JPH0716396B2 - Method and apparatus for controlling tank temperature - Google Patents
Method and apparatus for controlling tank temperatureInfo
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Description
本発明は、培養タンクのような高精度の温度コントロー
ルを必要とする装置の温度をコントロールする方法に関
する。本発明はまた、高精度の温度コントロールを行な
うのに適した装置、および容量の異なるタンクを数個切
り換えて使用する多品種少量生産のため、いわゆる「多
目的バッチプラント」に適用するに適した温度コントロ
ール装置に関する。The present invention relates to a method for controlling the temperature of an apparatus that requires highly accurate temperature control such as a culture tank. The present invention also provides a device suitable for high-accuracy temperature control, and a temperature suitable for application to a so-called "multipurpose batch plant" for high-mix low-volume production in which several tanks having different capacities are switched and used. Regarding control device.
バイオ技術の分野で使用するタンク類、たとえば発酵や
細胞培養を行なうタンク類は、高精度の温度コントロー
ルを必要とする。高精度の要求に加えて、この種のタン
クは設定温度が室温に近くて室温変化の影響を受けやす
いという悩みがあり、既存の技術では対処しきれない。 従来のタンク温度コントロール法は、第2図に示すよう
に、タンク(1)のジャケット(11)などの加熱冷却手
段に温水または冷水(以下、温水で代表させる)を循環
させ、タンク液を加熱するときはこの温水の温度を熱交
換器(9)で上昇させ、冷却するときは温水に冷水を導
入し混合することにより温水の温度を降下させてタンク
内温度を間接的にコントロールする、いわゆる「カスケ
ード方式」が一般に行なわれている。熱交換器を使用し
た温水循環型カスケードコントロール方式は、設定温度
に到達するまでに長い時間を要するとか、急いで加熱冷
却を行なうとタンク温度のオーバーシュートがみられる
といった欠点がある。 一方、多品種少量生産を行なおうとする工場において
は、生産量に応じて異なる容量のタンクを複数個用意し
て選択使用するが、熱交換器の容量に限界があるため、
各タンクにそれぞれ対応する熱交換器を設置しなければ
ならない。全タンクを同時に使うことは稀で通常は1個
だけ使用すれば足りるのであるから、温度コントロール
手段を1組用意するだけで容量と異なるタンクに対応で
きるならば、建設費が節約できる。Tanks used in the field of biotechnology, such as tanks for fermentation and cell culture, require highly accurate temperature control. In addition to the requirement for high precision, this type of tank has a problem that the set temperature is close to room temperature and is easily affected by changes in room temperature, and existing technologies cannot handle it. In the conventional tank temperature control method, as shown in FIG. 2, hot water or cold water (hereinafter, represented by hot water) is circulated through heating / cooling means such as the jacket (11) of the tank (1) to heat the tank liquid. When this is done, the temperature of this hot water is raised by the heat exchanger (9), and when cooled, cold water is introduced into and mixed with the hot water to lower the temperature of the hot water and indirectly control the temperature inside the tank. The "cascade method" is generally used. The hot water circulation type cascade control method using a heat exchanger has drawbacks that it takes a long time to reach the set temperature, and if the heating and cooling are performed rapidly, overshoot of the tank temperature is observed. On the other hand, in a factory that intends to perform high-mix low-volume production, multiple tanks with different capacities are prepared and used according to the production volume, but the capacity of the heat exchanger is limited.
A corresponding heat exchanger must be installed in each tank. Since it is rare to use all the tanks at the same time and usually only one is required, it is possible to save the construction cost if only one set of temperature control means can cope with the tanks having different capacities.
【発明が解決しようとする課題】 本発明の第一の目的は、タンク類の温度コントロールを
高精度かつ迅速に行なうことのできるコントロール方法
と、その実施に使用する装置を提供することにある。本
発明の第二の目的は、この技術を利用して、多目的バッ
チプラントに有利な温度コントロール装置を提供するこ
とにある。SUMMARY OF THE INVENTION A first object of the present invention is to provide a control method capable of controlling temperature of tanks with high accuracy and speed, and an apparatus used for implementing the control method. A second object of the present invention is to provide a temperature control device which is advantageous for a multipurpose batch plant by utilizing this technique.
