專利名稱：具有存儲器、通信和濃度傳感器的過濾器的制作方法
背景技術(shù)：
無線通信的使用已經(jīng)普及開來，特別是在管理資產(chǎn)方面，尤其是與庫存管理相關(guān)聯(lián)的那些應(yīng)用。例如，RFID標(biāo)簽的使用允許監(jiān)視生產(chǎn)線以及通過供應(yīng)鏈移動資產(chǎn)或組件。
為了進一步圖示此原理，制造實體可以在組件進入生產(chǎn)設(shè)備時把RFID標(biāo)簽附著到它們上。然后把這些組件插入到生產(chǎn)流中，結(jié)合其它組件形成裝配件，并且最后產(chǎn)生成品。RFID標(biāo)簽的使用允許制造實體內(nèi)的工作人員在整個制造過程期間跟蹤特定組件的移動。還允許所述實體能夠標(biāo)識包括任何特定配件或成品的具特定組件。
另外，在藥物和制藥工業(yè)內(nèi)也提倡使用RFID標(biāo)簽。在2004年2月，美國聯(lián)邦藥物管理機構(gòu)發(fā)布了提倡使用RFID標(biāo)簽來標(biāo)記并監(jiān)視藥物的報告。這試圖提供系譜(pedigree)并且限制偽造處方藥物滲入到市場及消費者。
自從RFID標(biāo)簽引入以來，RFID標(biāo)簽已經(jīng)在許多應(yīng)用中得到，諸如用以標(biāo)識過濾器產(chǎn)品中的過程控制并為其提供信息。Den Dekker于1997年所公布的美國專利5,674,381公開了結(jié)合過濾儀器和可替換的過濾配件來使用“電子標(biāo)記”。特別地是，所述專利公開了具有電子標(biāo)記的過濾器，所述電子標(biāo)記具有讀取/寫入存儲器和相關(guān)聯(lián)的過濾設(shè)備，所述過濾設(shè)備具有響應(yīng)于所述標(biāo)記的讀出裝置。該電子標(biāo)記適合于計數(shù)并存儲可替換過濾器的實際運轉(zhuǎn)時間。該過濾設(shè)備適合于根據(jù)此實時數(shù)值來允許或拒絕該過濾器。所述專利還公開了可以使用電子標(biāo)記來存儲關(guān)于可替換過濾器的標(biāo)識信息。
Baker等人的專利申請公開了處理設(shè)備跟蹤系統(tǒng)，該專利申請于2005年作為美國專利申請公開號為US2005/0205658刊登。此系統(tǒng)包括結(jié)合處理設(shè)備使用RFID標(biāo)簽。該RFID標(biāo)簽被描述為能夠存儲“至少一個可跟蹤的事件”。這些可跟蹤的事件被枚舉為清理日期和批處理日期。該公布內(nèi)容還公開了可連接到PC或因特網(wǎng)的RFID讀取器，在所述PC或因特網(wǎng)中存在處理設(shè)備數(shù)據(jù)庫。此數(shù)據(jù)庫包含多個可跟蹤的事件并且能夠提供用于確定“基于累積數(shù)據(jù)的處理設(shè)備的使用壽命”的信息。該應(yīng)用包括使用具有各種處理設(shè)備的此類系統(tǒng)，所述處理設(shè)備諸如閥、泵、過濾器和紫外線燈。
由Jornitz等人提交并于2004年出版的美國專利申請公開號2004/0256328的另一專利申請公開了一種用于監(jiān)視過濾設(shè)備完整性的器件和方法。此公布內(nèi)容描述了結(jié)合過濾器外殼來使用包含板上存儲器芯片和通信器件的過濾器。該過濾器外殼充當(dāng)監(jiān)視和完整性測試器。該應(yīng)用還公開了用來確保在多個圓形(multi-round)外殼中所使用的過濾元件的完整性的一組步驟。這些步驟包括查詢存儲元件以便驗證正使用的過濾器類型、其限制數(shù)據(jù)及其生產(chǎn)發(fā)行數(shù)據(jù)。
