JP2022539428A - センサ無し膜ポンプの制御配置及び制御方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、センサ無しダイアフラムポンプ（１４）を制御する制御配置（１３）に関する。本発明は、センサ無しダイアフラムポンプを制御する方法にさらに関する。制御配置（１３）は、参照圧力に対して上昇した圧力レベルを有する第１制御流体リザーバ（１Ａ）への接続のための制御流体入口（１）と、参照圧力に対して減少した圧力レベルを有する第２制御流体リザーバ（２Ａ）への接続のための制御流体出口（２）と、センサ無しダイアフラムポンプ（１４）のための制御流体ラインの接続のための制御流体接続（８）と、を備え、制御流体入口（１）は、第１比例バルブ（３）を通じて収集点（６）に接続され、制御流体出口（２）は、第２比例バルブ（４）を通じて収集点（６）に接続され、質量流量センサ（５）は、収集点（６）と制御流体接続（８）との間に配置され、制御配置（１３）は、シグナリングの観点で第１比例バルブ（３）と第２比例バルブ（４）と質量流量センサ（５）に接続された制御ユニット（１２）をさらに有する。

Description

本発明は、センサ無し（sensor-free）ダイアフラムポンプを制御する制御配置に関する。本発明は、センサ無しダイアフラムポンプを制御する方法にさらに関する。本発明は、ダイアフラムポンプと、ダイアフラムポンプを制御する制御配置とを有するダイアフラムポンプ配置にさらに関する。本発明は、ダイアフラムポンプと、ダイアフラムポンプ配置またはダイアフラムポンプを有するバイオリアクタと、バイオリアクタを伴ったダイアフラムポンプ配置またはバイオリアクタにおけるダイアフラムポンプの使用とにさらに関する。

バイオプロセス技術の分野において、特にバイオリアクタが使用される場合において、媒体を搬送するためにダイアフラムポンプが使用される。バイオプロセス技術において搬送される媒体は、特に、例えば調査またはさらなる利用の対象となり得る生物学的細胞及び／または他の成分を含み得る流体である。ダイアフラムポンプ及びバイオリアクタにおけるダイアフラムポンプの使用は、例えば、ＥＰ２３７９８８９Ｂ１で説明される。

しかしながら、特に、プロセスの信頼性を向上させて及び／または特に安価な解決策を構成する制御配置と、ダイアフラムポンプを制御する方法と、ダイアフラムポンプとのための改善された解決策が求められている。

この目的は、センサ無しダイアフラムポンプを制御する制御配置によって達成される。制御配置は、参照圧力に対して上昇している圧力レベルを有する第１制御流体リザーバへの接続のための制御流体入口と、参照圧力に対して減少した圧力レベルを有する第２制御流体リザーバへの接続のための制御流体出口と、センサ無しダイアフラムポンプのための制御流体ラインの接続のための制御流体接続と、を備え、制御流体入口は、第１比例バルブを通じて収集点に接続され、制御流体出口は、第２比例バルブを通じて収集点に接続され、質量流量センサは、収集点と制御流体接続との間に配置され、制御配置は、シグナリングの観点において第１比例バルブと第２比例バルブと質量流量センサとに接続された制御ユニットをさらに有する。

本発明は、とりわけ、既存のダイアフラムポンプ、制御配置、及び方法はダイアフラムの位置を特定する距離センサに依存することへの気づきに基づく。これは、ダイアフラムポンプ自体の値段の増加に繋がるだけではなく、その解決策は、排出体積は距離センサによって間接的にのみ特定され、弾性ダイアフラムの空間的変形は再現性を有する方法で説明できないため、不正確さを必然的に伴う。さらに、多くの場合、ダイアフラムの作動、及び搬送される媒体の搬送において、媒体の成分に対する高負荷が発生する。例えば、搬送される媒体における生物学的細胞に特にダメージを与えうる大きいせん断力が発生する場合があり、せん断力は生物学的細胞の調査及び／またはそのさらなる処理に悪影響を及ぼしまたは不可能にする。特に、安価な使い捨てのバイオリアクタが使用される分野においては、距離センサを有する高価なダイアフラムポンプはさらに魅力的にでない。

本明細書にて説明される制御配置においては、対照的に、ダイアフラムポンプのダイアフラムの位置を特定する距離センサを不要とする構成が可能になり、同時に、搬送される媒体の正確及び優しい搬送を保証することが可能になる。このように、第一に、センサ無し、よって著しく安価なダイアフラムポンプの使用が、使い捨てのバイオリアクタにおける使い捨てのダイアフラムポンプの形態としてでも、可能になる。同時に、ダイアフラムポンプによって搬送される媒体及びその成分は、精密に体積的に、及び優しく搬送されることが保証され、よってプロセスの信頼性が向上し、さらなる調査及びさらなる処理が改善される。

これは、センサ無しダイアフラムポンプを制御するための説明される制御配置によって実現される。ダイアフラムポンプを制御するためには、本明細書にて説明する制御配置は、ダイアフラムポンプのダイアフラムの位置を検知する距離センサのシグナルに依存しなくなる。

センサ無しダイアフラムポンプは、ここでは、特にダイアフラムの位置を検知する距離センサが設けられていないダイアフラムポンプであると理解される。望ましくは、センサ無しダイアフラムポンプは、さらなるセンサを含まない。

ダイアフラムポンプのこのような構成は、ダイアフラムの位置を検知する距離センサ及びさらなるセンサのコストを節約できる利点を有し、ダイアフラムポンプを著しく安価な方法で生産することができ、よって使い捨ての用途においても適用可能になる。

本明細書にて説明される制御配置は、このようなセンサ無しダイアフラムポンプを制御できるように設計される。この目的において、制御配置は、後続の文書において説明される要素を備える。

