流束率との比較に基づいて、膜ろ過システム１２を通常モードまたは流束容認モードで動作させるようにさらに構成される。
【００２４】
一実施形態では、コントロールユニット８６は、決定された第１の流束率が第１の所定の流束率より小さい場合、膜ろ過システム１２の少なくとも１つの動作パラメータを制御することによって、膜ろ過システム１２を通常モードで動作させるように構成される。少なくとも１つの動作パラメータとしては、浸透ポンプ４６の速度、供給ポンプ３４の速度、第１の圧力制御弁４４の作動、第２の圧力制御弁５２の作動が挙げられる。さらに、コントロールユニット８６は、膜ろ過システム１２の少なくとも１つの動作パラメータを制御した後に、決定された第１の流束率が第１の所定の流束率より小さい場合、膜ろ過システム１２を流束容認モードで動作させるように構成される。膜ろ過システム１２の流束容認モードは、フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値にさらに基づく。フィルタ２０のＮＷＰ値は、フィルタ２０の所定の流束およびフィルタ２０の決定された膜透過圧（ＴＭＰ：Ｔｒａｎｓ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）に基づいて決定される。通常モードの動作、流束容認モードの動作、およびＴＭＰの決定などといった態様は、後続の図を参照して詳細に説明される。
【００２５】
コントロールユニット８６は、供給ポンプ３４および浸透ポンプ４６にやはり結合され、供給ポンプ３４および浸透ポンプ４６の速度を制御するように構成される。コントロールユニット８６は、第１の速度センサ７６および第２の速度センサ７８にさらに通信可能に結合され、それぞれ、浸透ポンプ４６および供給ポンプ３４の速度を表す出力信号を受け取るように構成される。
【００２６】
コントロールユニット８６は、供給制御弁３６、第１の圧力制御弁４４、および第２の圧力制御弁５２にさらに結合され、供給制御弁３６、第１の圧力制御弁４４、および第２の圧力制御弁５２の作動を制御するように構成される。コントロールユニット８６は、第１の作動センサ７４および第２の作動センサ８４にやはり通信可能に結合され、第１の圧力制御弁４４および第２の圧力制御弁８４の作動状態を表す出力信号を受け取るように構成される。
【００２７】
加えて、コントロールユニット８６は、第１の圧力センサ７２、第２の圧力センサ７３、および第３の圧力センサ８２に通信可能に結合される。コントロールユニット８６は、第１の圧力センサ７２、第２の圧力センサ７３、および第３の圧力センサ８２に通信可能に結合され、第１の圧力センサ７２、第２の圧力センサ７３、および第３の圧力センサ８２からの出力に基づいて、フィルタ２０のＴＭＰを決定するように構成される。さらに、コントロールユニット８６は、制御弁６４、６６に通信可能に結合され、膜ろ過システム１２を通る水流を許可する、または停止するために弁６４、６６を制御するように構成される。
【００２８】
さらに、コントロールユニット８６は、インジケータ９２に結合される。コントロールユニット８６は、インジケータ９２を作動させて、フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値とフィルタ２０の所定の基本値の比較に基づいて、フィルタ２０の交換を表示する。インジケータ９２は、音声ベースインジケータまたは視覚ベースインジケータまたはそれらの組合せであってよい。
【００２９】
図２を参照すると、図１の実施形態によるシステム１０を動作させる方法９０を図示するフローチャートである。ステップ９３において、システム１０の動作のサイクル期間に、供給流体３８が供給ポンプ３４によって貯蔵器１６からフィルタ２０の入口２８に供給流路１８を介して供給される。フィルタ２０は、フィルタ２０の両端間の圧力差を利用することによって、供給流体３８から浸透流体４８を分離する。浸透ポンプ４６は、浸透流路４２を介して収集タンク４０に所定の圧力で浸透流体４８を供給する。貯留流体５４は、貯留流路５０を介して貯蔵器１６に供給される。要求があるときはいつでも、移送ポンプ６０は、追加の供給流体３８で貯蔵器１６を補充するように動作する。本サイクルが繰り返される。一実施形態では、供給流体３８は細胞培養媒体および細胞残屑を含み、浸透流体４８は代謝産物を含む。別の実施形態では、供給流体３８はタンパク溶液を含み、浸透流体４８は塩溶液を含む。
【００３０】
一実施形態では、コントロールユニット８６は、浸透流体４８の流速を表す出力信号を流量センサ７０から受け取る。別の実施形態では、コントロールユニット８６は、流量センサ７０から、浸透流体４８のたとえば量または速度といったパラメータを表す出力信号を受け取り、知られている技能にしたがって、浸透流体４８の流速を計算する。ステップ９４において、コントロールユニット８６は、浸透流体４８の測定された流速に基づいて、フィルタ２０の第１の流束率を決定する。前述したように、フィルタ２０の第１の流束率は、フィルタ２０の単位面積当たりの浸透流体４８の測定された流速として規定される。ステップ９６において、コントロールユニット８６は、フィルタ２０の決定された第１の流束率を第１の所定の流束率と比較する。一実施形態では、第１の所定の流束率は、たとえば所定の流束率の７０％である。決定された第１の流束率が第１の所定の流束率より小さい場合、ステップ９８において、膜ろ過システム１２は通常モードで動作される。決定された第１の流束率が第１の所定の流束率以上である場合、ステップ９４が再び繰り返される。