本発明のタンク温度をコントロールする方法は、タンク
内の温度を、タンク内部または外部に設けた加熱冷却手
段に熱媒体として温水を循環させてコントロールする方
法において、加熱時は温水中にスチームを気水混合器で
吹き込んで速やかに温度を高め、冷却時は温水に冷水を
混合して速やかに温度を低めて循環させ、タンク内の温
度と設定温度との差が大きい間はスチームまたは冷水を
直接加熱冷却手段に送り込むか、または温水へのスチー
ムの吹き込みまたは冷水の混合を継続しながら循環を続
け、温度差が所定の限界内に入った後はスチームの吹き
込みまたは冷水の混合を停止して循環を続けるか、また
は逆に冷水の混合またはスチームの吹き込みを行なって
設定温度に近づけた温水を循環させることにより、短時
間で設定温度に到達することができ、オーバーシュート
を避けて高精度のコントロールを実現することを特徴と
する。 上記の方法を実現するための、本発明のタンク温度をコ
ントロールする装置は、第1図に示すように、下記の部
分をもって構成される。 a)伝熱用のジャケット(11)、コイルもしくはバッフ
ルをそなえたタンク(1)、 b)これらの伝熱手段に熱媒体としての温水を循環させ
るライン(2)およびポンプ(3)、ラインの往路(2
1)側に設けた気水混合器(4)およびラインの復路(2
2)側に設けた分流ポットからなる温水温度コントロー
ル装置、 c)スチーム供給源(8A)および冷水供給源(8B)と、
スチームドレイン排水流路(8D)および冷水還流流路
(8C)とからなる加熱/冷却源(8)、ならびに、 d)タンク内の温度を測定し、測定温度と設定温度との
差にもとづいて、あらかじめ定められたプログラムに従
って温水へのスチームの吹き込みまたは冷水の混合を継
続し、切り換えまたは量の調節を行なうよう上記温水温
度コントロール装置を動かすコントローラ(7)。 図において、符号(5A,5B,5C)は、スチームの吹き込み
量および冷水の供給量と、それに伴う排水量を調節する
ためのバルブである。これらのバルブは、制御バルブが
好ましいが、オン−オフバルブでもよい。符号(5D)は
スチームドレン排出用のオン−オフバルブであり、(5
E)はスチームトラップである。 上記のような温度コントロールの手法を多目的バッチプ
ラントに適用した本発明の温度コントロール装置は、第
5図に示すように、容量の異なる2個以上のタンク(1
−I,1−II,1−III)およびそれらに対応する数の加熱/
冷却源(8−I,8−II,8−III)を、それぞれ対向する位
置に配列し、その間を1個の温水温度コントロール装置
(TCM)が移動可能であって、使用するタンクのいずれ
かとそれに対応する加熱/冷却源、図示した例では(1
−II)と(8−II)とを、接続するように構成した装置
である。The method of controlling the tank temperature of the present invention is a method of controlling the temperature in the tank by circulating hot water as a heat medium through a heating / cooling means provided inside or outside the tank, and steam is heated in hot water during heating. Blow with a water mixer to quickly raise the temperature, and during cooling, mix cold water with hot water to quickly lower the temperature and circulate, and directly add steam or cold water while there is a large difference between the temperature in the tank and the set temperature. Continue to circulate while sending to heating / cooling means, or continuing to blow steam into warm water or mixing cold water, and stop blowing steam or mixing cold water to circulate after the temperature difference falls within a predetermined limit. Continuing with the above, or conversely, by mixing cold water or blowing steam to circulate warm water that has approached the set temperature, the set temperature can be reached in a short time. It can be, characterized in that to achieve high accuracy control to avoid overshoot. An apparatus for controlling the tank temperature according to the present invention for realizing the above method has the following parts as shown in FIG. a) a jacket (11) for heat transfer, a tank (1) equipped with a coil or a baffle, b) a line (2) and a pump (3) for circulating hot water as a heat medium through these heat transfer means, Outbound (2
Air / water mixer (4) provided on the 1) side and return line (2)
2) a hot water temperature control device consisting of a diversion pot provided on the side, c) a steam supply source (8A) and a cold water supply source (8B),
Heating / cooling source (8) consisting of steam drain drainage channel (8D) and cold water reflux channel (8C), and d) The temperature inside the tank is measured and based on the difference between the measured temperature and the set temperature. A controller (7) for operating the hot water temperature control device so as to continue blowing steam into hot water or mixing cold water according to a predetermined program, and switch or adjust the amount. In the figure, symbols (5A, 5B, 5C) are valves for adjusting the amount of steam blown in, the amount of cold water supplied, and the amount of drainage that accompanies it. These valves are preferably control valves, but may be on-off valves. Reference numeral (5D) is an on-off valve for discharging the steam drain, and (5D)
E) is a steam trap. As shown in FIG. 5, the temperature control device of the present invention in which the above-mentioned temperature control method is applied to a multipurpose batch plant has two or more tanks (1
-I, 1-II, 1-III) and the corresponding number of heatings /
Cooling sources (8-I, 8-II, 8-III) are arranged at opposite positions, and one hot water temperature control device (TCM) can move between them and any of the tanks to be used. The corresponding heating / cooling source, (1 in the example shown)
-II) and (8-II) are connected to each other.
