JP7128887B2 - 多変量自動クロスフロー濾過制御 - Google Patents

Description

本発明は、改良したクロスフロー濾過（ｃｒｏｓｓｆｌｏｗ ｆｉｌｔｒａｔｉｏｎ：ＣＦＦ）制御に関する。より具体的には、圧力および流量を自動制御する際の柔軟性を改良できる、クロスフロー濾過の多変量、マルチモード制御のためのシステムおよび方法を提供する。これらは具体的には、過圧防止機能を改良する可能性がある。

クロスフロー濾過は、供給液が膜面に対してほぼ平行に流れることにより、膜に堆積物が蓄積するのを防止する形態の、一般的に使用される濾過プロセスである。デッドエンド濾過方式で一般的な濾過ケーク形成は、クロスフロー濾過プロセスで発生することはない。供給液の一部は、透過液と呼ばれる膜を通過する。膜を通過しない部分は保持液と呼ばれている。クロスフロー濾過プロセス中、保持液は再循環、すなわち膜面全体に再度送られている。所望の最終製品は、透過液および／または保持液に含まれている可能性がある。

このクロスフロー濾過技術を、一例として液体、乳濁液、懸濁液、飲料、たとえば水、ジュース、ビール、ワイン、ホエー、牛乳など、下水および溶液などを、たとえば生物工学的応用、薬学的応用、生物薬剤学的応用、遺伝子工学的応用、医学的応用、化学的応用、美容学的応用、および実験的応用に際し処理するために、非常に幅広く適用することができる。

クロスフローフィルタ内で流量および圧力を手動制御する場合、精度および繰返し精度を得ることができない。有益である可能性のある特定の制御モードを使用できないか、または手動制御に必要以上の人間の関与を要することになる。リリーフ弁などの既存の過圧防止策では材料の損失が起こり、システム構成要素および操作者に損傷を与える恐れがある。

したがって、本発明の目的は、多変量自動制御システムを実現するクロスフロー濾過システムを提供することである。

上記の目的は、独立請求項の主題によって解決される。好ましい実施形態を従属請求項において定義している。

本発明の一態様によれば、クロスフロー濾過（ＣＦＦ）システムを自動制御するための制御システムを提供し、本システムは、
－測定値処理部であって、
－クロスフロー濾過システムの複数のセンサから、複数のセンサ信号を受信し、かつ
－これらの複数のセンサ信号に基づいて、クロスフロー濾過システムの動作状態を定義する複数のプロセスパラメータを決定する、
ように構成された、測定値処理部と、
－制御モード選択部であって、
－ユーザ入力に基づいて、これらのプロセスパラメータのサブセットを制御パラメータのセットとして決定し、かつ
－制御パラメータのセット内の各制御パラメータに対して、対応する設定値（目標値）を決定する
ように構成された、制御モード選択部と、
－複数の制御ループモジュールを含む制御部であって、各制御ループモジュールが、
－制御パラメータのセットから少なくとも１つの制御パラメータを受信し、
－このように受信した制御パラメータにおける、対応する設定値との制御偏差を決定し、かつ
－このように決定した制御偏差を低減するなど、クロスフロー濾過システムの動作状態を変更するのに適した動作信号を、クロスフロー濾過システムの専用アクチュエータに供給する
ように構成された、制御部と
を備える。

制御パラメータのセットは制御モードを定義してもよい。したがって、制御パラメータのセットによって制御モードを定義してもよく、ここでの各制御パラメータは、測定値処理部から受信するプロセスパラメータである。制御モード選択部は、ユーザが所定の複数の制御モードのうちの１つを選択できるように、所定の複数の制御モードをそれぞれのメモリ内に記憶させていてもよい。一態様では、ユーザは個々のプロセスパラメータを選択することなく、制御モードを選択してもよい。代替的にまたは付加的に、ユーザは所望のプロセスパラメータを個別に選択することができ、これによって適用すべき制御モードを決定する。こうした制御モードの選択／決定方法に関係なく、選択／決定した制御モードで動作するように、この制御部を構成している。

本制御システムを、任意のＣＦＦシステム、たとえば精密濾過法、限外濾過法、ナノ濾過法、浸透気化法、および／または逆浸透法用途向けに設計されたＣＦＦシステムに適用してもよい。本制御システムは、固体材料および／または気体材料を濾過するためのＣＦＦシステムをさらに制御してもよい。

本発明においては、ＣＦＦシステムはＣＦＦプロセスに関与するすべての部材を含む。このようなＣＦＦシステムの設計を、具体的には部材のタイプ、数および配置、ならびに部材をＣＦＦシステムに流体連結させることによって構築されるフロー回路に関して限定するものではない。例示的なＣＦＦシステムは、たとえば金属膜、セラミック膜および／または高分子膜などの１またはそれ以上の濾過媒体、少なくとも１つの供給液入口、少なくとも１つの透過液出口、および少なくとも１つの保持液出口を含む濾過モジュール（フィルタとも呼ぶ）と、少なくとも１つの入口および少なくとも１つの出口を含む保持液容器とを備えていてもよい。例示的なＣＦＦシステムの部材を流体連結させることにより、フロー回路が構築される。具体的には供給液入口を、供給液導管によって保持液容器の出口に流体連結させている。保持液出口を、保持液導管によって保持液容器の入口に流体連結させている。換言すれば、これらの導管は、濾過モジュールの入口と出口との間の流体連通をもたらし、これによって循環ループを形成している。例示的なＣＦＦシステムは２つ以上の循環ループを備えていてもよく、各ループはリザーバを含んでいてもよい。別の導管をさらに配置して、透過液を循環ループに戻し、かつ／または緩衝液をフロー回路に添加するようにしてもよい。１またはそれ以上の循環ループ内を流れる媒体を排除できるようにするために、追加の排除導管を任意の位置で１またはそれ以上の循環ループに流体連結させてもよい。複数のポンプを使用することにより、内部容積内、すなわち例示的なＣＦＦシステムの導管内で、特定の流速で流体搬送できるようにしてもよい。弁をフロー回路に配置して、濾過システムの内部容積内の液体流れを選択的に調整してもよい。弁は、例示的なＣＦＦシステムの内部容積から流体を添加または抽出できるように配置してもよい。具体的には、保持液および透過液を調整する弁を例示的なＣＦＦシステム内に配置してもよい。センサを利用して、内部容積内のさまざまな位置でシステム圧力および／または流量などの数量を測定してもよい。

本制御システムは、ＣＦＦシステムの複数のセンサに電気的に連結することで、各センサからセンサ信号を受信することができる測定値処理部を備える。この測定値処理部は、好ましくは、アナログ・デジタル変換によって各センサ信号を受信している。換言すれば、測定値処理部の一部である１またはそれ以上のアナログ・デジタル変換器の離散化および量子化によって、各アナログセンサ信号をデジタル化することができる。この測定値処理部は、好ましくは複数のセンサ信号から推測される複数のプロセスパラメータを供給することができる。これらの複数のプロセスパラメータは、直接のプロセスパラメータとしての生センサ信号および／もしくはフィルタリングされたセンサ信号、ならびに／または２つ以上の直接のプロセスパラメータから導出する、導出プロセスパラメータを含んでいてもよい。ローパスフィルタリング、ハイパスフィルタリング、バンドパスフィルタリング、バンドストップフィルタリング、バンドリジェクトフィルタリングおよび／またはノッチフィルタリングなどの１またはそれ以上のデータフィルタリング法で、生センサ信号を処理することにより、フィルタリングされたセンサ信号が得られる。たとえばノイズ低減を行う目的で、所定の方法で受信したセンサ信号を処理するために、データフィルタリングを適用してもよい。

複数のプロセスパラメータは、ＣＦＦシステムの動作状態を定義している。この動作状態は、各プロセスパラメータが特定の大きさで定義されていることを特徴としてもよい。本制御システムは、とりわけ１またはそれ以上のプロセスパラメータが臨界大きさを超えている場合、その動作状態を継続的にユーザに通知してもよい。

制御モード選択部は、制御モードを決定することができる。測定値処理部から受信する制御パラメータのセットによって、制御モードを定義している。制御モードの決定にはユーザ入力が必要となる。好ましくは、これらの制御パラメータは、供給液ポンプ制御ループ用の少なくとも１つの制御パラメータ、および／または保持液弁制御ループ用の少なくとも１つの制御パラメータ、および／または透過液弁制御ループ用の少なくとも１つの制御パラメータを含む。選択している制御パラメータに応じて、制御モードが変わる。制御モード選択部は、制御モードの決定に基づいて、制御対象のそれぞれのプロセスパラメータを受信する。換言すれば、これらの制御パラメータは、ユーザの選択に基づいて制御されるプロセスパラメータである。ユーザが制御モードを定義するために制御パラメータを選択することが可能であり、あるいはユーザが所定の制御モードを選択し、これによって所定の制御パラメータのセットを選択することも可能である。各制御パラメータに対して、設定値をユーザ入力によって決定することが好ましい。これらの設定値を、本制御システムのデフォルト値として事前定義することも可能である