制御流体入口と制御流体出口とは、第１及び第２制御流体リザーバへの制御配置の接続のために機能する。制御流体入口は、参照圧力に対して上昇した圧力レベルを有する第１制御流体リザーバに接続され、制御流体出口は、参照圧力に対して減少した圧力レベルを有する第２制御流体リザーバに接続される。

制御流体接続を通じて、制御配置は、センサ無しダイアフラムポンプへの制御流体ラインによって接続されてもよい。このように、制御流体は、第１制御流体リザーバから、制御流体入口から制御流体接続に、及びそこから制御流体ラインを通じてセンサ無しダイアフラムポンプの制御流体側方チャンバの内部に流入し、そこから、制御流体ラインを通じて制御流体出口から第２制御流体リザーバの内部に戻ることができる。

第１及び第２制御流体リザーバは、制御配置を通じて、ダイアフラムポンプの制御流体側方チャンバに出入りする制御流体の搬送のための必要な参照圧力に対して上昇または減少した圧力レベルを提供する全体制御流体リザーバの一部であってもよい。

制御流体入口及び制御流体出口の両方は収集点に接続されて、収集点は制御流体接続に接続される。第１比例バルブは制御流体入口と収集点との間に位置し、第２比例バルブは制御流体出口と収集点との間に位置する。これらの比例バルブを通じて、制御配置は、制御流体入口から制御流体接続まで、及び制御流体接続から制御流体出口までの制御流体の流れを制御できる。この目的において、制御配置は、第１比例バルブと第２比例バルブへのシグナリングの観点において接続される制御ユニットを有する。

制御配置は、収集点と制御流体接続との間に配置される質量流量センサをさらに有する。質量流量センサは、熱的質量流量センサの形態であることが望ましい。質量流量センサを通じて、制御流体の質量流量は、収集点と制御流体接続との間で特定されてもよい。この目的において、制御配置の制御ユニットは、同様に質量流量センサへのシグナリングの観点において接続される。このように、第１及び／または第２比例バルブの作動において、質量流量センサのシグナルを使用することが可能である。

制御流体入口は、望ましくは制御流体ラインを通じて収集点に接続され、制御流体出口は、同様に制御流体ラインを通じて収集点に接続される。また、収集点は、望ましくは制御流体ラインを通じて制御流体接続に接続される。制御配置をセンサ無しダイアフラムポンプに接続する制御流体ラインは、さらに制御流体接続に接続されてもよい。望ましくは、それぞれの場合において、制御流体入口及び／または制御流体出口を第１及び／または第２制御流体リザーバに接続するように、１つの制御流体ラインが制御流体入口及び／または制御流体出口に接続されてもよい。

センサ無しダイアフラムポンプは、制御流体側方チャンバと、媒体側方チャンバとを有する。制御流体は、制御流体ラインを通じて制御配置によって制御流体側方チャンバに導入されまたはそこから排出される。媒体側方チャンバは搬送される媒体に通過される。弾性ダイアフラムは、２つのチャンバを互いから流体的に分離するが、チャンバを体積的に係合させる。媒体側方チャンバは、１つまたは複数の媒体接続を有し、搬送される媒体はそこを通じて媒体側方チャンバの中にまたは外に流れる。媒体の流れを制御するように、接続は、望ましくは、バルブ、例えば、自動作動バルブまたは制御バルブとともに、特にチェックバルブとともに、提供されてもよい。

望ましい実施の形態においては、センサ無しダイアフラムポンプの媒体側方チャンバは、媒体の流入のためにたった１つの媒体入口を有し、媒体の流出のためにたった１つの媒体出口を有する。望ましくは、媒体入口と媒体出口は、それぞれチェックバルブ、特に自動作動チェックバルブを有し、チェックバルブは、それぞれの媒体入口または媒体出口を通じた流れ方向に応じて配置される。

ここで、バイオリアクタは、特に、バイオプロセスが行われる反応チャンバを内部に形成する可撓性を有する、または寸法的に安定した容器であると理解される。この目的において、カルチャーブロス（culture broth）とも呼ばれる媒体の混合物が、バイオリアクタに一般的に位置する。バイオリアクタは、通常、媒体が導入または排出され、サンプルが抽出され、または様々な測定のためのセンサが接続されてもよい１つまたは複数の接続を有する。ダイアフラムポンプは、媒体若しくは媒体サンプルの抽出若しくは排出を可能にするように、または媒体の移動及び移動によって例えば媒体が混合されるように、バイオリアクタにおいて使用される。

バイオリアクタは、一般的にバイオプロセスのためには無菌状態において提供されることが求められる。既存のバイオリアクタの殺菌は困難であり、高価であり、常にプロセスリスクを伴うため、１つ限りの使用のために提供され、使用後に破棄される使い捨てのバイオリアクタの使用が増加している。この目的において、第一に安価な設計及び安価な材料が求められており、同時に、可能な限り資源を保存し環境に優しく、同時に例えば米国薬局方（ＵＳＰ）クラスＶＩ等のバイオプロセス技術の基準を満たす材料が求められている。この背景において、使い捨てのバイオリアクタの一部を形成し、使用後に同様に、使い捨てのバイオリアクタとともに破棄されてもよい使い捨てのダイアフラムポンプも望ましい。この目的において、安価で、資源を保存でき、環境に優しい材料であって、同時にバイオプロセスの安全性に関する高い基準を満たす材料が望ましい。

制御流体の体積流量は、質量流量センサによって検知される制御流体の質量流量によって特定されてもよく、質量流量はモル流量と関連している。モル粒子数と対応する制御流体の搬送された体積は時間の積分とによって特定されてもよい。このような方法で、センサ無しダイアフラムポンプの体積的な作動は、本明細書にて説明される制御配置によって実現される。

一方で、質量流量センサのシグナリングの観点における接続と、他方で、第１及び第２比例バルブによる制御配置の制御ユニットへの接続とは、質量流量センサに検知されたデータに基づいて、制御流体入口から制御流体接続まで及び制御流体出口に戻る制御流体の流れを制御することを可能にし、この方法において、ダイアフラムの位置を検知する距離センサの不存在を補うことができる。