【００３１】
膜ろ過システム１２の少なくとも１つの動作パラメータを制御することによって、膜ろ過システム１２は、通常モードで動作される。一実施形態では、少なくとも１つの動作パラメータとしては、浸透ポンプ４６の速度、供給ポンプ３４の速度、浸透流路４２の第１の圧力制御弁４４の作動、貯留流路５０の第２の圧力制御弁５２の作動が挙げられる。コントロールユニット８６は、第１の速度センサ７６および第１の作動センサ７４からの出力に基づいて、それぞれ、浸透ポンプ４６の速度および第１の圧力制御弁４４の作動を制御する。さらに、コントロールユニット８６は、第２の作動センサ８４および第２の速度センサ７８の出力に基づいて、それぞれ、第２の圧力制御弁５２の作動および供給ポンプ３４の速度を制御する。
【００３２】
一実施形態では、コントロールユニット８６は、所定の時刻および所定の期間に所定のシーケンスで、浸透ポンプ４６の速度、供給ポンプ３４の速度、浸透流路４２の第１の圧力制御弁４４の作動、貯留流路５０の第２の圧力制御弁５２の作動を制御する。所定のシーケンス、所定の時刻および所定の期間は、決定された第１の流束率および第１の所定の流束率などの要因に基づいて設定される。一実施形態では、所定のシーケンスは、所定の時刻および所定の期間に、浸透ポンプ４６の速度を増加すること、浸透ポンプ４６の速度を低下すること、第２の圧力制御弁５２を調整すること、および供給ポンプ３４の速度を増加することのシーケンスを含む。ここで、所定のシーケンス、所定の時刻、および所定の期間が用途に応じて変わる場合があることに留意されたい。
【００３３】
膜ろ過システム１２の少なくとも１つの動作パラメータを制御した後、コントロールユニット８６は、浸透流体４８の流速を表す出力信号を流量センサ７０から再び受け取る。再び、コントロールユニット８６が、ステップ９９において、浸透流体４８の測定された流速に基づいて、フィルタ２０の更新された第１の流束率を決定する。次いで、コントロールユニット８６は、ステップ１００において、フィルタ２０の決定され更新された第１の流束率を第１の所定の流束率と比較する。フィルタ２０の決定され更新された第１の流束率が第１の所定の流束率以上である場合、ステップ９４が再び繰り返される。膜ろ過システム１２の少なくとも１つの動作パラメータを制御した後に、決定され更新された第１の流束率が第１の所定の流束率より小さい場合、膜ろ過システム１２は流束容認モードで動作される。流束容認モードでは、コントロールユニット８６は、ステップ１０１において、制御弁６４を制御して、入口経路６２、供給流路１８および、フィルタ２０を介して水６６を向けて、フィルタ２０をきれいにする。さらに、コントロールユニット８６は、制御弁６９を制御して、貯留流路５０および出口経路６８を介してフィルタ２０を出る水を導く。フィルタ２０をきれいにする期間に、制御弁６４が使用されて、供給流体３８の流れが供給流路１８を通るのを防止する。また、制御弁６９が使用されて、貯蔵器１６への水６６の流れを防止する。
【００３４】
前述したように、膜ろ過システム１２の流束容認モードは、フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値にさらに基づく。ステップ１０２において、フィルタ２０のＮＷＰ値は、フィルタ２０の所定の流束およびフィルタ２０の決定されたＴＭＰに基づいてコントロールユニット８６によって決定される。具体的には、ＮＷＰ値は、以下の関係式によって計算される。
ＮＷＰ＝Ｆｌｕｘ／ＴＭＰ
上式で、流束はフィルタ２０の製造業者によって提供される所定の流束である。ＴＭＰは、以下の関係式によって計算される。
ＴＭＰ＝（（ｐ２＋ｐ３）／２）−ｐ１
上式で、ｐ１は第１の圧力センサ７２の出力であり、ｐ２は第２の圧力センサ７３の出力であり、ｐ３は第３の圧力センサ８２の出力である。
【００３５】