本制御システムは、決定した制御モードで動作するように構成された制御部をさらに備える。この制御部は、１つの制御パラメータを対応する設定値まで制御することができる複数の一次制御ループを含む。たとえば、制御パラメータの瞬時値とそれに対応する設定値との間に偏差が生じた場合、それぞれの一次制御ループによってこれをゼロまで低減してもよい。所望の設定値を得るために、一次制御ループはそれぞれ、制御されたＣＦＦシステムの動作状態を維持かつ／または変更することができるアクチュエータに対して、制御入力信号を供給することができる。制御入力信号を供給することで、特定の動作主体の調整を引き起こす制御動作をもたらす場合がある。たとえば、アクチュエータがポンプである場合、この制御動作がポンピング速度に影響する場合があり、またはアクチュエータが弁である場合、この制御動作がＣＦＦシステムの内部容積を通過する流量に影響する場合がある。制御動作は動作状態に直接または間接的な影響を与える可能性があり、これはすなわち、これらの制御動作によって、ＣＦＦシステム内の圧力および流量を維持かつ／または変更してもよい。一次制御ループはそれぞれ、その制御入力信号が制御パラメータ、すなわち、それぞれの一次制御ループによって制御されるプロセスパラメータからのフィードバックに依存する、閉制御ループであることが好ましい。

測定値処理部および／または制御モード選択部および／または制御部を、データを取得かつ書き出すことができる１またはそれ以上の中央処理装置（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）で実行される、１またはそれ以上のコンピュータ実行プログラムとすることができる。加えて、これらの機構は互いに通信し合うことで、必要なデータ、具体的にはプロセスパラメータ、制御モード、制御パラメータ、および設定値に関するデータを交換してもよい。

有利には、ＣＦＦプロセス制御を完全に自動化し、かつ所望の制御変数に関して最大限柔軟に設定できる制御システムを提供する。したがって、従来の制御システムではいまだ利用できなかった制御モードで、ＣＦＦシステムを制御することができる。加えて、ＣＦＦプロセス制御を完全に自動化することにより、ＣＦＦ回路内の圧力スパイクまたは流量スパイクを発生させずに、反復可能操作と制御変数の円滑な遷移とが可能になる。制御モード、ひいては制御変数を変更できるため、本システムは複数の再構成可能な制御ループを提供する。本発明は、圧力を調整するためのリリーブ弁の必要性を除外している。したがって、ＣＦＦ回路内で材料の損失は発生しない。

好ましくは、一次制御ループはそれぞれ、少なくとも１つのＰＩＤコントローラを含む。ＰＩＤコントローラは、設定値と制御パラメータとの間の偏差として誤差値ｅを継続的に計算し、この偏差をゼロまで低減するために、比例項、積分項、および微分項に基づいて補正を施してもよい。この場合、当該補正はＣＦＦシステムのアクチュエータの制御入力信号を表す。有利なことに、ＰＩＤコントローラにより、正確で応答性の高い閉ループ制御を行うことができる。

好ましくは、これらの複数のセンサ信号は、
－クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力信号（Ｐ_ｒ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの透過流れの圧力を示す透過液圧力信号（Ｐ_ｐ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの保持液容器の質量を示す重量信号（Ｍ_ｒ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの供給流れのフロー信号
を含む。

最も好ましくは、複数のセンサ信号はＰ_ｆ、Ｐ_ｒ、Ｐ_ｐ、およびＭ_ｒを含む。

好ましくは、これらの複数のプロセスパラメータは、
－（フィルタリングされた）センサ信号、および／または
－クロスフロー濾過システムの（フィルタの）膜間差圧（ｔｒａｎｓｍｅｍｂｒａｎｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ：ＴＭＰ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力（Ｐ_ｆ）と、クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力（Ｐ_ｒ）との差圧（ΔＰ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの透過流量
を含む。

有利なことに、本制御システムは、ＣＦＦシステムの動作状態を記述する重要または所望の数量にアクセスすることができる。これらのプロセスパラメータは、Ｐ_ｆおよび／またはＰ_ｒおよび／またはＰ_ｐおよび／またはＭ_ｒの生センサ信号またはフィルタリングされたセンサ信号を含んでいてもよい。これらのセンサ信号をＣＦＦシステムで直接測定できるため、生センサ信号であれ、フィルタリングされたセンサ信号であれ、これらを直接のプロセスパラメータと見なしてもよい。

好ましくは、これらの複数のプロセスパラメータは、ＣＦＦシステムのフィルタの膜間差圧ＴＭＰ、および／またはＣＦＦシステムの供給流れの圧力と保持流れの圧力との差圧ΔＰ、および／またはクロスフロー濾過システムの透過流量を含む。

膜間差圧ＴＭＰは、濾過膜の保持液側と透過液側との間の圧力勾配を表す。ＴＭＰは、材料が膜を通過する力を決定するものである。本制御システムは、次式を使用してＴＭＰを計算することが好ましい。

ΔＰは、供給流れと保持流れとの間、すなわちフィルタの供給液入口とフィルタの保持液出口との間の圧力勾配を表している。本制御システムは、次式を使用してΔＰを計算することが好ましい。

流束Ｆとしても知られる透過流量Ｆは、フィルタ膜を通過する流量を表している。本制御システムは、次式を使用して流束を計算することができる。

Ｆ：透過流量 Ｍ：保持液質量
Ｌ：Ｌ流量 ｔ：時間
ρ：保持液濃度

Ｌ流量は、ＣＦＦシステムのフロー回路に添加される緩衝液の流量を表す。Ｍは、ＣＦＦシステムの保持液容器の質量を表す。ダイアフィルトレーション緩衝液を保持液に添加しない場合、たとえば、ＣＦＦシステムがダイアフィルトレーションシステムではない（として使用しない）場合、Ｌをゼロに設定してもよい。

ＴＭＰ、ΔＰ、および流束は直接のプロセスパラメータから計算できるため、これらを導出プロセスパラメータと見なしてもよい。

有利なことに、本制御システムでは、一次制御ループで制御パラメータとして使用できる、さらなる重要なプロセスパラメータを記述するさらなる変数にアクセスすることができる。

好ましくは、これらの複数の一次制御ループは、少なくともＣＦＦシステムの供給液ポンプアクチュエータに制御入力信号を供給するように構成された供給液ポンプ制御ループ、および／またはＣＦＦシステムの保持液弁アクチュエータに制御入力信号を供給するように構成された保持液弁制御ループ、および／またはＣＦＦシステムの透過液弁アクチュエータに制御入力信号を供給するように構成された透過液弁制御ループを含む。

有利なことに、各アクチュエータを独立して制御することができ、またＣＦＦシステムの動作状態を最小限のアクチュエータで調整することができる。具体的には、供給液ポンプ制御ループは、供給液ポンプに制御信号を供給することで、特定の供給液ポンピング速度をもたらしてもよい。保持液制御ループは、保持液弁に制御信号を供給することで、保持液弁を通過する特定の流量をもたらしてもよい。透過液制御ループは、透過液弁に制御信号を供給することで、透過液弁を通過する特定の流量をもたらしてもよい。

好ましくは、供給液ポンプ制御ループを、制御パラメータＰ_ｆまたはΔＰまたはＴＭＰ、または一定のポンピング速度のうちの１つを選択的に制御するように構成しており、保持液弁制御ループを、制御パラメータＰ_ｒまたはＴＭＰ、または定位置のうちの１つを選択的に制御するように構成しており、かつ透過液弁制御ループを、制御パラメータＰ_ｐまたはＴＭＰまたは透過流量、または定位置のうちの１つを選択的に制御するように構成している。

より具体的には、一態様において、複数の制御ループモジュールは、クロスフロー濾過システムの供給液ポンプアクチュエータに供給液ポンプ動作信号を供給することにより、供給液ポンプの動力／流量を変更／適合させるように構成された、供給液ポンプ制御ループを含んでいてもよい。本態様では、制御モード選択部を、供給液ポンプ制御ループに対する制御パラメータとして、
－クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力（Ｐ_ｆ）と、クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力（Ｐ_ｒ）との差圧（ΔＰ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの膜間差圧（ＴＭＰ）
を選択的に供給するように構成していることが好ましい。

前述した態様のうちの１またはそれ以上と組み合わせることが好ましい別の態様では、これらの複数の制御ループモジュールは、クロスフロー濾過システムの保持液弁アクチュエータに保持液弁動作信号を供給することにより、保持液弁の開放状態を変更／適合させるように構成された、保持液弁制御ループを含んでいてもよい。本態様では、制御モード選択部を、保持液弁制御ループに対する制御パラメータとして、
－クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力信号（Ｐ_ｒ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの膜間差圧（ＴＭＰ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）
を選択的に供給するように構成していることが好ましい。