盡管已經(jīng)通過使用RFID標(biāo)簽進行了一些改進，然而還有一些尚未得到滿意解決的另外的地方。例如，存在諸如完整性測試和蛋白質(zhì)監(jiān)視之類的多個應(yīng)用，其中實時監(jiān)視特定物質(zhì)的濃度會是極其有益的。雖然RFID標(biāo)簽提供了本發(fā)明的一個實施例，然而還可以預(yù)見到利用有線通信的解決方案。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明描述了一種用于準(zhǔn)確地測量過濾元件內(nèi)物質(zhì)濃度的系統(tǒng)和方法。在某些實施例中，能夠測量特定物質(zhì)濃度的傳感器和通信器件耦合以便能夠在過濾器處于使用中時測量并發(fā)送在所述過濾器附近的特定物質(zhì)的濃度。此系統(tǒng)能夠包括集成有通信器件和傳感器的單個組件。作為選擇，所述系統(tǒng)能夠包括彼此相互通信的相互獨立的傳感器和發(fā)送器組件。在又一實施例中，能夠把存儲元件加到該系統(tǒng)上，由此允許該器件存儲一組濃度值。在又一實施例中，該發(fā)送器組件無線地操作。
此器件的使用對許多應(yīng)用來說是有益的。例如，新近發(fā)展的完整性測試是基于把示蹤氣體添加到載體的原理。此示蹤氣體的檢測比標(biāo)準(zhǔn)擴散測試給出了更高的靈敏度。檢測此氣體并把結(jié)果發(fā)送到過濾器外殼之外的能力會是大大有益的。在另一應(yīng)用中，監(jiān)視過濾器外殼內(nèi)蛋白質(zhì)濃度的能力使操作條件能夠被調(diào)節(jié)以便維持在薄膜表面的蛋白質(zhì)濃度從而獲取更可靠且可再現(xiàn)的性能。


圖1是本發(fā)明的代表性實施例。
具體實施例方式
圖1圖示了依照本發(fā)明的代表性過濾系統(tǒng)。用外殼20來封閉過濾元件10。該過濾元件能夠簡單地是多孔材料，諸如褶紙。作為選擇，該過濾元件可以更為復(fù)雜；例如，包括諸如塑料之類的框架和多孔材料。濃度傳感器30位于過濾元件10附近，并且優(yōu)選貼到該過濾元件10上。此傳感器30能夠產(chǎn)生根據(jù)特定物質(zhì)的周圍濃度而改變的輸出。此輸出可以采用模擬電壓或電流的形式，或者可以是數(shù)字值或脈沖。在優(yōu)選實施例中，所述輸出相對于濃度線性變化，然而這并非是必要條件。能夠使用與周圍濃度具有諸如對數(shù)或指數(shù)之類的已知關(guān)系的任何輸出。在這種情況下，能夠變換所述輸出來確定實際測量的濃度。
該濃度傳感器30優(yōu)選被安裝在過濾元件10的下游側(cè)上。在其中所關(guān)注的濃度是均質(zhì)的應(yīng)用中，傳感器30的位置并非是關(guān)鍵性的，并且能夠處在該過濾元件的下游側(cè)上的任何地方，諸如但不局限于該過濾元件的內(nèi)表面或公共出口中。在濃度是離散且非均質(zhì)的那些應(yīng)用中，濃度傳感器可以位于過濾元件的輸出附近。在其它實施例中，濃度傳感器30能夠位于公共出口內(nèi)。在一些應(yīng)用中，該過濾元件的溫度可能超過145℃，因此應(yīng)當(dāng)使用能夠經(jīng)受得起此溫度的傳感器。類似地，外殼20的溫度可能從較低溫度到較高溫度并且返回地循環(huán)變化，因此該傳感器應(yīng)當(dāng)能夠經(jīng)受得起溫度循環(huán)變化。存在此種濃度傳感器的多個實施例。例如在某些應(yīng)用中，此傳感器是使用特定的已知復(fù)合物來與所想要氣體相交互的固態(tài)器件。在氫傳感器的一個實施例中，使用MOS二極管，其中金屬合金層包括PdAg合金，氧化物是SiO2并且半導(dǎo)體是硅。氫影響了在金屬和氧化層之間的匯合處(junction)，由此改變二極管的特性。然后可以把此匯合處變化轉(zhuǎn)換為濃度級別。在另一實施例中，利用其中氧化物為SnO2的金屬氧化物半導(dǎo)體厚膜器件。在傳感器附近存在氧化氣體改變了器件的電阻特性，由此使得能夠確定所述氣體的濃度。