技术摘要：
描述了用于选择用于过滤过程的过滤器的方法。接收输入数据，并且基于输入数据，标识针对用于过滤过程的多个过滤器候选对象中的每一个的一个或多个过滤器特性。标识过滤过程的过程参数。基于标识的过程参数和标识的过滤器特性，执行针对所述多个过滤器候选对象中的每一  全部
背景技术：
过滤过程用于许多工业中，包括生物技术、制药和食品相关的工业，例如，以分离 物质的不同成分。过滤过程的类型包括末端过滤和错流过滤。在末端过滤中，流体(称为“进 料”)通过通常包括膜的过滤器，在过滤器处分离某些固体或颗粒，而剩余的流体(称为“渗 透物”或“滤液”)通过过滤器。在错流过滤(也称为“切向流过滤”)中，进料主要沿着过滤器 的表面切向行进。在过滤器两端提供压力差(称为“跨膜压力(TMP)”)，使得进料侧相对于相 对侧(称为渗透物侧)处于正压。这导致一部分材料(具有小于孔大小的尺寸的材料)通过过 滤器。不通过膜的流体(称为“渗余物”)通常从其可以再循环以进一步跨膜穿过的地方返回 到进料贮存器或其它容器。 过滤器的特性是设计和实现这样的过滤过程的重要因素。诸如孔大小和过滤器尺 寸的因素影响过滤器对于给定过程的适合性，并且还有诸如产生给定量的所需产物所需的 时间的因素。 附图说明 图1示意性地示出了根据示例的示例仿真装置； 图2示意性地示出了其中可以执行根据示例的要仿真的过滤过程的示例过滤系统； 图3示意性地示出了使用中的过滤器设备； 图4是图示根据示例的用于选择过滤器设备的方法的流程图； 图5是示出根据示例的仿真装置和过滤系统的示意图；以及 图6是图示根据示例的监测过滤过程的方法的流程图。
技术实现要素：
图1示出了被配置成执行根据示例的仿真过程的以计算机化设备形式的装置(以 下称为仿真装置100)。仿真装置100包括至少一个处理器102，其通信地耦合到非暂时性计 算机可读存储介质104，非暂时性计算机可读存储介质104包括存储在其上的计算机可读指 令106的集合。计算机可读指令106的集合可以由至少一个处理器450执行以使得至少一个 处理器102执行根据本文所述的任何示例的方法。仿真装置100还可以包括接口108。接口 108可以包括用户接口，诸如例如，键盘、鼠标、触摸屏或其它输入设备。可替代地或附加地， 接口108可以包括通信接口，以用于例如经由有线或无线通信、经由互联网与用户或其它实 体远程通信。 至少一个处理器102可以包括微处理器、微控制器、处理器模块或子系统、可编程 集成电路、可编程门阵列或另一个控制或计算设备。计算机可读存储介质104可以被实现为 一个或多个计算机可读存储介质。计算机可读存储介质104可以包括不同形式的存储器，包 括半导体存储器设备，诸如动态或静态随机存取存储器模块(DRAM或SRAM)、可擦除和可编 程只读存储器模块(EPROM)、电可擦除和可编程只读存储器模块(EEPROM)和闪存；磁盘，诸 如固定盘、软盘和可移动盘；其它磁性介质，包括磁带；光学介质，诸如压缩盘(CD)或数字视 4 CN 111602132 A 说　明　书 2/7 页 频盘(DVD)；或其它类型的存储设备。计算机可读指令106可以存储在一个计算机可读存储 介质上，或者可替代地，可以存储在多个计算机可读存储介质上。 图2示意性地示出了示例过滤系统200，其中可以执行根据示例的要仿真的过滤过 程。图2的示例过滤系统200用于运行错流过滤过程。 过滤系统200包括进料贮存器202和过滤器设备204，过滤器设备204包括膜206和 过滤器通道208。以流体形式的进料从进料贮存器202传递到过滤器通道208的第一端。然 后，进料流过跨过滤器膜206的表面的过滤器通道208。在膜206两端的压力差导致一些成分 (渗透物)(例如具有小于膜204中的孔的尺寸的那些成分)通过膜206到过滤器设备204的渗 透物侧210。