前述した態様のうちの１またはそれ以上と組み合わせることが好ましいさらに別の態様では、これらの複数の制御ループモジュールは、クロスフロー濾過システムの透過液弁アクチュエータに透過液弁動作信号を供給することにより、透過液弁の開放状態を変更／適合させるように構成された、透過液弁制御ループを含んでいてもよい。本態様では、制御モード選択部を、透過液弁制御ループに対する制御パラメータとして、
－クロスフロー濾過システムの透過流れの圧力を示す透過液圧力信号（Ｐ_ｐ）、および／または
－クロスフロー濾過システムの膜間差圧（ＴＭＰ）、および／または
－クロスフロー濾過システムのフィルタ膜を通過する流量を示す透過流量（Ｆ）
を選択的に供給するように構成していることが好ましい。

これらの態様のいずれにおいても、以下でも詳述しているように、１またはそれ以上のアクチュエータの固定動作状態を、プロセスパラメータとして、またはセンサ信号から導出するプロセスパラメータの代わりに供給してもよい。

好ましくは、制御ループモジュールの１またはそれ以上は、少なくとも１つのＰＩＤコントローラを含む。

有利なことに、各アクチュエータは、他のアクチュエータからの支援なしに、単一のプロセスパラメータ（直接のプロセスパラメータまたは導出プロセスパラメータ）を制御することが可能であってもよい。同時に、制御パラメータのさまざまな組み合わせを使用して、ＣＦＦシステムを制御してもよい。次表に示すように、各組み合わせは特定の制御モードを表していてもよい。

Ｘでマークを付けた制御モードは、本制御システムに最適な好ましい制御モードである。

好ましくは、本制御システムは、Ｐ_ｆ過圧防止機能をさらに提供する。Ｐ_ｆ過圧（供給過圧とも呼ばれる）は、Ｐ_ｆの大きさがある特定の限界値を超えると発生する。Ｐ_ｆ限界値を所定のデフォルト値としてもよいし、かつ／またはユーザ入力によって決定してもよい。別の実装形態では、このＰ_ｆ限界値（以下では二次設定値とも呼んでいる）を、クロスフロー濾過システムの挙動を観測することにより、本制御システムが自動的に決定する値とすることができる。Ｐ_ｆ過圧は、ＣＦＦシステム内のフィルタおよび液体に害を及ぼす場合がある。好ましくは、Ｐ_ｆ過圧防止機能は、ユーザが起動および／もしくは停止することができ、かつ／または選択した制御モードに応じて、自動的に起動および／もしくは停止するコンピュータ実行ルーチンである。

特に好ましい一実施形態では、並列に動作可能であり、少なくとも部分的に互いから独立して動作可能な複数の濾過モジュール（フィルタ）を含む、マルチ流路クロスフロー濾過システムを自動制御するように、本制御システムを適合させている。具体的には、これらのフィルタはそれぞれ、少なくとも１つの供給液入口、少なくとも１つの透過液入口、および少なくとも１つの保持液出口を備えてもよい。一実施形態では、このマルチ流路クロスフロー濾過システムが、互いから離隔され、たとえばポンプおよび弁の動作に関して個別に操作可能な複数の循環ループを備えることにより、特に循環ループ間に（直接かつ／または間接の）流体連結／流体接続を設けないようにしてもよい。複数の循環ループはそれぞれ、複数の濾過モジュールのうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。したがって、本実施形態では、個々の濾過流路は並列に動作してもよいが、（少なくとも部分的に）互いから独立していてもよい。たとえば、同じ基質が異なる濾過流路で濾過の対象となっている場合でも、こうした異なる濾過流路での濾過プロセスを異なる時間に開始したり、かつ／または異なる供給液圧力、および／もしくは異なる透過液圧力、および／もしくは異なる保持液圧力、および／もしくは異なる流量などの異なる濾過パラメータでこの濾過プロセスを実行したりすることができる。本構成において最も好ましくは、過圧防止機能（好ましい実施形態については以下でさらに詳述している）を起動して、これを濾過流路のそれぞれ（すなわち各フィルタ）において独立して動作させてもよい。具体的には、濾過流路の寸法が同じであり、かつ同一の基質を濾過するためにこれらを使用する場合でも、濾過流路それぞれに対して個別にＰ_ｆ限界値を決定してもよい。

一実施形態では、マルチ流路濾過システムの個々の濾過流路（すなわち循環ループ）を互いから独立させて実装できるが、別の実施形態では、この循環ループは保持液容器、および１またはそれ以上のリザーバなどの構成要素の一部を共有していてもよい。最も好ましくは、これらの流路は少なくとも個別に制御可能な濾過モジュールと供給液ポンプとを有し、これによって過圧状態を個別に制御し、かつ防止することができるようにしている。

具体的には、そのようなマルチ流路クロスフロー濾過システムの場合、好ましい一実施形態によれば、これらの濾過流路の１またはそれ以上に対し、クロスフロー濾過システムの１またはそれ以上の他の濾過流路の観測挙動に基づいて、Ｐ_ｆ限界値（および／または別の二次設定値）を自動的に決定かつ設定するように、本制御システムを適合させている。したがって、これらの１またはそれ以上の濾過流路は、処理条件を改善するために、１またはそれ以上の他の濾過流路での不十分な処理条件で行われた処理経験から学習することができる。このため、その制御モードに基づいて、不十分な処理条件（過圧状態）が観測された濾過流路は、１またはそれ以上の他の流路（追随流路とも呼ぶことができる）の条件に影響する先駆流路として動作することになる。

「先駆／追随」という用語は、単に命名上の理由から本明細書では使用しているものであり、過圧防止機能に関して役割を割り当てることで、さまざまな濾過流路に技術的制限を別途設ける必要のないようにしている。たとえば、すべての濾過流路を同様に装備することができ、「先駆者」または「追随者」としての役割は、単に最初に使用が開始された流路に基づいて定義してもよい。一実施形態では、これらの流路を同時に（同じまたは別の制御／プロセスパラメータで）動作／開始してもよく、また過圧状態の発生に関してこれらの流路すべてを観測してもよい。したがって、先駆者または追随者としての役割は経時的に変化する可能性がある。あるいは、ＣＦＦシステムは、１またはそれ以上の専用先駆流路と１またはそれ以上の専用追随流路とを含むことができる。

好ましい実施形態によれば、以下の条件のうちの１もしくはそれ以上を１もしくはそれ以上の濾過流路（先駆流路）で観測し、これらを１もしくはそれ以上の他の濾過流路（追随流路）のＰ_ｆ限界値を決定かつ／または適合させる際に考慮しており、これらの条件はすなわち、
－フィルタ閉塞の発生、および／または
－当該基質（たとえば、保持液および／または透過液）の濁度が所定レベルを超えていること、および／または
－所定量の緩衝液消費量を超えていること、および／または
－所定の処理時間を超えていること
である。

たとえば、フィルタ閉塞は不可逆的状態になることが多く、プロセスパラメータ（たとえば流量および／または膜間差圧など）を大幅に変更したとしても、フィルタ膜を（完全には）回復できないことが判明した。また、Ｐ_ｆ過圧がフィルタ閉塞の有意要因になり得ることも判明している。Ｐ_ｆ過圧に起因するその他の結果として想定されるのは、当該基質の濁度が所定レベルを超えていること、および／または所定量の緩衝液消費量を超えていること、および／または所定の処理時間を超えていることを示す上記の条件のうちの１またはそれ以上であり得る。したがって、これらの条件のそれぞれをＰ_ｆ過圧状態と見なしてもよい。

たとえば、制御モードに応じて、少なくとも１つの追随濾過流路のＰ_ｆ限界値を特定の値に設定かつ／または変更するように、本制御システムを適合させてもよく、この特定の値は、言及した条件が観測された先駆濾過流路においてそれぞれ設定されたＰ_ｆ限界値の値よりも低くてもよいし、過圧状態が観測された直前またはその時点で、その先駆濾過流路で観測されたＰ_ｆの最大値よりも低くてもよい。したがって、ここで追随濾過流路は、具体的には（Ｐ_ｆ）過圧の発生に関して、処理条件を改善するために、不十分な処理条件で行われた処理経験から学習することができる。濾過流路の１またはそれ以上に対して、１またはそれ以上の他の濾過流路における不具合の観測（たとえば、上記の条件の１またはそれ以上の観測）に基づいてＰ_ｆ限界値を自動的に決定するために、本制御システムは、観測した条件に基づいて、かつ既存のＰ_ｆ限界値（二次設定値）に基づいて、かつ／または不具合が観測された濾過流路のＰ_ｆの観測最大値に基づいて、新たな／修正Ｐ_ｆ限界値（および／または他の任意の二次設定値）を決定／設定する所定の適応規則を実行する、圧力制限適応モジュールを備えていてもよい。たとえば、新たな／修正Ｐ_ｆ限界値を、不具合が発生している濾過流路内のＰ_ｆ限界値よりも低い値に設定してもよい（たとえば、不具合のタイプおよび／または程度に応じて、所定差だけ）。