作為選擇，其它傳感器利用紅外(infrared IR)色散來檢測特定的物質(zhì)。在這些傳感器中，向接收器發(fā)送IR波束。當(dāng)IR輻射從發(fā)送器傳遞到接收器時，諸如氣體之類的所關(guān)注的特定物質(zhì)吸收一些IR輻射。吸收量與物質(zhì)的濃度相關(guān)。典型情況下還能夠結(jié)合光纜來使用IR和UV光以便通過使用折射來測量溶質(zhì)濃度。另一類型的傳感器是根據(jù)光、電或壓電檢測方法的基于親和力(affinity)的傳感器。一個這種基于親和力的傳感器利用其上放置有適當(dāng)配位體(ligand)的微量天平。所關(guān)注的物質(zhì)被附于并粘附在所述配位體上。這導(dǎo)致位于微量天平上的質(zhì)量略微增加。然后可以根據(jù)流速把此質(zhì)量轉(zhuǎn)換為濃度率。這些例子意在說明能夠使用的一些類型的傳感器；并不意在窮舉列出所有這種適當(dāng)?shù)臐舛葌鞲衅鳌?br> 發(fā)送器40還位于傳感器30附近或與之集成在一起。在優(yōu)選實施例中，發(fā)送器40和濃度傳感器30被封裝在單個集成組件中。作為選擇，發(fā)送器40和傳感器30能夠被相互分隔開來，并且能夠彼此諸如經(jīng)由電信號來通信。各種類型通信器件都是可能的。在一個實施例中，使用無線通信，并且優(yōu)選使用RFID標(biāo)簽。有源RFID標(biāo)簽允許與讀取器之間進行規(guī)則的通信。作為選擇，能夠使用無源RFID標(biāo)簽，借此從由RFID讀取器所發(fā)送的電磁場獲得用于發(fā)送并感測溫度的能量。在另一實施例中，使用在處于外殼之外的控制模塊和傳感器之間的有線通信。
選擇性地，能夠結(jié)合發(fā)送器40和濃度傳感器30來使用存儲元件50。能夠使用此存儲元件50來存儲一組濃度讀數(shù)，諸如其可以借助傳感器的有規(guī)律采樣產(chǎn)生，所述存儲元件50優(yōu)選為隨機存取存儲器(RAM)或閃存(FLASH EPROM)器件。
這允許發(fā)送器40發(fā)送數(shù)據(jù)所采用的速率不同于采樣濃度所采用的速率。例如，可以每秒采樣濃度10次，而每秒只發(fā)送數(shù)據(jù)一次。
在一個實施例中，使用位于過濾器外殼20之外的無線接收器60來與所述發(fā)送器之間通信。在優(yōu)選實施例中，使用RFID讀取器或基站。該讀取器能夠被配置成使得它以有規(guī)律的間隔查詢發(fā)送器。作為選擇，該讀取器能夠被手動操作，使得當(dāng)設(shè)備操作者進行請求時進行讀數(shù)。在另一實施例中，該無線接收器60還包括存儲元件。這降低了外殼內(nèi)器件所需要的復(fù)雜性。在此實施例中，該無線接收器以優(yōu)選有規(guī)律的間隔來查詢該無線發(fā)送器/濃度傳感器。它從無線發(fā)送器接收在那時所確定的當(dāng)前濃度傳感器測量。然后無線接收器60把此值存儲在其存儲元件中。該存儲元件的容量能夠變化，并且可以根據(jù)各種因素來確定。這些包括但不局限于接收測量所采用的速率，處理所存儲數(shù)據(jù)所采用的速率，以及此存儲元件與其外部環(huán)境通信的頻率。
作為一個例子，考慮一個過濾元件具有與濃度傳感器30耦合的無線發(fā)送器40，諸如RFID標(biāo)簽。在此實施例中，RFID標(biāo)簽是無源的，即，它只在收到來自無線接收器或基站的查詢時才發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)收到該查詢時，該發(fā)送器發(fā)送當(dāng)前可從濃度傳感器30處獲得的值。在一種方案中，被耦合到計算設(shè)備(諸如計算機)的無線接收器然后把這些值(選擇性地連同相關(guān)聯(lián)的時間戳一起)存儲在諸如日志文件中。在不同的方案中，如果該無線接收器與計算機相互分離，那么該接收器將需要內(nèi)部存儲多個濃度測量，直到它連接到主計算和/或存儲器件時為止。在這種情況下，存儲元件需要與接收器集成在一起。