本明細書にて説明される制御配置は、その構造と、収集点と制御流体接続との間に質量流量センサを配置することとによって、センサ無しダイアフラムポンプの制御のために必要な全ての要素を制御配置において組み合わせることができる。したがって、一方で、制御流体リザーバへ、他方でセンサ無しダイアフラムポンプへの単純な接続のみが求められている。さらに、この方法において、全ての制御関連センサと他の部品とは、制御配置において組み合わされている。したがって、望ましくは再利用可能な制御配置は、複雑及び高価であるかもしれない部品の全てを収容してもよく、例えば、その内部で使用されるセンサ無しの使い捨てダイアフラムポンプを有する使い捨てのバイオリアクタから分離して、ある距離において空間的に分離して配置されてもよい。

望ましくは、制御配置は、複数のセンサ無しダイアフラムポンプを制御するように構成される。この目的において、例えば、複数のセンサ無しダイアフラムポンプへの複数の制御流体ラインまたは分岐する制御流体ラインは、制御流体接続に接続されてもよい。この場合において、複数のセンサ無しダイアフラムポンプは、望ましくは全てが同一の方法で作動されてもよい。これは、複数の同様に構成された配置において平行に実行される平行なバイオプロセスのために特に適している。

制御配置は、望ましくは、複数のダイアフラムポンプを異なる方法で作動させるように構成されてもよい。この目的において、制御配置において、各場合において必要な部品が対応して複数個設けられていることが望ましい。この方法で、対応する部品は、共通する制御配置において組み合わせられてもよく、複数のダイアフラムポンプの作動のためにも、異なる作動を有する異なる用途のためにも中央において使用可能になってもよい。

制御配置は、特に異なるタイプの作動を有する複数のダイアフラムポンプを作動させるように構成されると、例えば、空間的に間隔を有して、分散した態様において構成されてもよく、（例えば、シグナリングの観点において及び／または流体的に及び／またはライン依存態様及び／またはライン独立態様において）対応する接続によって、一貫した制御配置を形成する。

質量流量センサが両方の流れ方向における測定のために構成されていることが特に望ましい。したがって、望ましくは、質量流量センサは、制御流体の流れ方向にかかわらず、即ち、制御流体が制御流体入口から制御流体接続に流れるかまたは制御流体接続から制御流体出口に流れるかにかかわらず、収集点と制御流体接続との間の制御流体の質量流量を検知するように構成される。

望ましい実施の形態においては、圧力センサ、特に絶対圧力センサが、収集点と制御流体接続との間に配置されていることが提供される。特に、圧力センサが、質量流量センサと制御流体接続との間に配置されていることが望ましい。ここで、制御ユニットがシグナリングの観点において圧力センサに接続されていることがさらに望ましい。

圧力センサの提供、特にシグナリングの観点における制御ユニットへの接続は、センサ無しダイアフラムポンプの作動において、制御流体の圧力も考慮することができるという利点をもたらす。

センサ無しダイアフラムポンプの制御流体側方チャンバと媒体側方チャンバとの体積的係合によって、体積流量及び対応して搬送される媒体の搬送された体積が制御流体に関連しているだけではなく、搬送される媒体の圧力も制御流体の圧力に関連する。搬送される媒体、特に生物学的細胞等のその成分は、多くの場合において圧力に敏感であり、及び／またはせん断力によって悪影響を受け得るまたは破壊され得るため、作動において、センサ無しダイアフラムポンプによる搬送される媒体の特に優しい搬送を実現するために、圧力、特に例えば、予め規定され、制御において満たされる限界値、圧範囲及び／または圧力勾配、特に時間的勾配を考慮できることが有益的である。

さらに、制御流体の圧力を含むことによって、センサ無しダイアフラムポンプの作動の正確さがさらに向上する。

さらなる実施の形態において、制御配置は、温度センサ、及び／または温度センサとのシグナル交換のため、特に温度センサからシグナルを受信するための温度センサインタフェースをさらに有する。この場合において、制御ユニットは、望ましくは、温度センサ及び／または温度センサインタフェースへのシグナリングの観点において接続される。

温度センサは、例えば、周囲の温度を検知するように構成されてもよい。さらに、温度センサは例えば、バイオリアクタにおいて搬送される媒体の温度を検知するように構成されてもよい。

温度の検知または温度センサのシグナルの使用は、作動のさらなる改善に貢献する。体積流量と検知された質量流量による体積の特定において温度を考慮することは、特に作動の正確さをさらに改善することを可能にする。

さらに、さらなる望ましい実施の形態においては、制御ユニットは外部の通信ユニットとの通信（exchange）のために通信インタフェースを有することが提供される。特に、通信インタフェースがデータの交感のためのデータインタフェースを有するまたはデータインタフェースであることが望ましい。

通信インタフェースを通じて、例えば、望ましい制御アルゴリズム、圧力が満たすべき限界値、範囲または勾配、流れ速度、質量流量または体積流量または搬送され及びしたがって既定される体積、及び／または制御の間に生じた評価及び／または値を、外部通信ユニットに伝達し、そこでさらに処理することが可能になる。

特に、制御ユニットが、貫通流（throughflow）を可能にするように制御配置の第１比例バルブを作動させて、制御流体を搬送して、搬送される体積が達成されると第１比例バルブを閉じて、貫通流を可能にするように第２比例バルブを作動させて、制御流体を搬送して、搬送される体積が達成されると第２比例バルブを閉じるように構成されることが望ましい。

さらに、制御ユニットが、制御流体の搬送された体積を特定するように構成されることがさらに望ましく、制御流体の搬送された体積を特定することは、望ましくは、質量流量センサから質量流量シグナルを受信することと、質量流量シグナルから体積流量を導出することと、体積流量から搬送された制御流体の体積を導出することとを含む。