たとえば周囲温度約20℃においてタンク内の温度を50℃
にコントロールしようとする場合、スタートアップ時に
はスチームだけを温水循環流路内に導入して多量の熱を
タンクに与え、急速な昇温を行なう。このとき発生する
スチームドレンは、たとえば循環流路に設けたスチーム
トラップ(5E)から、スチームドレン排水流路(8D)を
通して系外へ排出する。 タンク内容物が加熱された設定温度から一定限度内に入
ったならば(たとえば5℃の差、この場合は従って45℃
以上になったならば)、循環流路に冷水を入れてジャケ
ット内温度を低下させた状態で、ポンプを稼動させ加熱
を続ける。以後は、タンク温度の上下に応じて、循環す
る温水中にスチームまたは冷水を適量導入し、温水温度
を調節してタンク温度のコントロールを行なう。 上記の模様は第3図に示すとおりであって、スタートア
ップ時のスチーム加熱による急速な昇温を実現し、かつ
循環する温水温度のキメ細かな調節により、細い実線で
示したジャケット内温度の変化が太い実線で示したタン
ク内温度にもたらし、短時間で設定温度に到達するとと
もに、オーバーシュートを避けて高精度の温度コントロ
ールを行なうことができる。 第2図に示した構成の従来装置では、熱交換器を用いた
間接加熱による温水温度調節に頼るため、第4図にみる
ように、ジャケット内温度の変化がゆるやかな上に慣性
をもっていて、タンク内温度の上昇が遅いばかりか、オ
ーバーシュートが起りやすい。 前記したように、従来のカスケード方式によるときは、
多目的バッチプラントのタンク温度コントロールには各
タンク専属の熱交換器を設けざるを得なかったが、本発
明に従うときは、スチームや冷水の導入量を調節するだ
けでタンク容量の大小にフレキシブルに対応できるか
ら、温水温度コントロール装置(TCM)を1組用い、バ
ルブ切り換えで2個またはそれ以上のタンクの温度コン
トロールを行なうことができる。タンクは固定してお
き、ユーティリティーに関する装置を移動させて対応す
るという考え方の多目的バッチプラントにこれを適用し
たものが、第5図の装置である。For example, when the ambient temperature is about 20 ℃, the temperature inside the tank is 50 ℃.
In the case of controlling the temperature of the tank, only steam is introduced into the hot water circulation passage at the time of start-up to apply a large amount of heat to the tank to rapidly raise the temperature. The steam drain generated at this time is discharged to the outside of the system from, for example, the steam trap (5E) provided in the circulation flow path through the steam drain drain flow path (8D). If the contents of the tank are within a certain limit from the heated set temperature (eg a difference of 5 ° C, in this case 45 ° C
(If the above is the case), cold water is put into the circulation passage to lower the temperature inside the jacket, and the pump is operated to continue heating. After that, an appropriate amount of steam or cold water is introduced into the circulating warm water according to the rise and fall of the tank temperature, and the warm water temperature is adjusted to control the tank temperature. The above pattern is as shown in Fig. 3. The rapid temperature rise by steam heating at the time of start-up and the fine adjustment of the circulating hot water temperature make it possible to change the temperature inside the jacket indicated by the thin solid line. Is brought to the temperature in the tank indicated by a thick solid line, the set temperature is reached in a short time, and overshoot can be avoided to perform highly accurate temperature control. In the conventional device having the configuration shown in FIG. 2, since it depends on the hot water temperature control by the indirect heating using the heat exchanger, as shown in FIG. 4, the temperature change in the jacket is gentle and has inertia. Not only does the temperature inside the tank rise slowly, but overshoot is likely to occur. As mentioned above, when using the conventional cascade method,
In order to control the tank temperature of the multipurpose batch plant, a heat exchanger dedicated to each tank had to be provided, but when the present invention is followed, the capacity of the tank can be flexibly adjusted by simply adjusting the introduction amount of steam or cold water. Therefore, one set of hot water temperature control device (TCM) can be used to control the temperature of two or more tanks by switching valves. The apparatus shown in FIG. 5 is an application of this to a multipurpose batch plant in which the tank is fixed and the apparatus relating to the utility is moved to cope with it.