在本領(lǐng)域中已經(jīng)公開了并且已知用于向外殼之外發(fā)送無線信號的機制。美國專利申請公開號2004/0256328描述了使用天線來把在位于過濾器外殼上的發(fā)送應(yīng)答器之間的信息中繼到所述外殼之外的監(jiān)視和測試部件。
在已經(jīng)定義了本發(fā)明的物理結(jié)構(gòu)的情況下，在很多應(yīng)用中本發(fā)明的物理結(jié)構(gòu)都是有益的。下面打算圖示那些應(yīng)用中的一些，然而并不意味著是所有這種應(yīng)用的列舉。
在一個實施例中，結(jié)合就地完整性測試(in situ Integrity Testing)來使用本發(fā)明。此過程使操作者能夠在沒有附加設(shè)備的情況下確認在客戶地點的過濾器外殼內(nèi)過濾器的完整性。在一個實施例中，把諸如氦或氫之類的示蹤氣體添加到載體并且注入到該系統(tǒng)中。傳感器優(yōu)選被定位在該過濾器的下游側(cè)上，以便測量示蹤氣體的滲漏點，所述傳感器優(yōu)選為能夠測量示蹤氣體濃度的固態(tài)氣體傳感器。選擇性地，所述傳感器能夠由疏水過濾器保護以免弄臟蛋白質(zhì)及其它材料。在特定操作的橫跨膜壓力下示蹤氣體的濃度表示過濾器中氣泡指向的特定氣孔。示蹤氣體的濃度表明過濾器的完整性，從而可以為每種過濾器類型建立通過/失敗準(zhǔn)則。此測試會比標(biāo)準(zhǔn)的擴散測試給出始沸點和存在缺陷的更敏感的指示。此測試適用于任何過濾器，但是在理論上最適于正常流細小病毒(Normal Flow Parvovirus NFP)過濾器。
在第二實施例中，以已知比率把兩種氣體引入到過濾器外殼中。在于2005年10月11日提交的美國臨時申請序號60/725,238中更加詳細地描述了此實施例。在該優(yōu)選實施例中，利用適當(dāng)液體弄濕過濾元件，并且所選擇的氣體在該液體中具有不同的滲透性。所使用的氣體能夠?qū)儆诟鞣N組成物，包括惰性氣體、氟化(perfluorinated)氣體或二氧化碳。由于滲透性的差異，這些氣體以不同速率擴散通過過濾元件，由此在過濾元件的下游側(cè)上產(chǎn)生不同的比率。根據(jù)此比率，能夠驗證該過濾元件的完整性。使用一個或多個濃度傳感器允許監(jiān)視此下游比率。
本發(fā)明的第二應(yīng)用涉及蛋白質(zhì)監(jiān)視。在此方案中，使用能夠測量溶質(zhì)濃度的傳感器來控制該過濾過程，所述溶質(zhì)濃度最優(yōu)選為蛋白質(zhì)濃度。在此應(yīng)用中，該傳感器優(yōu)選為光纖，通過光纖能夠進行紫外線或紅外線測量；或者優(yōu)選為基于光、電或壓電檢測方法的基于親和力的傳感器，或者優(yōu)選為使用微量天平和適當(dāng)配位體的基于親和力的傳感器。在切向流過濾(tangential flow filtration TFF)應(yīng)用中，傳感器位于過濾器上，優(yōu)選地處于在氣流道的出口端與過濾器物理整合的薄膜表面上。然后，該傳感器能夠測量在所述薄膜表面的蛋白質(zhì)濃度。根據(jù)此讀數(shù)，能夠調(diào)節(jié)諸如橫跨膜壓力之類的操作條件，以便使蛋白質(zhì)濃度維持在特定級別。此類控制尤其適合于切向流過濾，其中濃度邊界層處于濾膜的頂部。借助所淀積蛋白質(zhì)的壁濃度來確定薄膜性能，包括流量和篩選。從而，通過改變橫跨膜壓力，能夠把薄膜壁處的蛋白質(zhì)濃度保持在所指定窗口內(nèi)。