在所示的示例中，渗透物通过出口导管212流出过滤器设备204，例如，渗透物可 以从出口导管212收集。不通过膜的成分(渗余物)被反馈回到进料贮存器202。渗余物可以 在进一步的过滤循环期间再用作进料。 可以在图2的系统200中使用的过滤器设备204的示例包括筒式过滤器和盒式过滤 器。在筒式过滤器(也称为中空纤维过滤器)中，膜包括平行的中空纤维的集合。进料通过纤 维的腔，并且渗透物通过纤维并且可以从纤维集合的外部收集。盒式过滤器包括保持多个 (通常平坦的)膜片的壳体，该膜片通过支撑屏彼此和彼此保持分开。进料在膜片之间传递。 渗透物通过片，并且可以从片的与进料沿其传递的一侧相对的一侧收集。 诸如图2中图示的过滤过程可用于许多不同的目的，包括例如生物技术、制药、石 油化学和食品技术目的。可以针对其使用系统200的生物技术过程包括细胞收获、细胞或溶 解产物分类、蛋白质分馏和浓缩以及渗滤过程。应当注意，在一些情况下，过滤的目的是获 得渗透物，即渗透物是进一步投入使用的期望的产物，而在其它情况下，期望的产物是渗余 物，或渗余物和渗透物两者。 图3图示了使用中的过滤器设备204的示例。过滤器设备204包括半高度h的过滤器 通道208，进料以速率u(y)跨过长度L的过滤器膜206的表面流过过滤器通道208。在膜206的 表面上形成固化溶质层300(常常称为“结块”或“凝胶”层)，其厚度δ可以沿着膜206的长度 变化。例如，由于凝胶层300的影响，渗透物通量J(x)(每单位时间每单位面积流过膜206的 渗透物的体积)可以沿着膜206的长度变化。 图4是图示根据示例的选择用于过滤过程的过滤器设备的方法400的流程图。 在402处，仿真装置100经由接口108接收输入数据。在404处，仿真装置100基于接 收的输入数据来标识用于过滤过程(诸如以上关于图2所描述的过程)的多个过滤器特性中 的每一个的一个或多个过滤器特性。 过滤器特性的示例包括过滤器的几何属性，诸如进料在其上传递的膜206的长度、 进料在其在膜206上传递时通过的通道的膜面积和高度或半高度，以及膜属性，诸如孔隙 率。在一个示例中，输入数据包括这些特性的值，即，过滤器特性经由接口108直接例如从用 户接收。在另一示例中，输入数据例如通过提供过滤器候选对象的相应过滤器标识符来标 识仿真装置100的多个过滤器候选对象。在这种情况下，仿真装置100可以例如以查找表(未 示出)的形式从存储过滤器标识符和那些过滤器的过滤器特性之间的关联的数据存储检索 数据。存储关联的数据存储可以是图1中图示的计算机可读存储介质104，或者其可以是经 由接口108访问的远程数据存储，诸如例如服务器设备上的数据存储。 在406处，仿真装置100标识过滤过程的过程参数，即根据其要运行仿真的过滤过 5 CN 111602132 A 说　明　书 3/7 页 程的参数。例如，过程参数可以包括例如以下各项的组合：过滤过程的类型(例如错流过滤 或末端过滤)、分割系数、初始进料体积、初始进料组成、初始进料粘度、初始进料浓度、初始 进料温度、初始进料溶解度和初始水力渗透率。例如，可以经由接口108从用户接收这些参 数的值，或者可以经由接口108接收标识符或过程或过程的类型，并且通过基于标识符检索 数据来确定参数，类似于如以上关于过滤器特性所述的。 在408处，仿真装置100基于标识的过滤器特性和标识的过程参数，针对多个过滤 器候选对象中的每一个，执行过滤过程的计算机实现的仿真过程。以下详细描述了示例仿 真。 在410处，仿真装置100基于仿真来确定过滤过程的输出特性。例如，仿真装置100 可以确定以下各项中的一项或多项：渗透物体积、渗透物组成、渗透物粘度、渗余物体积、渗 余物组成、渗余物粘度、以及与“结块”层的形成相关的特性，诸如其对膜206的水力渗透率 的影响。输出特性可以被输出为静态量(例如在某个时间段之后的输出量)。