好ましくは、Ｐ_ｆ過圧防止機能をもたらすために、本制御システムは、仮想供給液ポンプを好ましくは制御する（第１の）二次制御ループを備え、この（第１の）二次制御ループを、計算済みの最大Ｐ_ｆおよびＰ_ｆ圧力制限のユーザ定義設定値で動作させている。

二次制御ループは、Ｐ_ｆセンサ信号から真値、好ましくは入力パラメータとしてＰ_ｆセンサ信号の極大値およびＰ_ｆ限界値を取得し、好ましくは、最大許容圧力Ｐ_ｆを発生させるのに供給液ポンプが実際にポンピングすべき速度を示す仮想ポンピング速度の出力を形成する。通常動作モード、すなわち供給過圧が発生していない場合、仮想ポンピング速度は実ポンピング速度よりもはるかに速くなる。供給過圧条件が満たされている場合、すなわちＰ_ｆ限界値を超えている場合、仮想ポンピング速度が実ポンピング速度に近似し始めることが好ましい。供給過圧状態が続く場合、仮想流速が現在の実ポンピング速度設定値を下回ることが好ましい。供給過圧状態の継続が起こった時点で、仮想ポンピング速度によって実ポンピング速度を制限することにより、Ｐ_ｆを低下させることが好ましい。

好ましくは、（第１の）二次制御ループはＰＩＤコントローラを含む。有利なことに、ＰＩＤコントローラにより、正確で応答性の高い閉ループ制御を行うことができる。

好ましくは、付加的にまたは代替として、本制御システムは、Ｐ_ｒ過圧防止機能をさらにもたらす。Ｐ_ｒ過圧（逆過圧とも呼ばれる）は、Ｐ_ｒの大きさがＰ_ｐの大きさを下回ると、すなわちＰ_ｐ－Ｐ_ｒの大きさがある特定の限界値を超えた場合に発生する。このＰ_ｐ－Ｐ_ｒ限界値（以下では二次設定値とも呼んでいる）を所定のデフォルト値としてもよいし、かつ／またはユーザ入力によって決定してもよい。別の実施形態では、このＰ_ｐ－Ｐ_ｒ限界値を、クロスフロー濾過システムの挙動を観測することにより、本制御システムが自動的に決定する値とすることができる。逆過圧は、ＣＦＦシステム内のフィルタおよび液体に害を及ぼす場合がある。好ましくは、Ｐ_ｒ過圧防止機能は、ユーザが起動および／もしくは停止することができ、かつ／または選択した制御モードに応じて、自動的に起動および／もしくは停止するコンピュータ実行ルーチンである。

好ましくは、Ｐ_ｆ過圧防止機能をもたらすために、本制御システムは（第２の）二次制御ループを備え、この（第２の）二次制御ループを、好ましくは計算済みの最小Ｐ_ｒで動作させている。

（第２の）二次制御ループは、好ましくは仮想供給液ポンプを制御し、かつＰ_ｆセンサ信号およびＰ_ｐセンサ信号から真値、好ましくは入力パラメータとしてＰ_ｐセンサ信号とＰ_ｆセンサ信号との差の極大値を取得し、好ましくは、最大許容圧力差を発生させるのに供給液ポンプが実際にポンピングすべき速度を示す仮想ポンピング速度としての、供給液ポンプの出力を形成する。通常動作モード、すなわち逆過圧が発生していない場合、仮想ポンピング速度は実ポンピング速度よりもはるかに速くなる可能性がある。逆過圧条件が満たされている場合、仮想ポンピング速度が実ポンピング速度に近似し始めることが好ましい。逆過圧状態が続く場合、仮想流速が現在の実ポンピング速度設定値を下回ることが好ましい。逆過圧状態の継続が起こった時点で、仮想ポンピング速度によって実ポンピング速度を制限することが好ましい。

好ましくは、（第２の）二次制御ループはＰＩＤコントローラを含む。有利なことに、ＰＩＤコントローラにより、正確で応答性の高い閉ループ制御を行うことができる。

Ｐ_ｆ過圧に関連して記載したＰ_ｆ限界値（二次設定値としての）と同様に、複数の濾過流路の濾過流路のうちの１またはそれ以上における不具合の観測に依存して、マルチ流路濾過システムの本制御システムによって、Ｐ_ｐ－Ｐ_ｒ限界値を（二次設定値として）決定してもよい。Ｐ_ｒ過圧防止機能用に、濾過流路の１またはそれ以上における不具合（過圧状態）を観測する際の条件を、上記と同じ観測値群から選択してもよい。ただし、いずれの場合でも、たとえばＰ_ｆ過圧防止機能とＰ_ｒ過圧防止機能とを同時にもたらす場合には、Ｐ_ｆ過圧防止機能用に選択した条件からは独立して、これらの条件を選択することができる。過圧状態（すなわち不具合）が観測された時点で、Ｐ_ｐ－Ｐ_ｒ限界値（二次設定値）の決定を上記のＰ_ｆ限界値の決定と同様に実行してもよい。したがって、同様の説明を反復することをここでは控える。また、具体的にはＰ_ｒ過圧状態の発生に関して、処理条件を改善するために、不十分な処理条件で行われた処理経験から学習することによる本実装形態の利点も、本記載から明らかになる。

したがって、より一般的には一態様において、測定値処理部を、
－クロスフロー濾過システムの液体流れの圧力を示す少なくとも１つの圧力信号（Ｐ_ｆ、Ｐ_ｒ、Ｐ_ｐ）、好ましくは供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）および／または保持液圧力信号（Ｐ_ｒ）および／または透過液圧力信号（Ｐ_ｐ）を受信し、
－少なくとも１つの受信した圧力信号、好ましくは供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）および／または透過液圧力信号と保持液圧力信号との差圧から、少なくとも１つの過圧防止信号を決定し、かつ
－この少なくとも１つの過圧防止信号の極大値を決定する
ように構成していることが好ましく、
また本態様では、制御モード選択部を、
－クロスフロー濾過システムの供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）および／またはこの供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）と保持液圧力信号（Ｐ_ｒ）との差圧（ΔＰ）および／または膜間差圧（ＴＭＰ）を、一次制御パラメータとして決定し（この決定は、それぞれのパラメータのユーザ選択および／または選択された制御モードに依存する）、
－少なくとも１つの過圧防止信号の極大値を、少なくとも１つの二次制御パラメータとして決定し、かつ
－一次制御パラメータおよび二次制御パラメータの一次設定値および少なくとも１つの二次設定値をそれぞれ決定する
ように構成していることが好ましい。

さらに本態様では、制御部は、
－一次供給液ポンプ制御ループであって、
－一次制御パラメータを受信し、
－このように受信した一次制御パラメータにおける、一次設定値との一次制御偏差を決定し、かつ
－このように決定した一次制御偏差を低減するなど、供給液ポンプアクチュエータがクロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、一次供給液ポンプ動作信号を供給する
ように構成された、一次供給液ポンプ制御ループを含む、供給液ポンプ制御ループモジュールを含むことが好ましい。この一次供給液ポンプ制御ループを、本明細書に記載の供給液ポンプ制御ループのいずれかとして実装または表してもよい。

また、供給液ポンプ制御ループモジュールは、
－少なくとも１つの二次制御パラメータを受信し、
－このように受信した少なくとも１つの二次制御パラメータにおける、少なくとも１つの二次設定値との少なくとも１つの二次制御偏差を決定し、かつ
－このように決定した少なくとも１つの二次制御偏差を低減するなど、供給液ポンプアクチュエータがクロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、少なくとも１つの二次供給液ポンプ動作信号を供給する
ように構成された、少なくとも１つの二次供給液ポンプ制御ループをさらに含むことが好ましい。

さらに本態様では、制御部は、供給液ポンプアクチュエータに対し、一次供給液ポンプ動作信号または少なくとも１つの二次供給液ポンプ動作信号を選択的に供給するように構成された、過圧防止部を含むことが好ましく、この選択は、いずれの信号がより低い供給液流量（流速）または最も低い供給液流量（流速）、すなわち供給液流路の供給液のより低い／最も低い流量に対応しているかに依存する。

