DE102011082582B4

DE102011082582B4 - Method for monitoring a fermentation process

Info

Publication number: DE102011082582B4
Application number: DE102011082582.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Evers; Stefan von Dosky
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens Healthcare GmbH
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2031-09-14
Also published as: WO2013037686A1; DE102011082582A1

Abstract

Verfahren zur Überwachung eines Fermentationsprozesses, bei dem ein oder mehrere, den Zustand des Fermentationsprozesses repräsentierende Überwachungsparameter gemessen werden, wobei – ein Fermentationsbehälter (1) mit darin enthaltener Lösung (L), in welcher eine Fermentation abläuft, zumindest teilweise in ein Kernspinresonanz-Spektrometer (2) eingebracht wird; – als ein Überwachungsparameter das Kernspinresonanz-Spektrum (S) der Lösung (L) mit dem Kernspinresonanz-Spektrometer (2) zu einem oder mehreren Zeitpunkten gemessen wird; – für das Kernspinresonanz-Spektrum (S) der Lösung (L) als weiterer Überwachungsparameter ermittelt wird, ob und/oder in welcher Konzentration ein oder mehrere vorbestimmte Bestandteile in der Lösung (L) vorhanden sind; – in Abhängigkeit von dem Vorhandensein und/oder der Konzentration des oder der vorbestimmten Bestandteile in der Lösung (L) als weiterer Überwachungsparameter ermittelt wird, ob die Fermentation beendet ist, und/oder in Abhängigkeit von dem Vorhandensein und/oder der Konzentration des oder der vorbestimmten Bestandteile in der Lösung (L) ein oder mehrere Einstellparameter des Fermentationsprozesses automatisch verändert werden und/oder eine vorgeschlagene Veränderung des oder der Einstellparameter über eine Benutzerschnittstelle ausgegeben wird.Method for monitoring a fermentation process, in which one or more monitoring parameters representing the state of the fermentation process are measured, wherein - a fermentation container (1) with solution (L) contained therein, in which a fermentation takes place, at least partially into a nuclear magnetic resonance spectrometer ( 2) is introduced; - is measured as a monitoring parameter, the nuclear magnetic resonance spectrum (S) of the solution (L) with the nuclear magnetic resonance spectrometer (2) at one or more times; - Is determined for the nuclear magnetic resonance spectrum (S) of the solution (L) as a further monitoring parameters, whether and / or in which concentration one or more predetermined constituents in the solution (L) are present; - Is determined as a further monitoring parameter depending on the presence and / or concentration of the predetermined component (s) in the solution (L), whether the fermentation is completed, and / or depending on the presence and / or concentration of or predetermined components in the solution (L) one or more adjustment parameters of the fermentation process are automatically changed and / or a proposed change of the one or more setting parameters via a user interface is output.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Fermentationsprozesses.The invention relates to a method and a device for monitoring a fermentation process.

Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, verschiedene Arten von Wirkstoffen im Rahmen eines Fermentationsprozesses zu gewinnen. Hierzu werden sog. Bioreaktoren eingesetzt, welche einen Fermentationsbehälter umfassen, der mit einer entsprechenden Lösung befüllt wird, in der dann eine Fermentation abläuft, die zur Bildung eines Wirkstoffs in der Lösung führt. Unter Fermentationsprozess ist dabei die prozesstechnische Durchführung bzw. Steuerung des Ablaufs der Fermentation zu verstehen.It is known from the prior art to obtain various types of active ingredients in the context of a fermentation process. For this purpose, so-called. Bioreactors are used, which comprise a fermentation tank, which is filled with a corresponding solution in which then runs a fermentation, which leads to the formation of an active ingredient in the solution. Under fermentation process is to understand the process engineering implementation or control of the course of the fermentation.