制御ユニットが、センサ無しダイアフラムポンプのダイアフラムの端部位置を特定するように構成されることがさらに望ましく、センサ無しダイアフラムポンプのダイアフラムの端部位置を特定することは、望ましくは、既定の初期体積流量において制御流体を搬送するように第１及び／または第２比例バルブを作動させることと、圧力勾配シグナルを受信することと、圧力勾配シグナルが変化するとダイアフラムの端部位置の存在を確立させることとを含む。

本発明のさらなる態様によって、序論で述べた目的は、ダイアフラムポンプ、特にセンサ無しダイアフラムポンプを有し、上述の制御配置を有するダイアフラムポンプ配置によって実現される。

さらなる態様によって、序論で述べた目的は、上述の制御配置とともに使用されるダイアフラムポンプによって実現され、ダイアフラムポンプは、ダイアフラムの位置を検知する距離センサを有しないことによって特徴付けられる。

さらなる態様によって、序論で述べた目的は、上述のダイアフラムポンプ配置を有し、または上述のダイアフラムポンプを有するバイオリアクタによって実現される。

さらなる態様によって、序論で述べた目的は、バイオリアクタまたはバイオリアクタにおける上述のダイアフラムポンプを伴う上述のダイアフラムポンプ配置の使用によって実現される。

さらなる態様によって、序論で述べた目的は、センサ無しダイアフラムポンプを制御する方法によって実現され、方法は、貫通流を可能にするように制御配置の第１比例バルブを作動させることと、制御流体を搬送することと、搬送される体積が達成されると第１比例バルブを閉じることと、貫通流を可能にするように第２比例バルブを作動させることと、制御流体を搬送することと、搬送される体積が達成されると第２比例バルブを閉じることとを含む。

本明細書にて説明される方法は、センサ無しダイアフラムポンプの体積的制御を可能にする。この目的において、第１比例バルブの対応する作動によって、第一に、制御流体は第１制御流体リザーバから制御流体接続に、望ましくは、既定の質量流量及び／または既定の体積流量において搬送される。搬送される体積が達成されると、第１比例バルブは閉じられる。この目的において、制御流体の搬送された体積が特定され、所望の搬送される体積と比較されることが望ましい。搬送される体積が達成され、第１比例バルブが閉じられると、貫通流を実現するように第２比例バルブが作動され、制御流体は制御流体接続から第２制御流体リザーバに、望ましくは、既定の質量流量及び／または既定の体積流量において搬送される。搬送される体積が達成されると、第２比例バルブは閉じられる。ここでも、制御流体の搬送された体積が特定され、所望の搬送される体積と比較されることが望ましい。

第１比例バルブによる制御流体の搬送と、第２比例バルブによる制御流体の搬送とは、前者の場合ではダイアフラムポンプに向かって、後者の場合はダイアフラムポンプから離れて第２制御流体リザーバに向かって、異なる流れ方向において実現される。

制御流体の搬送された体積を特定することは、望ましくは、制御流体の質量流量を検知することと、質量流量から体積流量を導出することと、体積流量から搬送された制御流体の体積を導出することとを含む。

制御流体の質量流量の検知は、制御流体がセンサ無しダイアフラムポンプの方向に制御流体接続から流出する前に、制御配置の質量流量センサによって実現されることが望ましい。質量流量から体積流量の導出のためには、境界条件によって、低速の場合において略等温過程が仮定されてもよく、比較的速い変化の場合において差圧または断熱過程が仮定されてもよい。

気体の制御流体の体積流量Ｆは、例えば、理想気体の状態方程式、または使用される気体流体に個別的に合致された関数に基づく関係に基づいて特定されてもよい。ここでは、モル流量ｎ、及び可能な場合において検知された圧力ｐ及び／または検知された温度Ｔ及び一般気体定数Ｒが考慮されることが望ましい。例えば、ここで、後続の数式（１）が基礎とされてもよい。
Ｆ＝（ｎ＊Ｒ＊Ｔ）／ｐ （１）

搬送された制御流体の体積を導出するためには、望ましくは、モル流量に関連する質量流量が、時間積分によってモル粒子数を特定するように使用され、モル粒子数からは、理想気体の状態方程式、または気体流体に個別的に合致している関数に基づく関係の考慮（aid）とともに、及び可能な場合において例えば、圧力及び／または温度等のさらなるパラメータを考慮して、制御流体接続を通じて搬送された制御流体の体積を特定することができる。

これより、望ましくは、ダイアフラムポンプの制御流体側方チャンバの内部に搬送された体積を導出することが可能である。ここで、望ましくは、センサ無しダイアフラムポンプの制御流体側方チャンバの制御流体入口と、制御配置の比例バルブとの間に延びて、制御流体を案内するように配置された部品の体積を含むデッド体積（dead volume）が考慮される。

望ましい進展によって、方法は、制御流体の圧力を検知することと、制御流体の既定の目標圧力が超過されないように、及び／または既定の目標圧力範囲が満たされるように、及び／または既定の圧力勾配が満たされるように、第１及び／または第２比例バルブを作動させることとをさらに有する。

制御流体の圧力は、望ましくは、特に、制御流体がセンサ無しダイアフラムポンプの方向に制御流体接続から流出する前に制御配置の内部において、制御配置の圧力センサによって特定される。センサ無しダイアフラムポンプの作動は、望ましくは、既定の圧力パラメータが満たされるように実現される。細胞のために可能な限り優しい媒体の搬送を実現するように、特に、時間にわたる圧力変化に関する圧力勾配は、ここで満たされるべきである。

方法のさらなる望ましい発展は、センサ無しダイアフラムポンプのダイアフラムの端部位置を特定することを含む。ここでは、センサ無しダイアフラムポンプのダイアフラムの体積的端部位置が検知されることが望ましい。ダイアフラムの体積的端部位置は、特に、センサ無しダイアフラムポンプの制御流体側方チャンバの最大及び最小の充填体積、及び媒体側方チャンバの最大及び最小の充填体積に対応する。