したがってこの点において、過圧状態が発生すると、供給液圧力は実質的に一定（最大圧力またはこれに近似）になるが、制御ループが要求する流量は異なる場合があり、この選択は、いずれの制御ループがより低い流量を求めているかに基づいている。複数の過圧防止信号ならびにそれぞれの二次制御パラメータ、二次設定値、二次供給液ポンプ制御ループ、二次制御偏差、および二次供給液ポンプ動作信号を実装している場合、供給過圧防止部は一次供給液ポンプ動作信号および複数の二次供給液ポンプ動作信号から、最低供給流量に対応している信号を選択してもよい。

好ましい一実施形態では、供給液圧力信号を、（第１の）過圧防止信号として決定してもよい。したがって本実施形態では、クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）を受信し、かつこのように受信した供給液圧力信号の極大値を決定するように、測定値処理部を構成していることが好ましい。このように決定した供給液圧力信号の極大値を、（第１の）二次制御パラメータとして決定し、かつ（好ましくは所定の、たとえばシステム固有の）最大供給液圧力値を対応する二次設定値として決定するように、制御モード選択部を構成していることが好ましい。これらの一次制御パラメータおよび対応する一次設定値を、選択した制御モードに応じて決定してもよい。好ましい一実装形態では、供給液圧力（信号）を一次制御パラメータとして決定し、（好ましくはユーザが選択した）所望の供給液圧力値を対応する一次設定値として決定してもよい。

また、本実装形態では、二次供給液ポンプ制御ループを、
－決定した供給液圧力信号の極大値を二次制御パラメータとして受信し、
－このように受信した供給液圧力信号の極大値における、最大供給液圧力値との二次制御偏差を決定し、かつ
－このように決定した二次制御偏差を低減するなど、供給液ポンプアクチュエータがクロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、二次供給液ポンプ動作信号を供給する
ように構成していることが、さらに好ましい。

本システムの好ましい動作モードでは、一次供給液ポンプ制御ループを、
－供給液圧力信号を一次制御パラメータとして受信し、
－このように受信した供給液圧力信号における、所望の供給液圧力値との一次制御偏差を決定し、かつ
－このように決定した一次制御偏差を低減するなど、供給液ポンプアクチュエータがクロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、一次供給液ポンプ動作信号を供給する
ように構成していてもよい。

前述した好ましい実施形態と組み合わせたとしても最も好ましい別の実施形態では、透過液圧力（信号）と保持液圧力（信号）との差圧を（第２の）過圧防止信号として決定してもよい。したがって、本実施形態では、クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力信号（Ｐ_ｒ）、およびクロスフロー濾過システムの透過流れの圧力を示す透過液圧力信号（Ｐ_ｐ）を受信し、かつこれらの透過液圧力（信号）と保持液圧力（信号）との差圧の極大値を決定するように、測定値処理部を構成していることが好ましい。このように決定した前記差圧の極大値を（第２の）二次制御パラメータとして決定し、かつ（好ましくは所定の、たとえばシステム固有の）最大差圧値を対応する（第２の）二次設定値として決定するように、制御モード選択部を構成していることが好ましい。これらの一次制御パラメータおよび対応する一次設定値を、選択した制御モードに応じて決定してもよい。好ましい一実施形態では、供給液圧力（信号）またはＴＭＰを一次制御パラメータとして決定し、また（好ましくはユーザが選択した）所望の供給液圧力値（またはＴＭＰ値）を対応する一次設定値として決定してもよい。

また、本実施形態では、二次供給液ポンプ制御ループ（これを第２の二次供給液ポンプ制御ループとしてもよい）を、
－決定した透過液圧力（信号）と保持液圧力（信号）との差圧の極大値を、（第２の）二次制御パラメータとして受信し、
－このように受信した前記差圧信号の極大値における、最大差圧値との二次制御偏差（これを第２の二次制御偏差としてもよい）を決定し、かつ
－このように決定した（第２の）二次制御偏差を低減するなど、供給液ポンプアクチュエータがクロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、二次供給液ポンプ動作信号（これを第２の二次供給液ポンプ動作信号としてもよい）を供給する
ように、構成していることがさらに好ましい。

これにより、極めて効率的な過圧保護をもたらしている。本態様では、一次供給液ポンプ制御ループおよび二次供給液ポンプ制御ループはそれぞれＰＩＤコントローラを含み、これらが両方とも同じＰＩＤパラメータを有することが最も好ましい。これにより、過圧防止の構成および動作の両方を扱いやすくし、また確実に動作するものにする。記載している供給液圧力および透過液圧力と保持液圧力との差圧に対処する過圧保護機能を、二者択一的にもしくは組み合わせて実装かつ／または起動することができる。

好ましくは、マルチ流路クロスフロー濾過システムを自動制御するように本制御システムを適合させており、マルチ流路クロスフロー濾過システムの先駆濾過流路内の過圧状態を受信し、かつマルチ流路クロスフロー濾過システムの追随濾過流路に対して少なくとも１つの二次設定値を決定するように、制御モード選択部を構成している。

別の態様では、本発明はクロスフロー濾過システムを提供するものであり、本クロスフロー濾過システムは、
－供給液流路を介して、本クロスフロー濾過システムのフィルタへと液体を供給するアクチュエータとしての供給液ポンプであって、供給液流路内の液体圧力を測定する供給液圧力センサを設置している、供給液ポンプと、
－本クロスフロー濾過システムのフィルタから保持液流路を介して通過する、保持液の流れを制御するアクチュエータとしての保持液弁であって、保持液流路の液体圧力を測定する保持液圧力センサを設置している、保持液弁と、
－本クロスフロー濾過システムのフィルタから透過液流路を介して通過する、透過液の流れを制御するアクチュエータとしての透過液弁であって、透過液流路内の液体圧力を測定する透過液圧力センサを設置している、透過液弁と、
－記載した本発明の好ましい実施形態の１つに好ましくは従って、本明細書に記載している制御システムと
を備える。

好ましい一態様では、本ＣＦＦシステムは、本クロスフロー濾過システムの保持液容器の重量または質量を測定する重量センサをさらに備える。

さらに別の態様では、本発明は、クロスフロー濾過システムを自動制御するための自動化された（完全にコンピュータで実行される部分的な）制御方法を提供するものであり、本制御方法は、
－本クロスフロー濾過システムの複数のセンサから、（測定値処理部で）複数のセンサ信号を受信するステップと、
－これらの複数のセンサ信号に基づいて、本クロスフロー濾過システムの動作状態を定義する複数のプロセスパラメータを決定するステップと、
－ユーザ入力に基づいて、これらのプロセスパラメータのサブセットを制御パラメータのセットとして決定するステップと、
－制御パラメータのセット内の各制御パラメータに対して、対応する設定値（目標値）を決定するステップと、
－各制御パラメータに関して、制御パラメータにおける、対応する設定値との制御偏差を決定するステップと、
－このように決定した制御偏差を低減するなど、本クロスフロー濾過システムの動作状態を変更するのに適した動作信号を、本クロスフロー濾過システムの専用アクチュエータに供給するステップと
を含む。

さらに別の態様では、電子信号または物理的記憶媒体で明確に具現化され得、またコンピュータシステムにロードされ、このコンピュータシステムによって実行されると、そのコンピュータシステムに対し、記載した本発明の好ましい実施形態の１つに好ましくは従って、本明細書に記載しているクロスフロー濾過システムを自動制御するための制御方法を実行させるプログラムコードを備える、コンピュータプログラム製品を提供する。

本発明のこれらおよび他の目的、特徴および利点は、以下の好ましい実施形態に関する詳細な説明および添付の図面を読解することで、より明らかになるであろう。実施形態が別々に説明されていても、その単一の特徴を追加の実施形態と組み合わせてもよいことを理解すべきである。

一実施形態に係る、ＣＦＦシステムに接続された本制御システムの概略図である。 過圧状態を表す図である。 一実施形態に係る、Ｐ_ｆおよびＰ_ｒ過圧防止機能を含むＣＦＦシステムに接続された、本制御システムの概略図である。 一実施形態に係る、供給過圧防止機能を表す図である。

図１は、本発明の特定の一実施形態に係るＣＦＦシステム３０に接続された、制御システム１０の概略図を示す。一例として液体、乳濁液、懸濁液、飲料、たとえば水、ジュース、ビール、ワイン、ホエー、牛乳など、下水および／または溶液などを、たとえば生物工学的応用、薬学的応用、生物薬剤学的応用、遺伝子工学的応用、医学的応用、化学的応用、美容学的応用および／または実験的応用に際し処理するように、本ＣＦＦシステム３０を構成している。本クロスフロー濾過システムのタイプおよび設計を限定するものではないことを理解すべきである。本クロスフロー濾過システムを、精密濾過法、限外濾過法、ナノ濾過法、浸透気化法、および／または逆浸透法用途向けに設計していることが好ましい。本クロスフロー濾過システムを、固体媒体および／または気体媒体を濾過する目的で設計してもよい。