可替代地或附 加地，输出可以呈现输出特性中的一个或多个的时间变化。例如，输出特性中的一个或多个 可以被呈现为示出特性随时间的变化的曲线图。 在412处，基于一个或多个输出特性来选择多个过滤器候选对象中的过滤器候选 对象。在一些示例中，仿真装置100可以基于确定的输出特性来执行选择，并且向用户提供 其指示；例如，可以在仿真装置100的屏(未示出)上示出选择的过滤器的标识符。例如，仿真 装置100可以将确定的输出特性与例如可能已经由用户经由接口108输入的期望的输出特 性进行比较，并且选择导致输出特性比其它候选过滤器更紧密地对准期望的输出特性的候 选过滤器。在一些示例中，仿真装置100附加地或可替代地例如经由屏(未示出)向用户提供 指示确定的输出特性的数据，并且用户可以基于提供的数据进行选择。 以上提及的计算机实现的仿真可以基于使用例如对通道内的流动建模的Navier- Stokes等式和针对膜206内的流动的Brinkman等式的流体机械模型。然后可以求解用于对 流动建模的等式的解，以便确定输出特性。在一个示例中，仿真装置100可以使用诸如 COMSOLTM的有限元素求解程序来对过滤过程进行建模。 在一些示例中，计算机实现的仿真过程包括第一仿真阶段和第二仿真阶段，第一 仿真阶段包括确定过滤过程的一个或多个静态过程特性，第二仿真阶段包括至少部分地基 于确定的一个或多个静态过程特性来确定过滤过程的一个或多个动态过程特性。 下面在标题为“示例算法”的部分中描述了可以在仿真过程中使用的等式和算法 过程的示例。 上述过程提供了一种用于选择用于过滤过程的过滤器的自动化方法。现有技术方 法可以涉及过程操作者基于他或她对可能对给定过滤过程起作用的过滤器的知识以及在 测试系统上使用过滤器的反复试验来选择过滤器。然而，这些方法可能是耗时且昂贵的。相 比之下，上述过程使得能够选择适合于给定过滤过程的过滤器，而不需要对于这样的测试 所需的时间和费用，并且不需要对于专业知识的任何要求。 此外，一旦已经选择了过滤器，如本文中所述的仿真过程可以用于改进或优化利 用选择的过滤器运行的过滤过程。例如，一旦已经选择了过滤器候选对象(如上所述，自动 地或通过手动输入)，则可以利用不同的过程参数来执行仿真过程的进一步迭代，以根据例 如可以由用户输入设置的标准来改进输出特性。例如，仿真装置100可以提供推荐参数的指 6 CN 111602132 A 说　明　书 4/7 页 示，诸如TMP或咨询信息，诸如用于达到期望的产物浓度的预期时间，或过滤器设备应当在 其之后改变的时间或循环数等。 因此，本文中所述的示例可用于过滤过程的设计和/或开发中，例如用于设置或更 新标准操作过程。在一些示例中，仿真装置100可以与实际(即，非仿真)过滤过程结合使用， 如现在参考图5所述。 图5示意性地图示了包括过滤系统500和仿真装置100的系统。过滤系统500用于执 行过滤过程；在本示例中，过滤系统500用于执行错流过滤过程。 物理过滤系统500包括进料贮存器202和过滤器设备204，其对应于以上参考图2所 述的进料贮存器和过滤器设备。物理过滤系统500包括进料泵501，进料泵501经由进料导管 502将进料驱动到过滤器设备204中。渗余物经由渗余物导管和504离开过滤器并返回到贮 存器202。已经通过过滤器设备204的膜(未示出)的渗透物经由渗透物导管离开过滤器设备 204，并且被收集在收集容器508中。物理过滤系统500还包括用来调节系统500内的流动的 阀512。 根据示例，物理过滤系统500包括传感器514a、514b、514c，以测量过滤过程的一个 或多个特性。在所示的示例中，物理过滤系统500包括进料传感器514a、渗余物传感器514b 和渗透物传感器514c，其被配置成分别测量进料、渗余物和渗透物的一个或多个特性。要测 量的特性可以包括例如温度、压力、流率和浓度中的一个或多个。 