容量がそれぞれ300および3000の2個の培養タンク
の温度コントロールを、1組の温水温度コントロール装
置を用いて行なった。設定温度37℃を維持するために定
常状態で使用したスチームおよび冷水の量を、それぞれ
の制御バルブの開度および循環温水量とともに示せば、
つぎのとおりである。この温度コントロールは、ともに
±0.1℃以内の精度で行なうことができた。 Temperature control of two culture tanks with capacities of 300 and 3000 respectively was performed using a set of hot water temperature control device. If you show the amount of steam and cold water used in a steady state to maintain the set temperature of 37 ° C together with the opening of each control valve and the circulating hot water amount,
It is as follows. Both of these temperature controls could be performed with an accuracy within ± 0.1 ° C.
本発明の方法によりタンクの温度をコントロールすれ
ば、設定温度への到達に要する時間が短縮でき、オーバ
ーシュートの危険がほとんどなく、しかも精度の高いコ
ントロールが可能である。設定温度が室温付近であって
も、室温の影響を受けることが少いから、とくに20〜90
℃の範囲で使用するタンクの温度コントロールにとって
有用である。 本発明の装置は、コンパクトかつ廉価に建設できる。と
くに、2個以上のタンクに1組の温水温度コントロール
装置を対応させた場合、この効果は大きい。If the temperature of the tank is controlled by the method of the present invention, the time required to reach the set temperature can be shortened, there is almost no danger of overshoot, and highly accurate control is possible. Even if the set temperature is near room temperature, it is less affected by room temperature.
It is useful for temperature control of tanks used in the range of ° C. The device of the present invention is compact and inexpensive to construct. This effect is particularly great when one set of hot water temperature control device is associated with two or more tanks.
第1図は、本発明のタンク温度をコントロールする方法
を説明するためのコントロール装置の基本的構成を示し
たフローダイアグラムである。 第2図は、従来のタンク温度コントロール技術を説明す
るための、第1図に対応するフローダイアグラムであ
る。 第3図は、本発明の効果を説明するための、スタートア
ップから設定温度に到達するまでのジャケット内温度お
よびタンク内温度の経時変化を示した概念的なグラフで
ある。 第4図は、従来技術における温度の変化を示す、第3図
と同様なグラフである。 第5図は、本発明を多目的バッチプラントに適用した場
合を示す、タンク温度をコントロールする装置の平面図
である。この図においては、温水温度コントロール装置
はモジュールとしてあらわし、詳細を省略してある。 1,1−I,1−II,1−III……タンク 11……ジャケット 2……温水循環ライン 21……往路、22……復路 3……循環ポンプ 4……気水混合器 5A,5B,5C……調節バルブ 5D……スチームドレン排出バルブ 5E……スチームトラップ 6……分流ポット 7……コントローラ 8……加熱冷却源 8A……スチーム供給源 8B……冷水供給源 8C……冷水帰還流路 8D……スチームドレン排水流路 9……熱交換器 TCM……温水温度コントロール装置(モジュール)FIG. 1 is a flow diagram showing the basic configuration of a control device for explaining the method for controlling the tank temperature of the present invention. FIG. 2 is a flow diagram corresponding to FIG. 1 for explaining a conventional tank temperature control technique. FIG. 3 is a conceptual graph showing changes with time in the temperature in the jacket and the temperature in the tank from the start-up to reaching the set temperature, for explaining the effect of the present invention. FIG. 4 is a graph similar to FIG. 3 showing the change in temperature in the prior art. FIG. 5 is a plan view of an apparatus for controlling the tank temperature, showing the case where the present invention is applied to a multipurpose batch plant. In this figure, the hot water temperature control device is shown as a module and its details are omitted. 1,1-I, 1-II, 1-III …… Tank 11 …… Jacket 2 …… Hot water circulation line 21 …… Forward, 22 …… Return 3… Circulation pump 4 …… Steam mixer 5A, 5B , 5C …… Control valve 5D …… Steam drain discharge valve 5E …… Steam trap 6 …… Shunting pot 7 …… Controller 8 …… Heating / cooling source 8A …… Steam supply source 8B …… Cold water supply source 8C …… Cold water return Flow path 8D …… Steam drain drainage flow path 9 …… Heat exchanger TCM …… Hot water temperature control device (module)
Claims (5)
に設けた加熱冷却手段に熱媒体として温水を循環させて
コントロールする方法において、加熱時は温水中にスチ
ームを気水混合器で吹き込んで速やかに温度を高め、冷
却時は温水に冷水を混合して速やかに温度を低めて循環
させ、タンク内の温度と設定温度との差が大きい間はス
チームまたは冷水を直接加熱冷却手段に送り込むか、ま
たは温水へのスチームの吹き込みまたは冷水の混合を継
続しながら循環を続け、温度差が所定の限界内に入った
後はスチームの吹き込みまたは冷水の混合を停止して循
環を続けるか、または逆に冷水の混合またはスチームの
吹き込みを行なって設定温度に近づけた温水を循環させ
ることにより、短時間で設定温度に到達することがで