ＣＦＦシステム３０は、少なくとも１つの膜（フィルタ３１として）と、濾過対象の媒体から得られる保持液用の保持液容器（図示せず）とを備える。ＣＦＦプロセスにおいて、供給液容器からの濾過対象の媒体は、具体的には透過液側に対して正圧で、フィルタ３１の内側に配置されているフィルタ膜を実質的に接線方向に通過する。膜の細孔サイズよりも小さい材料の一部は、透過液または濾液として膜を通過し、透過液容器（図示せず）内に収集される一方、残部は保持液として膜の供給液側に保持され、保持液容器内に収集される。したがって、クロスフロー濾過では、当該液体の大部分が膜を実質的に接線方向に通過する動きにより、フィルタ表面上に捕捉または保持された粒子が分離するか、または剥がれ落ちることになる。ＣＦＦシステム３０のフロー回路を調整するために、複数の動作主体が含まれている。透過液側の出口から透過液容器の入口まで延在している透過液導管を通過する流れを調整するように、透過液弁３２を構成している。フィルタ３１の保持液側の出口から保持液容器の入口まで延在している保持液導管を通過する流れを調整するように、保持液弁３３を構成している。ＣＦＦシステム３０内の流れを駆動するように、供給液ポンプ３４を構成している。保持液容器の出口からフィルタ３１の入口まで延在している供給液導管内に、供給液ポンプ３４を配置している。測定対象の数量を測定するために、複数のセンサ３５をＣＦＦシステム３０に設置している。具体的には、ＣＦＦシステム３０は、供給液圧力センサ、保持液圧力センサ、透過液圧力センサ、および保持液容器の質量センサを備える。供給液圧力センサは、供給液導管内を流れる供給流れの圧力Ｐ_ｆを測定している。保持液圧力センサは、保持液導管内を流れる保持流れの圧力Ｐ_ｒを測定している。透過液圧力センサは、透過液導管内を流れる透過流れの圧力Ｐ_ｐを測定している。質量センサは保持液容器の質量を測定しており、これをたとえば、天秤またはロードセルなどの計量装置とすることができる。

制御システム１０は、測定値処理部１１と、制御モード選択部１２と、制御部１３と、供給液ポンプ制御ループ１４と、保持液弁制御ループ１５と、透過液弁制御ループ１６とを備える。制御システム１０の一つ一つの機構間の接続と、制御システム１０からＣＦＦシステム３０への接続は、電気的接続であることが好ましい。

測定値処理部１１は、ＣＦＦシステム３０の複数のセンサ３５からセンサ信号を受信している。これらのセンサ信号を、好ましくは測定値処理部１１の一部である１またはそれ以上のアナログ・デジタル変換器を介して取得していることが好ましい。このように受信したセンサ信号に基づいて、測定値処理部は複数のプロセスパラメータを制御モード選択部１２に供給している。これらのプロセスパラメータは、生センサ信号、フィルタリングされたセンサ信号、ならびに生センサ信号および／またはフィルタリングされたセンサ信号から導出されたプロセスパラメータを含んでいてもよい。ローパスフィルタリング、ハイパスフィルタリング、バンドパスフィルタリング、バンドストップフィルタリング、バンドリジェクトフィルタリングおよび／またはノッチフィルタリングなどのデータフィルタリング法を１またはそれ以上の生センサ信号に適用することにより、測定値処理部１１がフィルタリングされたセンサ信号を生成することができる。導出されたプロセスパラメータを、１またはそれ以上の生センサ信号および／またはフィルタリングされたセンサ信号および／または既知のシステムパラメータから計算してもよい。これらの複数のプロセスパラメータは、ＣＦＦシステム３０の動作状態を定義している。通常動作状態では、プロセスパラメータの大きさは望ましい範囲内にある。異常動作状態では、少なくとも１つのプロセスパラメータの大きさが望ましい範囲内にないことになる。

制御モード選択部１２は、ユーザ入力に基づいて制御モードを決定する。たとえば、タッチスクリーンならびに／またはキーボードおよび／もしくはボタンと一体となったディスプレイなどのインターフェースを、この制御モード選択部１２に設けていることが好ましい。ユーザは、各制御ループ１４、１５、１６に対して制御パラメータを選択してもよい。制御パラメータは、それぞれのループによって制御されることになるプロセスパラメータである。後述するように、それぞれの制御ループ１４、１５、１６に対してある特定のプロセスパラメータを選択できることが好ましい。選択した制御パラメータに応じて、制御モードが定義される。あるいはユーザが、所定の制御パラメータを選択する形態の所定の制御モードを選択してもよい。好ましくは、制御モード選択部は、表１のＸマーク付きモードに対応する制御モードを決定してもよい。制御モードが決定された後、制御モード選択部１２は、制御パラメータごとに設定値を決定する。その設定値を、制御システムの内部データベースおよび／もしくはメモリから取得してもよいし、かつ／または別のユーザ入力によって定義してもよい。

制御部１３は、このように決定された制御モードで動作する。そのため制御部１３には、決定された制御モードの制御パラメータと、それぞれの設定値とが供給される。制御部１３は、制御信号をアクチュエータ３２、３３、３４に対して供給することにより、制御ループ１４、１５、１６を介してＣＦＦシステム１３の動作状態に影響を与えることができる。

供給液ポンプ制御ループ１４は、供給液ポンプ３４に制御信号を供給し、その結果特定の供給ポンピング速度がもたらされる。ループ１４の場合、制御パラメータＰ_ｆ、ＴＭＰ、ΔＰ、および一定のポンピング速度を使用することができる。一定のポンピング速度が選択された場合、ループ１４は供給液ポンプ３４に制御信号を供給し、その結果一定の供給ポンピング速度がもたらされる。ここで得られる一定のポンピング速度は、この制御パラメータに対して決定した設定値に対応している。制御パラメータがＰ_ｆ、ＴＭＰおよびΔＰのいずれかである場合、制御パラメータをその決定済みの設定値に保持するために、制御信号によってポンピング速度を変更してもよい。

保持液弁制御ループ１５は保持液弁３３に制御信号を供給し、その結果特定の保持液弁流量がもたらされる。ループ１５の場合、制御パラメータＰ_ｒ、ＴＭＰ、ΔＰ、および定位置を使用することができる。定位置が選択された場合、ループ１５は保持液弁３３に制御信号を供給し、その結果一定の保持液弁流量がもたらされる。ここで得られる定位置は、この制御パラメータに対して決定した設定値に対応している。制御パラメータがＰ_ｒ、ＴＭＰおよびΔＰのいずれかである場合、制御パラメータをその決定済みの設定値に保持するために、制御信号によって保持液弁流量をもたらしてもよい。

透過液弁制御ループ１６は、透過液弁３２に制御信号を供給し、その結果特定の透過液弁流量がもたらされる。ループ１６の場合、制御パラメータＰ_ｐ、ＴＭＰ、ΔＰ、流束、および定位置を使用することができる。定位置が選択された場合、ループ１６は透過液弁に制御信号を供給し、その結果一定の透過液弁流量がもたらされる。ここで得られる定位置は、この制御パラメータに対して決定した設定値に対応している。制御パラメータがＰ_ｐ、ＴＭＰ、ΔＰおよび流束のいずれかである場合、制御パラメータをその決定済みの設定値に保持するために、制御信号によって保持液弁流量をもたらしてもよい。

制御システム３０は、ＣＦＦシステム３０内に配置できる別のアクチュエータを制御するように構成された、別の制御ループを備えていてもよい。

図２は過圧状態を表す図を示す。縦軸は圧力の大きさを表し、横軸はクロスフローフィルタ膜の長さを表している。Ｐ_ｐは膜に沿って実質的に一定であると見なすことができる。圧力勾配ΔＰが膜に沿って存在し、これは供給液圧力Ｐ_ｆと保持液圧力Ｐ_ｒとの差圧によって定義される。ＴＭＰは、Ｐ_ｐとΔＰの平均値との差を表している。Ｐ_ｆがある特定の限界値Ｐ_ｍａｘを超えて上昇すると、供給過圧が発生する。Ｐ_ｒがＰ_ｐを下回ると、逆過圧が発生する。

図３は、本発明の一実施形態に係る、Ｐ_ｆおよびＰ_ｒ過圧防止機能を含むＣＦＦシステム３０に接続された、制御システム１０の概略図を示す。制御システム１０およびＣＦＦシステム３０の配置および機能は、図１の実施形態に示すものと同様である。また、制御部１３は、供給阻害および／または逆過圧からＣＦＦシステム３０を保護するために、Ｐ_ｆおよびＰ_ｒ過圧制御ループを含む。