在操作中，傳感器30測量所述濃度。然后由發(fā)送器40把此值傳送到過濾器外殼之外。外部接收器60接收此測量的濃度值。使用利用算法的常規(guī)控制循環(huán)，諸如比例積分微分(proportional-integral-derivative PID)或比例微分(proportional-derivative PD)，能夠根據(jù)當(dāng)前壓力和所接收的濃度測量來計算所更新的想要的橫跨膜壓力。然后，把此新值施加到該系統(tǒng)。通過動態(tài)地調(diào)節(jié)壓力，能夠容易地容納逐批的變化。
在一個實施例中，利用塑料過濾器外殼，允許無線發(fā)送器在任何時間發(fā)送壓力數(shù)據(jù)通過所述外殼。
權(quán)利要求
1.一種用于監(jiān)視在包括至少一個過濾元件的過濾器外殼內(nèi)物質(zhì)的濃度的設(shè)備，包括所述過濾元件，用于定義其中存在未過濾材料的上游側(cè)和向其中傳遞所過濾材料的下游側(cè)，濃度傳感器，位于所述下游側(cè)中，和發(fā)送器，與所述傳感器通信。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，進一步包括適合于存儲來自所述傳感器的測量的存儲元件。
3.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器選自由固態(tài)氣體傳感器、光纖和基于親和力的傳感器所構(gòu)成的組中。
4.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述發(fā)送器利用無線通信。
5.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其中所述無線發(fā)送器包括RFID標(biāo)簽。
6.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述濃度傳感器和所述發(fā)送器提供在單個機殼中。
7.如權(quán)利要求4所述的設(shè)備，進一步包括無線接收器，適合于接收從所述無線發(fā)送器所發(fā)送的信號。
8.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器被貼到所述過濾元件。
9.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述過濾器外殼進一步包括入口和出口，其中所述傳感器位于所述出口中。
10.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中所述傳感器被嵌入到所述過濾元件中。
11.如權(quán)利要求3所述的設(shè)備，其中基于親和力的傳感器包括微量天平和適當(dāng)?shù)呐湮惑w。
12.一種用于確保過濾器外殼內(nèi)的過濾元件的完整性的方法，結(jié)合發(fā)送器把濃度傳感器定位在所述過濾元件的下游側(cè)上；把示蹤氣體引入到所述過濾器外殼中；使用所述傳感器來監(jiān)視在所述過濾元件的下游側(cè)的示蹤氣體的濃度；并且把所述濃度與預(yù)定范圍相比較以便確定所述過濾元件的完整性。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中以有規(guī)律的間隔執(zhí)行所述監(jiān)視步驟。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述發(fā)送器包括無線發(fā)送器，并且所述方法進一步包括向位于所述外殼之外的接收器無線發(fā)送所監(jiān)視的濃度的步驟。
15.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述傳感器包括固態(tài)氣體傳感器。
16.如權(quán)利要求12所述的方法，其中借助疏水過濾器來保護所述傳感器。
17.如權(quán)利要求12所述的方法，其中所述發(fā)送器利用無線通信。