センサ無しダイアフラムポンプのダイアフラムに沿って特定することは、望ましくは、既定の初期体積流量において制御流体を搬送することと、制御流体の圧力勾配を検知することと、圧力勾配が変化するときにダイアフラムの端部位置の存在を確立させることとを含む。

本明細書にて、圧力勾配が変化している、特に大幅に増加していることが確立されるまで、望ましくは、制御流体は、特に既定の初期体積流量において搬送され、及び、平行して、制御流体の圧力勾配は検知される。これより、ダイアフラムがその端部位置の一方に到達したことを推測できる。望ましくは、同様に既定の初期体積流量における反対方向における制御流体の搬送によって、及び制御流体の圧力勾配の検知によって、圧力勾配における大幅な変化からダイアフラムの第２端部位置の存在を推測することができる。センサ無しダイアフラムポンプの合計差分体積は、２つの端部位置の間に搬送された体積流量から導出できる。対応して、２つの端部位置の間に位置するダイアフラムの参照点及び関連する搬送体積も特定できる。ダイアフラムの中立位置は、例えば、合計差分体積の半分に対応する。

本明細書にて説明される方法及びその発展は、本明細書にて接続される制御配置及びその発展とともに使用されるために特に適している構成となるような特徴及び方法ステップを有する。

本明細書にて説明される制御配置及びその発展は、本明細書にて説明される方法及びその発展とともに使用されるために特に適している構成となるような特徴を有し、またはこの目的において対応して設計される。

本明細書にて説明される態様の利点、実施の形態の変形及び実施の形態の詳細、及びこれらの発展に関して、それぞれの他の態様の対応する特徴及び利点に関する説明も参照される。

望ましい例示的な実施の形態は、添付の図面に基づいて、例示によって説明される。

制御配置を有し、センサ無しダイアフラムポンプを有するダイアフラムポンプ配置の概略図である。 センサ無しダイアフラムポンプを制御する方法の概略フロー図である。

図１は、制御配置１３を有し、センサ無しダイアフラムポンプ１４を有するダイアフラムポンプ配置１００の概略図を示し、図２は、センサ無しダイアフラムポンプ１４を制御する方法１０００の概略フロー図を示す。

図面において、同一または実質的に機能的に同一の要素には、同一の参照符号が付されている。一般的な説明は、相違点が明示されていない限り、原則として全ての実施の形態に関連する。

図１は、センサ無しダイアフラムポンプ１４を有し、制御配置１３を有するダイアフラムポンプ配置１００を示す。ダイアフラムポンプ配置１００以外には、第１及び第２制御流体リザーバ１Ａ、２Ａと、バイオリアクタ４０と、サンプル容器４１とが図示されている。

センサ無しダイアフラムポンプ１４は、制御流体側方チャンバ１６を媒体側方チャンバ１７から流体的に分離する一方で、チャンバを体積的に係合する弾性ダイアフラム１５を有する。ダイアフラムポンプ１４の制御流体入口１８を通じて、制御流体ライン１０を通じて制御配置１３によって供給される制御流体は、ダイアフラムポンプ１４の制御流体側方チャンバ１６の内部に流入することができて、及びそこから流出できる。ダイアフラムポンプ１４の媒体側方チャンバ１７は、自動的に作動するチェックバルブ２２を有する媒体入口２０と、同様に自動的に作動するチェックバルブ２１を有する媒体出口１９とを有する。媒体入口２０と媒体出口１９とを通じて、搬送される媒体は、バイオリアクタ４０からダイアフラムポンプ１４まで、ダイアフラムポンプ１４から例えばサンプル容器４１まで案内されてもよい。

センサ無しダイアフラムポンプ１４は、ダイアフラム１５の位置を特定するための距離センサを有しない。センサ無しダイアフラムポンプ１４は、望ましくは、さらなるセンサを有しない。これは、センサ無しダイアフラムポンプ１４は、安価に生産され、したがって、特に使い捨てのバイオリアクタとともに、使い捨てのバイオリアクタポンプとして使用されてもよいとの利点をもたらす。

ダイアフラムポンプ１４の操作に必要な制御流体は制御流体リザーバ１Ａ、２Ａを通じて提供される。第１制御リザーバ１Ａは、圧縮空気供給として参照圧力に対して上昇している、例えば２００から１００００ｈＰａの範囲における圧力レベルを有する。第２制御流体リザーバは、真空システムとして参照圧力に対して減少している、例えば－２００から－９００ｈＰａの範囲における圧力レベルを有する。

破線によってシステムの境界が示されている制御配置１３は、特にセンサ無しダイアフラムポンプ１４の体積的な作動に必要な全ての部品を望ましくは収容する。このようにして、制御配置に収容される制御能力と、この目的において必要な部品は、センサ無しダイアフラムポンプから分離されて配置されてもよく、特にそこから空間的に分離されてもよく、よって、例えば、センサ配置１３は再使用可能であるように設計され、センサ無しダイアフラムポンプ１４は使い捨ての部品として設計されてもよい。

制御配置１３は、第１制御流体リザーバ１Ａへの接続のための制御流体入口１を有し、第２制御流体リザーバ２Ａへの接続のための制御流体出口２を有する。制御流体入口１と、制御流体出口２とは、制御流体ラインを通じて収集点６に接続される。接続点６は、さらに、制御流体ラインを通じて制御流体接続８に接続される。制御流体入口８を通じて、制御配置１３は、制御流体ラインを通じてダイアフラムポンプ１４の制御流体入口１８に接続されてもよい。

制御流体入口１は、第１比例バルブ３を通じて、収集点６に接続され、制御流体出口２は、第２比例バルブ４を通じて、収集点６に接続される。比例バルブ３、４は、シグナリングの観点において、制御ユニット１２に接続される。