Ｐ_ｆ過圧制御ループ１７（第１の二次供給液ポンプ制御ループ）では入力として、Ｐ_ｆセンサ信号の最終極大値およびＰ_ｆ限界値を使用している。Ｐ_ｆセンサ信号の最終極大値がＰ_ｆ限界値を超えた場合、供給過圧条件が満たされてＣＦＦシステム３０が異常動作状態にあることになる。この時点で、供給液ポンプ制御ループ１４（一次供給液ポンプ制御ループ）は供給液ポンプ３４への制御信号の供給を停止し、Ｐ_ｆ過圧制御ループ１７が供給液ポンプ３４の制御を引き継ぐ。過圧防止部３６によって、所望の供給液ポンプ動作信号の選択が実行される。Ｐ_ｆ過圧制御ループは、好ましくは供給液ポンピング速度を低下させ、またフィルタ閉塞が発生した場合には、供給液ポンプを停止する。ＣＦＦシステム３０が再度通常動作状態になれば、過圧防止部３６が行うそれぞれの選択によって、供給液ポンプ制御ループ１４が供給液ポンプ３４を再度制御する。

Ｐ_ｒ過圧制御ループ（第２の二次供給液ポンプ制御ループ）１８では入力として、Ｐ_ｐセンサ信号とＰ_ｒセンサ信号との差圧の最終極大値を使用している。この差圧の最終極大値が所定の値（たとえば、０）を下回った場合、逆過圧条件が満たされてＣＦＦシステム３０が異常動作状態にあることになる。この時点で、供給液ポンプ制御ループ１４（一次供給液ポンプ制御ループ）は供給液ポンプ３４への制御信号の供給を停止し、Ｐ_ｒ過圧制御ループ１８が供給液ポンプ３４の制御を引き継ぐ。ＣＦＦシステム３０が再度通常動作状態になれば、供給液ポンプ制御ループ１４が供給液ポンプ３４を再度制御する。

図３ではフィルタ３１を１つのみ示しているが、複数のフィルタ３１と、好ましくはそれぞれの流路に割り当てられた複数のセンサ３５およびアクチュエータ３２～３４とをさらに備えるマルチ流路濾過システムとして本実施形態を実装してもよく、これにより、複数の流路を互いから独立して（少なくとも部分的に）動作させることができる。ただし、さらに好ましくは、上記でより詳述しているように、過圧防止機能によってさまざまな流路を連結していてもよい。

図４は、一実施形態に係る、供給過圧防止機能を表す図を示す。供給過圧防止機能は、図４に示す時系列を実現するアルゴリズムに従っていてもよい。このアルゴリズムは、仮想フィルタを制御する過圧防止制御ループを定義していてもよい。この仮想フィルタの役割は、あたかも過圧状態にあるかのように挙動し、供給過圧が発生する際に必要となる流量をモデル化することである。ＣＦＦシステムの通常動作では、この仮想フィルタは実際の流量よりも大幅に多い流量を生成するため、他のいずれの制御ループにも影響を与えないことが好ましい。フィルタが過圧状態に近似し始めた時点で、仮想フィルタの動作パラメータは、それぞれの一次制御ループによる制御下で実フィルタのパラメータに近似し始める。過圧が発生した時点で、仮想フィルタと実フィルタとは同じように挙動し、この時点で２つのことが起こることになるが、まず、一次制御ループが実フィルタの制御を過圧防止制御ループに譲り、次いで、本制御システムに供給過圧イベントが発生したことを通知するフラグが立てられる。ユーザが特定の動作を設定して供給過圧に関して何かを行うと、それらの動作が実行されるが、そのようにしなければ、本制御システムは、フィルタの完全閉塞が発生した場合、供給液ポンプを停止するまで過圧を防止しようと試み続けることになる。逆過圧防止は、供給過圧状態の代わりに逆過圧を反映させるモデルへと明確に変更することを除いて、同様の方法で作用し得る。記載している過圧防止機能の利点は、それが円滑に作用し、また損傷を与える恐れのある圧力スパイクまたは流量スパイクを誘発しないことである。これにより材料の損失が発生せず、またフィルタが完全に故障しない限りは、完全に復元可能である。

図４の縦軸は、供給液圧力および供給液流量の大きさを表している。横軸は時間を表している。供給過圧がゆっくりと上昇して、最大圧力に達する様子を確認することができる。同時に、実フィルタ流量を満たすために、仮想フィルタ流量が低下している。最大圧力に達すると、供給液圧力がさらに上昇することを防止するために、仮想フィルタによって流量が抑制される。また、供給過圧状態を示すフラグが立てられる。緩和動作の実施、たとえば緩衝媒体が添加されるなどの動作が実施されると、過圧状態が沈降し、本ＣＦＦシステムは通常動作に戻る。この時点でフラグが下げられる。

１０ 制御システム
１１ 測定値処理部
１２ 制御モード選択部
１３ 制御部
１４ （一次）供給液ポンプ制御ループ
１５ 保持液弁制御ループ
１６ 透過液弁制御ループ
１７ Ｐ_ｆ過圧制御ループ（二次供給液ポンプ制御ループ）
１８ Ｐ_ｒ過圧制御ループ
３０ ＣＦＦシステム
３１ フィルタ
３２ 透過液弁
３３ 保持液弁
３４ 供給液ポンプ
３５ センサ
３６ 過圧防止部

Claims (13)

1. クロスフロー濾過システムを自動制御するための制御システムであって、前記システムは、
   －測定値処理部であって、
   －前記クロスフロー濾過システムの複数のセンサから、複数のセンサ信号を受信し、かつ
   －前記複数のセンサ信号に基づいて、前記クロスフロー濾過システムの動作状態を定義する複数のプロセスパラメータを決定する、
   ように構成された、測定値処理部と、
   －制御モード選択部であって、
   －ユーザ入力に基づいて、前記プロセスパラメータのサブセットを制御パラメータのセットとして決定し、かつ
   －前記制御パラメータのセット内の各制御パラメータに対して、対応する設定値を決定する
   ように構成された、制御モード選択部と、
   －複数の制御ループモジュールを含む制御部であって、各前記制御ループモジュールが、
   －前記制御パラメータのセットから少なくとも１つの制御パラメータを受信し、
   －このように受信した前記制御パラメータにおける、前記対応する設定値との制御偏差を決定し、かつ
   －このように決定した前記制御偏差を低減するような、前記クロスフロー濾過システムの動作状態を変更するのに適した動作信号を、前記クロスフロー濾過システムの専用アクチュエータに供給する
   ように構成された、制御部と
   を備え、
   －前記測定値処理部は、
   －前記クロスフロー濾過システムの液体流れの圧力を示す少なくとも１つの圧力信号（Ｐ _ｆ 、Ｐ _ｒ 、Ｐ _ｐ ）、好ましくは供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）および／または保持液圧力信号（Ｐ _ｒ ）および／または透過液圧力信号（Ｐ _ｐ ）を受信し、
   －前記少なくとも１つの受信した圧力信号、好ましくは前記供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）および／または前記透過液圧力信号と前記保持液圧力信号との差圧から、少なくとも１つの過圧防止信号を決定し、かつ
   －前記少なくとも１つの過圧防止信号の極大値を決定する
   ように構成されており、
   －前記制御モード選択部は、
   －前記クロスフロー濾過システムの前記供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）および／または前記供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）と前記保持液圧力信号（Ｐ _ｒ ）との前記差圧（ΔＰ）および／または膜間差圧（ＴＭＰ）を、一次制御パラメータとして決定し、
   －前記少なくとも１つの過圧防止信号の前記極大値を、少なくとも１つの二次制御パラメータとして決定し、かつ
   －前記一次制御パラメータおよび前記二次制御パラメータの一次設定値および少なくとも１つの二次設定値をそれぞれ決定する
   ように構成されており、
   －前記制御部は、供給液ポンプ制御ループモジュールを含み、前記供給液ポンプ制御ループモジュールは、
   －前記一次制御パラメータを受信し、
   －このように受信した前記一次制御パラメータにおける、前記一次設定値との一次制御偏差を決定し、かつ
   －このように決定した前記一次制御偏差を低減するなど、供給液ポンプアクチュエータが前記クロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、一次供給液ポンプ動作信号を供給する
   ように構成された、一次供給液ポンプ制御ループと、
   －前記少なくとも１つの二次制御パラメータを受信し、
   －このように受信した前記少なくとも１つの二次制御パラメータにおける、前記少なくとも１つの二次設定値との少なくとも１つの二次制御偏差を決定し、かつ
   －このように決定した前記少なくとも１つの二次制御偏差を低減するような、前記供給液ポンプアクチュエータが前記クロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、少なくとも１つの二次供給液ポンプ動作信号を供給する
   ように構成された、少なくとも１つの二次供給液ポンプ制御ループと、
   －前記供給液ポンプアクチュエータに対し、前記一次供給液ポンプ動作信号または前記少なくとも１つの二次供給液ポンプ動作信号を選択的に供給するように構成され、前記選択が、いずれの信号がより低い供給液流量または最も低い供給液流量に対応しているかに依存する、過圧防止部と
   を含む、制御システム。
2. 前記一次供給液ポンプ制御ループおよび前記少なくとも１つの二次供給液ポンプ制御ループがそれぞれＰＩＤコントローラを含み、これらが両方とも同じＰＩＤパラメータを有する、請求項１に記載の制御システム。
3. マルチ流路クロスフロー濾過システムを自動制御するように適合されており、
   前記制御モード選択部は、前記マルチ流路クロスフロー濾過システムの先駆濾過流路内の過圧状態を受信し、かつ前記マルチ流路クロスフロー濾過システムの追随濾過流路に対して前記少なくとも１つの二次設定値を決定するように構成されている、請求項１または２に記載の制御システム。
4. 前記複数のセンサ信号が、
   －前記クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力信号（Ｐ_ｒ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの透過流れの圧力を示す透過液圧力信号（Ｐ_ｐ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの保持液容器の質量を示す重量信号（Ｍ_ｒ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの供給流れのフロー信号
   を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の制御システム。
5. 前記複数のプロセスパラメータは、
   －センサ信号、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの膜間差圧（ＴＭＰ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力（Ｐ_ｆ）と、前記クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力（Ｐ_ｒ）との差圧（ΔＰ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの前記フィルタ膜を通過する流量を示す透過流量（Ｆ）
   を含み、
   好ましくは、前記透過流量Ｆは、測定保持液質量Ｍの時間ｔに対する変化、保持液濃度ρ、および前記クロスフロー濾過システムの前記保持液に添加されるダイアフィルトレーション緩衝液の流量Ｌを示す、
   