18.如權(quán)利要求17所述的方法，其中所述無線發(fā)送器包括RFID標(biāo)簽。
19.一種用于確保過濾器外殼內(nèi)的過濾元件的完整性的方法，結(jié)合至少一個發(fā)送器把兩個濃度傳感器定位在所述過濾元件的下游側(cè)上；以已知比率把兩種氣體引入到所述過濾器外殼中；使用所述傳感器來監(jiān)視在所述過濾元件的下游側(cè)的所述兩種氣體的濃度；并且把所監(jiān)視濃度的比率與預(yù)定范圍相比較以便確定所述過濾元件的完整性。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中以有規(guī)律的間隔執(zhí)行所述監(jiān)視步驟。
21.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述發(fā)送器包括無線發(fā)送器，并且所述方法進一步包括向位于所述外殼之外的接收器無線發(fā)送所監(jiān)視的濃度的步驟。
22.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述傳感器包括固態(tài)氣體傳感器。
23.如權(quán)利要求19所述的方法，其中借助疏水過濾器來保護所述傳感器。
24.如權(quán)利要求19所述的方法，其中所述發(fā)送器利用無線通信。
25.如權(quán)利要求24所述的方法，其中所述無線發(fā)送器包括RFID標(biāo)簽。
26.一種用于維持在過濾器外殼內(nèi)的過濾元件的薄膜表面上蛋白質(zhì)濃度的方法，包括把與發(fā)送器通信的濃度傳感器定位到所述過濾元件的薄膜表面上；使用所述傳感器來監(jiān)視所述蛋白質(zhì)的濃度；把所述濃度與預(yù)定范圍相比較；并且響應(yīng)于所述比較來調(diào)節(jié)橫跨膜壓力。
27.如權(quán)利要求26所述的方法，進一步包括向位于所述外殼之外的接收器發(fā)送所監(jiān)視的濃度的步驟。
28.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述傳感器包括光纖，通過該光纖進行IR或UV測量。
29.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述傳感器包括基于光、電或壓電檢測方法的基于親和力的傳感器。
30.如權(quán)利要求26所述的方法，其中所述發(fā)送器利用無線通信。
31.如權(quán)利要求30所述的方法，其中所述無線發(fā)送器包括RFID標(biāo)簽。
32.如權(quán)利要求29所述的方法，其中所述基于親和力的傳感器包括微量天平和適當(dāng)?shù)呐湮惑w。
33.如權(quán)利要求26所述的方法，其中使用PID回路來計算所述調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種準(zhǔn)確測量過濾器外殼內(nèi)的物質(zhì)濃度的系統(tǒng)和方法。濃度傳感器和通信器件耦合以便能在使用中時測量并發(fā)送在過濾器外殼內(nèi)特定物質(zhì)的濃度。此系統(tǒng)能夠包括集成有通信器件和濃度傳感器的單個組件。作為選擇，所述系統(tǒng)能夠包括彼此通信的相互獨立的傳感器和發(fā)送器組件。在又一實施例中，能夠把存儲元件加到該系統(tǒng)，由此允許該器件存儲一組濃度值。此器件的使用對許多應(yīng)用來說是有益的。例如，就地讀取濃度值的能力使得能夠在沒有附加設(shè)備的情況下執(zhí)行完整性測試。
文檔編號B01D35/143GK101073731SQ200710096550
公開日2007年11月21日 申請日期2007年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者A·迪萊奧 申請人:米利波爾有限公司