その後、ステップ１０４において、コントロールユニット８６は、フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値をフィルタ２０の所定の基本値と比較する。ステップ１０６において、フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値がフィルタ２０の所定の基本値の所定の割合より小さい場合に、コントロールユニット８６は、インジケータ９２を作動させてフィルタ２０の交換を表示する。たとえば、フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値がフィルタ２０の所定の基本値の５０％より小さい場合に、コントロールユニット８６は、インジケータ９２を作動させる。前述したように、インジケータ９２は、音声ベースインジケータまたは視覚ベースインジケータまたはこれらの組合せであってよい。フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値がフィルタ２０の所定の基本値の所定の割合以上である場合に、フィルタ２０の決定されたＮＷＰ値がフィルタ２０の所定の基本値の所定の割合より小さくなるまで、ステップ９４〜１０２が繰り返される。そのような実施形態では、第１の所定の流束率は、第１の所定の流束率より小さい第２の所定の流束率に再設定される。一実施形態では、メモリユニット９０は、フィルタ２０の動作情報に関連する一意の識別子８９を記憶する。フィルタ２０の動作情報としては、限定しないが、膜ろ過システムのタイプ、供給流体のタイプ、浸透流体のタイプ、貯留流体のタイプ、動作のサイクルの数、第１の流束率、第１の所定の流束率、供給ポンプ３４および浸透ポンプ４６の速度、第１の圧力制御弁４４および第２の圧力制御弁５２の作動、ＮＷＰ値、所定の流束、膜透過圧などが挙げられ得る。
【００３６】
本明細書の実施形態によれば、例示的なコントロールシステム１４は、フィルタ２０の健全性の常時監視を可能にして、フィルタ２０の最適で効率的な使用を可能にする。具体的には、コントロールシステム１４は、繰り返される動作サイクルにわたって、フィルタ２０の流束率およびＮＷＰ値を連続監視することによって、フィルタ２０の寿命の自動的な評価を可能にする。コントロールシステム１４は、検知した流束率に基づいて、膜ろ過システム１２を通常モードまたは流束容認モードで動作させるかを決定する。所定の流束率の値は、繰り返したサイクルにわたって再設定することができる。
【００３７】
図３を参照すると、グラフ表示は、本明細書の実施形態による膜ろ過システムの動作のサイクルの数に対する、膜ろ過システムのフィルタの流速率の変動を図示する。Ｘ軸は、フィルタの動作のサイクルの数を表し、Ｙ軸は、フィルタの流速率を表す。曲線１０８は、第１の膜透過圧（ＴＭＰ１）に対応するフィルタの第１の流速率の変動を表す。曲線１１０は、第２の膜透過圧（ＴＭＰ２）に対応するフィルタの第２の流速率の変動を表す。曲線１１２は、第３の膜透過圧（ＴＭＰ３）に対応するフィルタの第３の流速率の変動を表す。直線１１４は、所定の割合の流束率（閾値限界）を表す。フィルタがいくつかのサイクルにわたって動作すると、所定の割合の流束率は、膜透過圧の変化に対応して再設定される。たとえば、曲線１０８を参照すると所定の割合の流束率は４０％であり、曲線１１０を参照すると所定の割合の流束率は３５％であり、曲線１１２を参照すると所定の割合の流束率は３０％である。
【００３８】
本発明の実施形態によれば、コントロールシステムは、流束率およびＮＷＰ値に基づいたフィルタの寿命の評価を可能にする。コントロールシステムは、フィルタの健全性の常時監視を可能にし、それによって、最適なフィルタの使用および効率的なろ過プロセスを可能にする。
【００３９】
本出願の一定の特徴だけが本明細書で説明され記載されてきたが、多くの修正形態および変更形態が当業者により想到されるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、あらゆるそのような修正形態および変更形態を本出願の真の趣旨内に収まるものとして網羅するように意図されていることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４０】
１０  システム
１２  膜ろ過システム
１４  コントロールシステム
１６  貯蔵器
１８  供給流路
２０  フィルタ
２２  入口部
２４  入口部、出口部
２６  膜
２８  入口
３０  第１の出口
３１  第２の出口
３２  第２の出口
３４  供給ポンプ
３６  供給制御弁
３８  供給流体
４０  収集タンク
４２  浸透流路
４４  第１の圧力制御弁
４６  浸透ポンプ
４８  浸透流体
５０  貯留流路
５２  第２の圧力制御弁
５４  貯留流体
５６  供給源
５８  流路
６０  移送ポンプ
６２  入口経路
６４  制御弁
６６  制御弁、水
６８  出口経路
６９  制御弁
７０  流量センサ
７２  第１の圧力センサ
７３  第２の圧力センサ
７４  第１の作動センサ
７６  第１の速度センサ
７８  第２の速度センサ
８０  流量センサ
８２  第３の圧力センサ
８４  第２の作動センサ
８６  コントロールユニット
８８  プロセッサ
８９  一意の識別子
９０  メモリユニット
９２  インジケータ
１０８  曲線
１１０  曲線
１１２  曲線
１１４  直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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