熱質量流量センサ５と絶対圧力センサ７とは、収集点６と制御流体接続８との間に配置される。質量流量センサ５と圧力センサ７ともシグナリングの観点において、制御ユニット１２に接続される。さらに、周囲の温度を測定し、温度センサインタフェース１３Ｂを通じてシグナリングの観点において制御ユニット１２に接続される温度センサ１１も提供される。制御配置１３は、さらに外部通信ユニットと特にデータの交換のために構成される通信インタフェース１３Ａをさらに有する。通信インタフェース１３Ａは、望ましくはデジタルインタフェースとして望ましくは構成される。

制御流体入口１から、制御流体は、第１比例バルブ３を通じて第１制御流体リザーバ１Ａから収集点６に搬送され、そこから制御流体接続８を通じてダイアフラムポンプ１４に、よって制御流体側方チャンバ１６が充填され、よって、ダイアフラムポンプ１４の媒体側方チャンバ１７に配置される媒体が、ダイアフラムポンプ１４の媒体出口１９を通じて排出され、例えば、サンプル容器４１に供給される。

制御流体入口１８を通じて、制御流体は、制御流体接続８を通じてダイアフラムポンプ１４の制御流体側方チャンバ１６から抽出され、収集点６と第２比例バルブ４を通じて、制御流体出口２から第２制御流体リザーバ２Ａの内部に汲まれる。

したがって、制御流体は、収集点６と制御流体接続８との間で、制御配置１３において、搬送方向に応じて異なる流れ方向に流れる。質量流量センサ５は、したがって、望ましくは流れ方向にかかわらず、制御流体の質量流量を検知するように構成され、または収集点６から制御流体接続８への流れ方向と、制御流体接続８から収集点６への流れ方向との両方の質量流量の検知を実行するように構成される。望ましくは、圧力センサ７は、同様に、流れ方向にかかわらず制御流体の圧力を検知するように構成される。

質量流量センサ５は、望ましくは、気体媒体のための熱質量流量センサの形態であって、その測定シグナルは、気体のモル流量と関係する。

センサ無しダイアフラムポンプ１４は、ダイアフラムポンプの媒体側方チャンバ１７における搬送される媒体が媒体入口２０から媒体出口１９まで移動するように、制御配置１３によって作動されてもよく、制御流体ライン１０を通じて制御流体が流入流出することによって、制御配置１３によって体積的に制御された方法においてダイアフラム１５が移動する。

特に、制御配置１３の制御ユニット１２は、望ましくは、センサ無しダイアフラムポンプ１４を制御するように図２に示す方法１０００を実行するように構成される。

センサ無しダイアフラムポンプ１４を制御するための方法１０００において、第一に、ステップ１００１において、第１比例バルブ３は、貫通流を実現するように作動され、制御流体はダイアフラムポンプ１４の方向に搬送される。ステップ１００２において、第１比例バルブ３は、搬送される体積が達成されるとすぐに閉じられる。続いて、ステップ１００３において、第２比例バルブ４は、貫通流を実現するために作動され、制御流体はダイアフラムポンプ１４から第２制御流体リザーバ２Ａに搬送され、最後にステップ１００４において、第２比例バルブ４は、搬送される体積が達成されるとすぐに閉じられる。

搬送される体積が達成されていることを確立するように、望ましくは制御流体の実際に搬送された体積が特定される。これは望ましくは下記のように実現される。質量流量センサ５は、モル流量と関係する質量流量を特定するように使用される。液体の制御流体の場合において、これは体積流量と直接関係する。規定された特性を有する気体の制御流体の望ましい場合において、例えば、圧縮された空気の場合において、熱質量流量センサ５の出力シグナルは、制御流体のモル流量と望ましくは関係する。これから、体積流量が導出または算出されてもよい。ここで、対応する条件、特に制御流体の対応する性質、及び境界パラメータは考慮される。例えば、制御流体の体積流量は、理想気体の状態方程式に基づいて、または使用される気体制御流体に合致した関数に基づく関係に基づいて算出されてもよく、そこで、質量流量センサ５によって特定されたモル流量、圧力センサ７によって測定された絶対圧力ｐ、温度センサ１１によって検知された温度、及び一般気体定数が考慮される。ここで、低速及び差圧の場合において、略等温過程、または断熱過程が基礎とされてもよい。

質量流量センサ５によって特定されるモル流量ｎから、まず、時間積分によってモル粒子数Ｎを特定することができる。望ましくは、次のステップにおいて、これは、理想気体の状態方程式と、圧力センサ７及び温度センサ１１に測定されたパラメータとを考慮することによって、ダイアフラムポンプ１４の制御流体側方チャンバ１６における現在の体積Ｖと、したがって搬送される媒体の対応する排出された体積とを算出するために使用されてもよい。このように特定される体積Ｖは、搬送される媒体の体積移動と直接関係する。

望ましくは、センサ無しダイアフラムポンプ１４を制御する方法は、制御流体の圧力を検知することと、制御流体の既定の目標圧力が超過されないように、及び／または既定の目標圧力範囲が満たされるように、及び／または既定の圧力勾配が満たされるように、第１及び／または第２比例バルブを作動させることとをさらに有する。

制御流体側方チャンバ１６の関係する体積を有するダイアフラム１５の第１位置と、制御流体側方チャンバ１６の関係する第２体積を有するダイアフラム１５の第２位置との間の体積の差分は、差分体積ｄＶと呼ばれてもよい。ダイアフラムの第１及び第２位置がその端部位置であると、その結果は合計差分体積である。考慮されるべき粒子数を算出するために、既定の初期値で積分器を初期化することは、下記で説明される。