Bei der Durchführung von Fermentationsprozessen in Bioreaktoren ist es erforderlich, dass bestimmte Prozessparameter technisch erfasst werden. Insbesondere ist die Lösung in regelmäßigen Abständen zu analysieren, um festzustellen, ob der herzustellende Wirkstoff bereits in ausreichender Menge vorhanden ist bzw. ob die Fermentation bereits abgeschlossen ist. Zur Überwachung eines Fermentationsprozesses werden heutzutage Messsonden eingesetzt, welche in den Fermentationsbehälter eingebracht werden. Die Messung mit Messsonden ist aufwändig und birgt die Gefahr der Kontamination der Fermentationslösung mit Fremdzellen. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Zusammensetzung der Fermentationslösung dadurch bestimmt wird, dass Proben der Lösung entnommen werden und außerhalb in einem Labor untersucht werden. Dies ist jedoch zeitintensiv und aufwändig, so dass nur vergleichsweise langsam auf Messergebnisse durch Veränderung von Parametern des Fermentationsprozesses reagiert werden kann.When carrying out fermentation processes in bioreactors, it is necessary that certain process parameters are technically recorded. In particular, the solution should be analyzed at regular intervals to determine whether the active substance to be produced is already present in sufficient quantity or whether the fermentation is already completed. To monitor a fermentation process measuring probes are nowadays used, which are introduced into the fermentation tank. The measurement with measuring probes is complex and involves the risk of contamination of the fermentation solution with foreign cells. Alternatively, it is possible that the composition of the fermentation solution is determined by taking samples of the solution and examining them outside in a laboratory. However, this is time-consuming and expensive, so that only comparatively slowly to measurement results by changing parameters of the fermentation process can be reacted.

Das Dokument US 2007/0020751 A1 offenbart einen Bioreaktor mit einem Behälter, in den eine Fermentationslösung über eine spiralförmige Kapillarröhre geleitet wird. Die Fermentationslösung kann dabei über NMR-Spektroskopie analysiert werden.The document US 2007/0020751 A1 discloses a bioreactor with a container into which a fermentation solution is passed over a spiral capillary tube. The fermentation solution can be analyzed by NMR spectroscopy.

In der Druckschrift FR 2 816 713 A1 ist eine Vorrichtung zur Analyse einer Fermentationslösung mittels NMR-Spektroskopie beschrieben, wobei hierfür die Lösung aus einem Bioreaktor in eine Einrichtung aus Rohrleitungen geleitet wird.In the publication FR 2 816 713 A1 describes a device for analyzing a fermentation solution by means of NMR spectroscopy, for which purpose the solution is passed from a bioreactor in a device made of pipelines.

Die Druckschrift US 2008/0032389 A1 beschreibt einen Anschluss für den Behälter eines Bioreaktors, an dem über NMR-Spektroskopie die darin enthaltene Fermentationslösung analysiert werden kann.The publication US 2008/0032389 A1 describes a connection for the container of a bioreactor, at which the fermentation solution contained therein can be analyzed by NMR spectroscopy.