   

   に従って決定される、請求項１から４のいずれか一項に記載の制御システム。
6. 前記複数の制御ループモジュールが、前記クロスフロー濾過システムの供給液ポンプアクチュエータに供給液ポンプ動作信号を供給するように構成された、供給液ポンプ制御ループを含み、
   好ましくは、前記制御モード選択部は、前記供給液ポンプ制御ループに対して、制御パラメータとして、
   －前記クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力（Ｐ_ｆ）と、前記クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力（Ｐ_ｒ）との差圧（ΔＰ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの膜間差圧（ＴＭＰ）
   を選択的に供給するように構成されている、請求項１から５のいずれか一項に記載の制御システム。
7. 前記複数の制御ループモジュールは保持液弁制御ループを含み、前記保持液弁制御ループは、前記クロスフロー濾過システムの保持液弁アクチュエータに保持液弁動作信号を供給するように構成されており、
   好ましくは、前記制御モード選択部は、前記保持液弁制御ループに対して、制御パラメータとして、
   －前記クロスフロー濾過システムの保持流れの圧力を示す保持液圧力信号（Ｐ_ｒ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの膜間差圧（ＴＭＰ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの供給流れの圧力を示す供給液圧力信号（Ｐ_ｆ）
   を選択的に供給するように構成されている、請求項１から６のいずれか一項に記載の制御システム。
8. 前記複数の制御ループモジュールは透過液弁制御ループを含み、前記透過液弁制御ループは、前記クロスフロー濾過システムの透過液弁アクチュエータに透過液弁動作信号を供給するように構成されており、
   好ましくは、前記制御モード選択部は、前記透過液弁制御ループに対して、制御パラメータとして、
   －前記クロスフロー濾過システムの透過流れの圧力を示す透過液圧力信号（Ｐ_ｐ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの膜間差圧（ＴＭＰ）、および／または
   －前記クロスフロー濾過システムの前記フィルタ膜を通過する流量を示す透過流量（Ｆ）
   を選択的に供給するように構成されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の制御システム。
9. －供給液流路を介して、クロスフロー濾過システムのフィルタへと液体を供給するアクチュエータとしての供給液ポンプであって、前記供給液流路内の液体圧力を測定する供給液圧力センサが設置されている、供給液ポンプと、
   －前記クロスフロー濾過システムの前記フィルタから保持液流路を介して通過する、保持液の流れを制御するアクチュエータとしての保持液弁であって、前記保持液流路の液体圧力を測定する保持液圧力センサが設置されている、保持液弁と、
   －前記クロスフロー濾過システムの前記フィルタから透過液流路を介して通過する、透過液の流れを制御するアクチュエータとしての透過液弁であって、前記透過液流路内の液体圧力を測定する透過液圧力センサが設置されている、透過液弁と、
   －請求項１から８のいずれか一項に記載の制御システムと
   を備える、クロスフロー濾過システム。
10. 前記クロスフロー濾過システムの保持液容器の重量または質量を測定する重量センサをさらに備える、請求項９に記載のクロスフロー濾過システム。
11. 複数の濾過流路を備え、
    前記制御システムが、
    －先駆流路から過圧状態を受信するために、前記先駆流路として、前記複数の濾過流路の少なくとも１つを操作し、かつ
    －追随濾過流路に対して前記少なくとも１つの二次設定値を決定するために、前記追随流路として、前記複数の濾過流路の少なくとも１つを操作する
    ように適合された、請求項３に記載の制御システムである、請求項９または１０に記載のクロスフロー濾過システム。
12. 各濾過流路は、
    －前記各濾過流路のフィルタと、
    －供給液流路を介して、それぞれの前記濾過流路それぞれのフィルタへと液体を供給するアクチュエータとしての供給液ポンプであって、前記供給液流路内の液体圧力を測定する供給液圧力センサが設置されている、供給液ポンプと
    を備える、請求項１１に記載のクロスフロー濾過システム。
13. クロスフロー濾過システムを自動制御するための制御方法であって、前記制御方法は、
    －前記クロスフロー濾過システムの複数のセンサから、複数のセンサ信号を受信するステップと、
    －前記複数のセンサ信号に基づいて、前記クロスフロー濾過システムの動作状態を定義する複数のプロセスパラメータを決定するステップと、
    －ユーザ入力に基づいて、前記プロセスパラメータのサブセットを制御パラメータのセットとして決定するステップと、
    －前記制御パラメータのセット内の各制御パラメータに対して、対応する設定値を決定するステップと、
    －各前記制御パラメータに関して、前記制御パラメータにおける、前記対応する設定値との制御偏差を決定するステップと、
    －このように決定した前記制御偏差を低減するような、前記クロスフロー濾過システムの動作状態を変更するのに適した動作信号を、前記クロスフロー濾過システムの専用アクチュエータに供給するステップと、
    －前記クロスフロー濾過システムの液体流れの圧力を示す少なくとも１つの圧力信号（Ｐ _ｆ 、Ｐ _ｒ 、Ｐ _ｐ ）、好ましくは供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）および／または保持液圧力信号（Ｐ _ｒ ）および／または透過液圧力信号（Ｐ _ｐ ）を受信するステップと、
    －前記少なくとも１つの受信した圧力信号、好ましくは前記供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）および／または前記透過液圧力信号と前記保持液圧力信号との差圧から、少なくとも１つの過圧防止信号を決定するステップと、
    －前記少なくとも１つの過圧防止信号の極大値を決定するステップと、
    －前記クロスフロー濾過システムの前記供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）および／または前記供給液圧力信号（Ｐ _ｆ ）と前記保持液圧力信号（Ｐ _ｒ ）との前記差圧（ΔＰ）および／または膜間差圧（ＴＭＰ）を、一次制御パラメータとして決定するステップと、
    －前記少なくとも１つの過圧防止信号の前記極大値を、少なくとも１つの二次制御パラメータとして決定するステップと、
    －前記一次制御パラメータおよび前記二次制御パラメータの一次設定値および少なくとも１つの二次設定値をそれぞれ決定するステップと、
    －前記一次制御パラメータにおける、前記一次設定値との一次制御偏差を決定するステップと、
    －このように決定した前記一次制御偏差を低減するなど、供給液ポンプアクチュエータが前記クロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、一次供給液ポンプ動作信号を供給するステップと、
    －前記少なくとも１つの二次制御パラメータにおける、前記少なくとも１つの二次設定値との少なくとも１つの二次制御偏差を決定するステップと、
    －このように決定した前記少なくとも１つの二次制御偏差を低減するなど、前記供給液ポンプアクチュエータが前記クロスフロー濾過システムの供給液ポンプの動作を変更するのに適した、少なくとも１つの二次供給液ポンプ動作信号を供給するステップと、
    －前記供給液ポンプアクチュエータに対し、前記一次供給液ポンプ動作信号または前記少なくとも１つの二次供給液ポンプ動作信号を選択的に供給するステップであって、前記選択が、いずれの信号がより低い供給液流量または最も低い供給液流量に対応しているかに依存する、ステップと
    を含む、制御方法。

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