ここで、既定の体積流量を有する体積的制御は、例えば、後続のように進行してもよい。搬送される媒体の搬送される体積ｄＶは、既定の体積流量において搬送される。この目的において、制御流体は、調節された態様において、制御流体リザーバ１Ａからダイアフラムポンプ１４の制御流体側１６に流入させられて、体積流量Ｆが既定の値によって調節され、搬送される体積ｄＶが達成された後にプロセスが終了されるように、体積流量及び搬送される体積を特定するために上述のように、第１比例バルブ３は制御ユニット１２によって作動される。

続いて、搬送される媒体は、搬送される体積ｄＶ及び既定の体積流量Ｆにおいてダイアフラムポンプ１４の媒体側方チャンバ１７に吸い込まれ、制御流体は、ダイアフラムポンプ１４の制御流体側１６から制御流体リザーバ２Ａに流出させられて、体積流量が既定の値によって調節され、搬送される体積ｄＶが達成された後にプロセスが終了されるように、体積流量及び体積を特定するために上述のように、第２比例バルブ４は制御ユニット１２によって作動される。

さらに、制御流体、及び関係して搬送される媒体に作用する圧力が追加的に監視されることが望ましい。搬送される媒体及びその成分に関して利点（例えば、生物学的細胞に作用するせん断力の制限及び関連した向上した工程信頼性）を有するだけではなく、設備の安全性及び仕事の安全性の向上にもおいても利点を有する。ここで、制御流体の圧力及び／または圧力勾配は、圧力センサ７による圧力測定及び比例バルブ３、４における制御ユニット１２の適切な介入によって、既定の限界値に制限される。

圧力センサを含むことで、既定の圧力及び／または圧力勾配において体積制御を実現することが可能になる。このような制御方法は、下記のように進行してもよい。第一に、制御流体リザーバ１Ａからダイアフラムポンプ１４の制御流体側方チャンバ１６への制御流体の調節された流れを通じて、搬送される媒体は、搬送される体積ｄＶ、及び既定の圧力プロファイル、特に時間にわたる既定の圧力プロファイルにおいて、ダイアフラムポンプ１４の媒体側方チャンバ１７から排出される。この場合において、既定の値によって制御流体圧力ｐが調節され、搬送される体積ｄＶが達成された後にプロセスが終了されるように、制御流体の検知された絶対圧力ｐと、搬送される体積を特定するための上述の方法とを考慮して、第１比例バルブ３は制御ユニット１２によって作動される。続いて、ダイアフラムポンプ１４の制御流体側方チャンバ１６から制御流体リザーバ２Ａへの制御流体の調節された流れを通じて、搬送される媒体は、搬送される体積ｄＶ、及び既定の圧力プロファイル、特に時間にわたる既定の圧力プロファイルにおいて、ダイアフラムポンプ１４の媒体側方チャンバ１７に吸い込まれる。この場合において、設計によって制御流体圧力ｐが調節され、搬送される体積ｄＶが達成された後にプロセスが終了されるように、検知された絶対圧力ｐと、搬送される体積を特定するための上述の方法とを使用して、比例バルブ４は制御ユニット１２によって作動される。

ダイアフラムポンプ１４のダイアフラム１５の体積的端部位置及び中間参照点が、制御配置１３によって特定されることがさらに可能である。この目的において、第一に、既定の低い初期体積流量は、比例バルブ３を通じて制御流体に付与され、圧力センサ７によって、圧力の時間的プロファイルは、その勾配が大幅に急になるまで連続的に監視される。このように、ダイアフラムポンプ１４のダイアフラム１５が一の機械的停止位置、即ち一の最大位置または端部位置に到達したことを確立できる。この方法が、比例バルブ３を通じて制御流体リザーバ１Ａから制御流体側方チャンバ１６への制御流体の流れを通じて、第１端部位置のために実行された後、方法は、同様に、既定の初期体積流量において、比例バルブ４を通じてダイアフラムポンプ１４の制御流体側方チャンバ１６から制御流体リザーバ２Ａに、制御流体が流れる反対向きに開始されてもよい。ここでも、圧力センサ７によって、圧力の時間的プロファイルは同時に連続的に監視され、勾配が大幅に増加すると第２端部位置は検知される。

付随的な態様において、合計差分体積ｄＶｔｏｔａｌも上述の方法によって特定されることが望ましく、合計差分体積は、ダイアフラムポンプ１４のダイアフラム１５の２つの端部位置との間で取得される。この情報に基づいて、定義及び作動は、ダイアフラム１５のいずれかの中間参照点、例えば、合計差分体積ｄＶｔｏｔａｌの半分の場合における中立位置において可能である。

初期値としての体積の特定のため、望ましくは、２つの比例バルブ３、４から、制御流体側方チャンバ１６の最小体積に対応するダイアフラムポンプの端部位置におけるダイアフラムポンプ１４までの互いに接続される制御流体システムの要素の体積の全ての合計によって形成されるデッド体積が特定される。このデッド体積は、制御配置と、制御配置をダイアフラムポンプに接続する制御流体ラインの設計によって生じ、したがって特定することは容易である。初期化のために、作動は、ダイアフラムの対応する端部位置のために実現され、積分器の粒子数Ｎの開始値は、特定されたデッド体積と、圧力センサ７及び温度センサ１１によって現在測定される条件とに基づいて、理想気体の状態方程式または使用される制御流体に合致した関数に基づく関係を考慮して算出される。