传感器514a、514b、514c被配置成例如经由有线或无线连接与仿真装置100通信。 仿真装置100可以使用来自传感器514a、514b、514c的数据来更改与在过滤系统 500上运行的过滤过程相对应的过滤过程的仿真的参数，过滤系统500用作测试系统。例如， 在从传感器514a、514b、514c中的一个或多个接收的测量数据指示偏离由仿真确定的预期 特性值的特性值的情况下，可以更新仿真过程的一个或多个参数以计及这一点。在一些情 况下，当检测到这样的偏差时，可以重复过滤过程(例如，通过更换过滤器设备204和进料)， 以便确保偏差不是由于过滤系统500中的故障引起的。 在其它示例中，仿真装置100可以使用从传感器514a、514b、514c接收的数据来监 测对于物理过滤系统500中的异常，如现在参考图6所述的，图6是图示根据示例的监测过滤 过程的方法600的流程图。 在602处，仿真装置100执行与由物理过滤系统500执行的物理过滤过程相对应的 过滤过程的计算机实现的仿真。例如，仿真可以对应于如以上所述的计算机仿真的仿真过 程。仿真可以基于输入日期来执行，例如由用户输入的数据，诸如过滤器特性数据或过程参 数数据，如以上所述。附加地或可替代地，可对从传感器514a、514b、514c中的一个或多个接 收的测量数据执行仿真。例如，传感器可以提供指示如以上指示的一个或多个过程参数的 数据，以形成仿真的基础。 在604处，仿真装置基于仿真过程确定仿真过滤过程的一个或多个时变特性。一个 或多个时变特性可以包括浓度，例如渗透物、渗余物或进料的浓度或流率。 在606处，仿真装置100从传感器514a、514b、514c中的一个或多个接收测量数据。 测量数据指示在给定时间的一个或多个时变特性的值。例如，给定时间可以基于在过滤系 统500上执行的过滤过程的开始时间。例如，当过滤过程开始时，仿真装置100可以经由接口 108从用户接收指示，或者其可以基于例如从传感器514a、514b、514c中的一个或多个接收 7 CN 111602132 A 说　明　书 5/7 页 的数据来检测开始时间。 在608处，仿真装置100将从过滤系统500接收的测量数据与确定的一个或多个时 变特性进行比较。这可以包括例如将由测量数据指示的所述或每个特性的值与在计算机实 现的仿真过程期间确定的时变特性的一个或多个值进行比较。换句话说，仿真装置100可以 将测量数据的一个或多个值与如由仿真过程确定的、在给定时间的相应特性的一个或多个 预期值进行比较。 在610处，仿真装置100基于比较来确定过滤系统500中是否存在异常。例如，如果 由测量数据指示的值与预期值相差超过预定量(例如，相差超过预定绝对值，或相差超过预 定比例)，则仿真装置100可以确定过滤系统500中存在异常。 如果仿真装置100确定过滤系统500中存在异常，则仿真装置100在612处生成异常 指示。异常指示可以是视觉指示，诸如例如在仿真装置100的屏上的警报消息或“弹出”，或 者其可以是音频或其它警报。在一些示例中，异常指示指示了与异常的性质相关的信息，例 如进料、渗透物和渗余物中的一个或多个中的异常流率或浓度。在其它示例中，异常指示简 单地指示存在异常，而不指示另外的细节。 如果仿真装置100没有确定过滤系统500中的异常，则监测过程返回到606并且从 过滤系统500接收另外的测量数据。 因此，参考图6描述的监测过滤过程的方法可以用于向用户(例如过滤系统500的 操作者)提供例如在生产过程期间过滤系统500中存在异常(即，故障)的警告。这可以使得 用户能够针对异常采取校正动作，诸如更换过滤器。例如，这继而可以提高效率或抑制缺陷 产品的产生。 附加地或可替代地，仿真装置100可以记录接收的测量数据和与预期值的任何偏 差，例如即使在偏差不大到足以触发异常指示的情况下。