Das Dokument US 2011/001497 A1 offenbart einen Bioreaktor mit teilweise flexibler Reaktorwand, der in die Röhre eines NMR-Spektrometers zur Analyse der darin enthaltenen Lösung positioniert werden kann.The document US 2011/001497 A1 discloses a bioreactor with a partially flexible reactor wall which can be positioned in the tube of an NMR spectrometer for analysis of the solution contained therein.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Fermentationsprozesses zu schaffen, mit denen auf einfache Weise Parameter des Fermentationsprozesses gemessen werden können.The object of the invention is to provide a method and a device for monitoring a fermentation process, with which parameters of the fermentation process can be measured in a simple manner.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie die Vorrichtung gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.This object is achieved by the method according to claim 1 and the device according to claim 11. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Überwachung eines Fermentationsprozesses ein oder mehrere, den Zustand des Fermentationsprozesses repräsentierende Überwachungsparameter gemessen. Hierzu wird ein Fermentationsbehälter mit darin enthaltener Lösung, in welcher eine Fermentation abläuft, zumindest teilweise in ein Kernspinresonanz-Spektrometer eingebracht. Der Fermentationsbehälter ist dabei vorzugsweise Bestandteil eines Bioreaktors, mit dem der Fermentationsprozess gesteuert wird. Erfindungsgemäß wird als ein Überwachungsparameter das Kernspinresonanz-Spektrum der Lösung mit dem Kernspinresonanz-Spektrometer zu einem oder mehreren Zeitpunkten gemessen.In the context of the method according to the invention, one or more monitoring parameters representing the state of the fermentation process are measured for monitoring a fermentation process. For this purpose, a fermentation container with solution contained therein, in which a fermentation takes place, at least partially introduced into a nuclear magnetic resonance spectrometer. The fermentation tank is preferably part of a bioreactor with which the fermentation process is controlled. According to the invention, the nuclear magnetic resonance spectrum of the solution is measured with the nuclear magnetic resonance spectrometer at one or more points in time as a monitoring parameter.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird für das Kernspinresonanz-Spektrum der Lösung als weiterer Überwachungsparameter ermittelt, ob und/oder in welcher Konzentration ein oder mehrere vorbestimmte Bestandteile, insbesondere ein oder mehrere Metabolite, in der Lösung vorhanden sind. Hierbei liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass bestimmte Metabolite aussagekräftige Rückschlüsse über den Zustand des Fermentationsprozesses zulassen. Erfindungsgemäß wird dabei in Abhängigkeit von dem Vorhandensein und/oder der Konzentration des oder der vorbestimmten Bestandteile in der Lösung als weiterer Überwachungsparameter ermittelt, ob die Fermentation beendet ist, wobei die Beendigung die Fermentation insbesondere dann festgestellt wird, wenn die Konzentration des Metabolits Laktat in der Lösung einen vorbestimmten Wert überschreitet. Man macht sich hierbei die Erkenntnis zunutze, dass eine große Menge an Laktat darauf hindeutet, dass die Stoffwechselprozesse in der Lösung unter Sauerstoffmangel verlaufen, was wiederum ein Indikator dafür ist, dass die Zellen in schlechter Konstitution sind bzw. am Absterben sind.In the method according to the invention, it is determined as a further monitoring parameter for the nuclear magnetic resonance spectrum of the solution whether and / or in which concentration one or more predetermined constituents, in particular one or more metabolites, are present in the solution. This is based on the finding that certain metabolites allow meaningful conclusions about the state of the fermentation process. According to the invention, it is determined as a further monitoring parameter, depending on the presence and / or concentration of the predetermined component (s) in the solution, whether the fermentation has ended, the termination of the fermentation being determined in particular if the concentration of the metabolite lactate in the Solution exceeds a predetermined value. One uses the knowledge that a large amount of lactate indicates that the metabolic processes in the solution are deficient in oxygen, which in turn is an indicator that the cells are in poor constitution or dying.