本明細書にて説明される制御配置及びセンサ無しダイアフラムポンプを制御する方法は、既存の解決策と比較して、多数の利点を有する。既存の解決策は、ダイアフラムポンプのダイアフラムの位置を検知するために特に距離センサに依存し、ここで、排出される体積は間接的にのみ特定され、弾性ダイアフラムの空間的変形を、再現性を有する方法で説明できないため、原則としてより大きい公差に関連している。さらに、ダイアフラムの位置を検知する距離センサは、ダイアフラムポンプのコストの増加をもたらす。さらに、ユーザによる取扱い労力が増加し、低いレベルの統合性しかを有しないシステム構造が実現される。本明細書にて説明される制御配置及びセンサ無しダイアフラムポンプを制御する方法は、対照的に、体積的特定に基づいてダイアフラムの位置制御を可能にして、ダイアフラムポンプの直接近傍においてセンサ部品の配置を回避することを可能にする。このように、非再現可能な変形態様による単なるダイアフラムの間隔の測定ではなく、移動した流体体積の現実または体積的特定を実現できる。同時に、制御に必要なセンサの全てが制御システムに収容され得るため（また、そこで温度センサは温度センサインタフェースを通じて接続されてもよく）、高いレベルの統合性が実現される。作動されるダイアフラムポンプは、対照的にセンサを有しない。これは、ダイアフラムポンプにセンサが収容されていないため、及び関連する接続ケーブル及びダイアフラムポンプのセンサと制御配置との間の対応する接続アウトレイ（outlay）も不要となるため、簡単な構造とユーザにとって向上した取扱い性をもたらす。本明細書にて説明される制御は、さらに、例えば、生物学的細胞等の搬送される媒体の成分には、小さい程度においてのみ負荷がかかること、またはこの負荷の制御を可能にする。まとめて、特に、バイオプロセスにおける使い捨てのバイオリアクタの応用領域において、ダイアフラムポンプの作動において大幅な改善を実現することができる。

Claims (15)

1. センサ無しダイアフラムポンプ（１４）を制御する制御配置（１３）であって、
   前記制御配置（１３）は、
   参照圧力に対して上昇した圧力レベルを有する第１制御流体リザーバ（１Ａ）への接続のための制御流体入口（１）と、
   参照圧力に対して減少した圧力レベルを有する第２制御流体リザーバ（２Ａ）への接続のための制御流体出口（２）と、
   前記センサ無しダイアフラムポンプ（１４）のための制御流体ラインの接続のための制御流体接続（８）と、
   を備え、
   前記制御流体入口（１）は、第１比例バルブ（３）を通じて収集点（６）に接続され、前記制御流体出口（２）は、第２比例バルブ（４）を通じて前記収集点（６）に接続され、
   質量流量センサ（５）は、前記収集点（６）と前記制御流体接続（８）との間に配置され、
   前記制御配置（１３）は、シグナリングの観点において前記第１比例バルブ（３）と前記第２比例バルブ（４）と前記質量流量センサ（５）とに接続された制御ユニット（１２）をさらに有する、制御配置（１３）。
2. 圧力センサ（７）、特に絶対圧力センサは、前記収集点（６）と前記制御流体接続（８）との間に配置される、請求項１に記載の制御配置（１３）。
3. 温度センサ（１１）、及び／または温度センサとのシグナル交換のための、特に温度センサからシグナルを受信する温度センサインタフェース（１３Ｂ）をさらに有する、請求項１または２に記載の制御配置（１３）。
4. 前記制御ユニット（１２）は、シグナリングの観点において、圧力センサ（７）及び／または温度センサ（１１）及び／または温度センサインタフェース（１３Ｂ）に接続される、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御配置（１３）。
5. 前記制御ユニット（１２）は、外部通信ユニットとの交換のための通信インタフェース（１３Ａ）を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御配置（１３）。
6. ダイアフラムポンプ（１４）を有し、特にセンサ無しダイアフラムポンプ（１４）を有し、請求項１から５のいずれか一項に記載の制御配置（１３）を有するダイアフラムポンプ配置（１００）。
7. 請求項１から５のいずれか一項に記載の制御配置（１３）とともに使用するダイアフラムポンプ（１４）であって、
   前記ダイアフラムポンプ（１４）は、ダイアフラム（１５）の位置を検知する距離センサを有しない、ダイアフラムポンプ（１４）。
8. 請求項６に記載したダイアフラムポンプ配置（１００）を有するまたは請求項７に記載したダイアフラムポンプ（１４）を有するバイオリアクタ（４０）。
9. バイオリアクタ（４０）を伴う、またはバイオリアクタにおける請求項７に記載したダイアフラムポンプ（１４）を伴う請求項６に記載したダイアフラムポンプ配置（１００）の使用。
10. センサ無しダイアフラムポンプ（１４）を制御する方法（１０００）であって、前記方法は、
    貫通流を実現するように制御配置（１３）の第１比例バルブを作動すること（１００１）と、制御流体を搬送することと、
    搬送される体積が達成されると、前記第１比例バルブを閉じること（１００２）と、
    貫通流を実現するように第２比例バルブを作動すること（１００３）と、前記制御流体を搬送することと、
    前記搬送される体積が達成されると、前記第２比例バルブを閉じること（１００４）と、
    を含む、方法（１０００）。
11. 前記制御流体の搬送された体積を特定することを有する、請求項１０に記載の方法（１０００）。
12. 前記制御流体の前記搬送された体積を特定することは、
    前記制御流体の質量流量を検知することと、
    前記質量流量から体積流量を導出することと、
    前記体積流量から前記制御流体の前記搬送された体積を導出することと、
    を有する、請求項１０または１１に記載の方法（１０００）。
13. 前記制御流体の圧力を検知することと、
    前記制御流体の既定の目標圧力が超過されないように、及び／または既定の目標圧力範囲が満たされるように、及び／または既定の圧力勾配が満たされるように、前記第１比例バルブ及び／または前記第２比例バルブ（３、４）を作動させることと、
    を有する、請求項１０から１２のいずれか一項に記載の方法（１０００）。
14. 前記センサ無しダイアフラムポンプ（１４）のダイアフラム（１５）の端部位置を特定することを有する、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法（１０００）。
15. 前記センサ無しダイアフラムポンプ（１４）のダイアフラム（１５）の端部位置を特定することは、
    既定の初期体積流量において前記制御流体を搬送することと、
    前記制御流体の圧力勾配を検知することと、
    前記圧力勾配が変化すると、前記ダイアフラム（１５）の端部位置の存在を確立させることと、を有する、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法（１０００）。

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