き、オーバーシュートを避けて高精度のコントロールを
実現することを特徴とするタンク温度をコントロールす
る方法。1. A method for controlling the temperature in a tank by circulating hot water as a heat medium through a heating / cooling means provided inside or outside the tank, wherein steam is blown into hot water with a steam-water mixer during heating. Immediately raise the temperature, mix cold water with hot water during cooling, cool the temperature quickly and circulate, and send steam or cold water directly to the heating / cooling means while there is a large difference between the temperature in the tank and the set temperature. , Or continue to circulate while continuing to blow steam into hot water or mixing cold water, and then stop blowing steam or mix cold water to continue circulation after the temperature difference is within a predetermined limit, or vice versa. It is possible to reach the set temperature in a short time by circulating cold water mixed with cold water or blowing steam to bring it close to the set temperature. How to control the tank temperature, characterized in that to achieve high accuracy control to avoid.
ロールを行なう請求項1の方法。2. The method according to claim 1, wherein the temperature in the tank is controlled in the range of 20 to 90 ° C.
度をコントロールする装置 a)伝熱用のジャケット、コイルもしくはバッフルをそ
なえたタンク、 b)これらの伝熱手段に熱媒体としての温水を循環させ
るラインおよびポンプ、ラインの往路側に設けた気水混
合器およびラインの復路側に設けた分流ポットからなる
温水温度コントロール装置、 c)スチーム供給源および冷水供給源と、スチームドレ
イン排水流路および冷水還流流路とからなる加熱/冷却
源、ならびに、 d)タンク内の温度を測定し、測定温度と設定温度との
差にもとづいて、あらかじめ定められたプログラムに従
って温水へのスチームの吹き込みまたは冷水の混合を継
続し、切り換えまたは量の調節を行なうよう上記温水温
度コントロール装置を動かすコントローラ。3. A device for controlling the temperature of a tank comprising the following parts: a) a tank having a jacket for heat transfer, a coil or a baffle, b) circulating hot water as a heat medium through these heat transfer means. A hot water temperature control device consisting of a line and a pump, a steam mixer provided on the outward side of the line and a diversion pot provided on the return side of the line, c) a steam supply source and a cold water supply source, and a steam drain drainage flow path and A heating / cooling source consisting of a cold water recirculation flow path, and d) measuring the temperature in the tank and blowing steam or hot water into hot water according to a predetermined program based on the difference between the measured temperature and the set temperature. The controller that operates the hot water temperature control device to continue the mixing of La.
個の温水温度コントロール装置を対応させた請求項3の
装置。4. One for two or more tanks having different capacities.
The device according to claim 3, which is associated with one hot water temperature control device.
らに対応する数の加熱/冷却源をそれぞれ対向する位置
に配列し、その間を1個の温水温度コントロール装置が
移動可能であって、使用するタンクのいずれかとそれに
対応する加熱/冷却源との間を接続するように構成した
請求項4の装置。5. Two or more tanks having different capacities and a corresponding number of heating / cooling sources are arranged at opposite positions, and one hot water temperature control device is movable between them for use. 5. The apparatus of claim 4 configured to connect between any of the tanks and a corresponding heating / cooling source.
Priority Applications (1)
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JP2007183A JPH0716396B2 (en) | 1990-01-18 | 1990-01-18 | Method and apparatus for controlling tank temperature |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH03216182A JPH03216182A (en) | 1991-09-24 |
JPH0716396B2 true JPH0716396B2 (en) | 1995-03-01 |
Family
ID=11658949
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JP2007183A Expired - Fee Related JPH0716396B2 (en) | 1990-01-18 | 1990-01-18 | Method and apparatus for controlling tank temperature |
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