例如，为了质量控制目的，可以使 用该数据进行分析。 示例算法 以下提供以供在上述计算机实现的仿真过程中使用的等式和算法的示例。在该示例 中，第一仿真阶段利用以下等式： 等式1 其中： ·ΔP是跨膜压力(TMP)，即在过滤器膜206两端的压力差 ·μ是进料的粘度 ·Rm是由于膜引起的阻力，其取决于进料的粘度和膜的水力渗透率。 ·Rg是由于膜206引起的阻力，其取决于凝胶的孔隙率、密度和水力渗透率 等式2 其中： ·K是传质系数 8 CN 111602132 A 说　明　书 6/7 页 ·Cm是膜206接口处的进料浓度 ·C是溶液的整体的浓度 ·Lp是膜的水力渗透率 ·Rr是真实保留 ·A1、A2和A3是取决于Rr的常数，并且其可以至少部分地基于实验数据来确定。 等式3 其中： ·u是进料的错流速度 ·D为相关扩散系数 ·I是以下等式4中定义的积分因子 等式4 其中： ·η是无量纲变量，其由等式5给出 ·λ由等式6给出 等式5 其中： ·R是雷诺数 ·Sc是施密特数 de为通道等效直径 等式6 其中： ·J*是由等式7给出的长度平均渗透物通量。 等式7 等式8 其中： ·CP是渗透物的浓度。 等式9 9 CN 111602132 A 说　明　书 7/7 页 在以上等式中，可以提供下面的过滤器特性的值作为如上所述的输入数据：Lp、L、h。可 以提供以下过程参数的值作为到仿真的输入，如上所述：μ、Rm、Rg、D、de。下面的参数(在本文 中称为“静态过程参数”)的值可根据算法确定：ΔP、u、C、Cm、Cp、J、K。 在一些示例中，在迭代算法中使用以上安排的等式来确定静态过程参数。例如，可 以初始地基于例如使用类似过滤器特性和过程参数的先前仿真来分配J*的值，或者例如可 以向其分配随机值。基于等式7确定J的值。基于此，通过用数字表示求解其它等式或通过另 一种方法来计算K的值以及随后计算ΔP、u、C、Cm、Cp、J的值。然后比较基于等式7和其它等式 计算的J的值。如果J的计算值相差超过预定量，例如，如果它们相差超过预定比例，例如 0.1％，则使用不同的J*的值重复该过程。因此，迭代该过程，直到计算的J的值相差预定量 或更小。一旦J的值相差预定量或更小，则设置J*的值和其它静态过程参数以供在第二仿真 阶段中使用。 第二仿真阶段包括确定过滤过程的时变输出特性，诸如随时间变化的进料的浓度 和体积、渗透物的浓度和体积、跨膜压力等。例如，第二仿真阶段可以使用等式，诸如等式 10： 等式10 其中 ·cf是进料浓度 ·Vf是进料体积 ·ΔP是TMP ·Lp是膜的水力渗透率，并且其由以下等式11给出 ·MA是溶质的分子权重。 等式11 其中： ·Lp,o为初始水力渗透率 ·Δπ0是初始渗透压 ·Δπ是时变渗透压 ·Ka和Kc是与结块形成过程相关的常数。假设这些常数的初始值。随着仿真的动态部 分的进行，更新这些常数的值，以便获得与其它参数的最佳曲线拟合，由此仿真结块形成过 程及其对过滤过程的影响。 参考错流过滤过程描述了许多以上示例。然而，应当理解，本发明同样可适用于其 它类型的过滤过程，诸如例如末端过滤。 应当理解，关于任何一个示例描述的任何特征可以单独使用、或者与描述的其它 特征组合使用、并且还可以与任何其它示例的一个或多个特征组合使用、或者与任何其它 示例的任何组合组合使用。此外，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，还可以采用以上 未描述的等同物和修改。 10 CN 111602132 A 说　明　书　附　图 1/4 页 图 1 图 2 11 CN 111602132 A 说　明　书　附　图 2/4 页 图 3 图 4 12 CN 111602132 A 说　明　书　附　图 3/4 页 图 5 13 CN 111602132 A 说　明　书　附　图 4/4 页 图 6 14