Alternativ oder zusätzlich werden im erfindungsgemäßen Verfahren in Abhängigkeit von dem Vorhandensein und/oder der Konzentration der vorbestimmten Bestandteile ein oder mehrerer Einstellparameter des Fermentationsprozesses, insbesondere die Zufuhr von Sauerstoff zur Lösung und/oder die Temperatur der Lösung, automatisch verändert und/oder es wird eine vorgeschlagene Veränderung des oder der Einstellparameter über eine Benutzerschnittstelle ausgegeben. Wird dabei z. B. eine erhöhte Konzentration von Laktat festgestellt, so kann die Sauerstoffzufuhr zur Lösung erhöht werden, denn die erhöhte Produktion von Laktat kann auch durch einen Sauerstoffmangel verursacht sein. Sollte die Erhöhung der Sauerstoffzufuhr nicht zu einer Verminderung der Laktatkonzentration führen, so wird in einer bevorzugten Ausführungsform schlussendlich die Beendigung der Fermentation festgestellt.Alternatively or additionally, in the method according to the invention, depending on the presence and / or the concentration of the predetermined constituents, one or more adjustment parameters of the fermentation process, in particular, the supply of oxygen to the solution and / or the temperature of the solution is automatically changed and / or a proposed change of the setting parameter (s) is output via a user interface. If z. As an increased concentration of lactate, so the oxygen supply to the solution can be increased, because the increased production of lactate may also be caused by an oxygen deficiency. If the increase in the oxygen supply does not lead to a reduction in the lactate concentration, the termination of the fermentation is finally determined in a preferred embodiment.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die an sich bekannte Kernspinresonanz-Spektroskopie, welche hauptsächlich im medizinischen Bereich zur Analyse des menschlichen oder tierischen Körpers eingesetzt wird, zur Analyse eines Fermentationsprozesses verwendet werden kann. Hierzu kann ein an sich bekanntes Kernspinresonanz-Spektrometer zum Einsatz kommen. Ein solches Spektrometer verfügt über eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Generierung eines Hauptmagnetfeldes, in welches der zu untersuchende Gegenstand, der im Rahmen der Erfindung eine Lösung ist, eingebracht wird. Das Spektrometer umfasst ferner eine Hochfrequenzsignal-Sendeeinrichtung und eine Hochfrequenzsignal-Empfangseinrichtung, welche gegebenenfalls in einer Einrichtung kombiniert sein können. Mit der Hochfrequenzsignal-Sendeeinrichtung wird ein hochfrequentes Wechselfeld senkrecht zum Hauptmagnetfeld eingestrahlt. Hierdurch werden bestimmte Atomkerne in der Lösung resonant angeregt, wobei diese resonante Anregung in der Hochfrequenzsignal-Empfangseinrichtung zur Erzeugung von elektrischen Signalen führt. Auf diese Weise kann ein von der Frequenz des eingestrahlten Wechselfelds abhängiges Spektrum ermittelt werden, wobei die im Spektrum enthaltenen Peaks bestimmte Atomkerne bzw. Bestandteile der Lösung repräsentieren. Zur effizienten Durchführung der Kernspinresonanz-Spektroskopie besteht die Wand des Fermentationsbehälters zumindest in dem Bereich, der in das Kernspinresonanz-Spektrometer eingebracht wird, vorzugsweise aus dielektrischem Material, insbesondere Kunststoff.The invention is based on the finding that the nuclear magnetic resonance spectroscopy known per se, which is used primarily in the medical field for analyzing the human or animal body, can be used to analyze a fermentation process. For this purpose, a known nuclear magnetic resonance spectrometer can be used. Such a spectrometer has a magnetic field generating device for generating a main magnetic field, in which the object to be examined, which is a solution within the scope of the invention, is introduced. The spectrometer further comprises a high-frequency signal transmitting device and a high-frequency signal receiving device, which may optionally be combined in one device. With the high-frequency signal transmitting device, a high-frequency alternating field is irradiated perpendicular to the main magnetic field. As a result, certain atomic nuclei are excited resonantly in the solution, this resonant excitation in the high-frequency signal receiving device leads to the generation of electrical signals. In this way, a dependent on the frequency of the radiated alternating field spectrum can be determined, wherein the peaks contained in the spectrum represent certain nuclei or components of the solution. For efficient performance of nuclear magnetic resonance spectroscopy, the wall of the fermentation vessel, at least in the region which is introduced into the nuclear magnetic resonance spectrometer, preferably consists of dielectric material, in particular plastic.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass auf einfache Weise ein Fermentationsprozess mittels der an sich bekannten Kernspinresonanz-Spektroskopie überwacht werden kann. Diese Überwachung ist berührungslos, und es ist somit nicht erforderlich, entsprechende Sonden in den Fermentationsbehälter einzuführen, welche zu einer Kontamination der Lösung führen können.The method according to the invention has the advantage that a fermentation process can be monitored in a simple manner by means of the nuclear magnetic resonance spectroscopy known per se. This monitoring is non-contact, and it is therefore not necessary to introduce appropriate probes in the fermentation tank, which can lead to contamination of the solution.

Um Signale mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis mit dem Kernspinresonanz-Spektrometer zu erfassen, wird der Fermentationsbehälter in einer bevorzugten Ausführungsform derart in das Kernspinresonanz-Spektrometer eingebracht, dass die Hochfrequenzsignal-Empfangseinrichtung des Kernspinresonanz-Spektrometers zumindest in einem Teilbereich einen Abstand von 10 mm oder weniger von der Wand des Fermentationsbehälters aufweist und insbesondere in zumindest einem Teilbereich in Kontakt mit der Wand des Fermentationsbehälters ist.In order to detect signals with a high signal-to-noise ratio with the nuclear magnetic resonance spectrometer, the fermentation vessel is introduced into the nuclear magnetic resonance spectrometer in a preferred embodiment such that the high-frequency signal receiver of the nuclear magnetic resonance spectrometer at least in a partial area a distance of 10th mm or less from the wall of the fermentation tank and in particular in at least a partial area in contact with the wall of the fermentation tank.

Die Messung des Spektrums durch das Kernspinresonanz-Spektrometer kann basierend auf bekannten Verfahren erfolgen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden dabei Hochfrequenz-Pulse über die Hochfrequenzsignal-Sendeeinrichtung ausgestrahlt, wodurch die im Frequenzband des Pulses liegenden Kernspin-Übergänge angeregt werden. Mit Hilfe einer Fourier-Transformation kann dann das entsprechende Spektrum bestimmt werden.The measurement of the spectrum by the nuclear magnetic resonance spectrometer can be made based on known methods. In a particularly preferred embodiment, high-frequency pulses are emitted via the high-frequency signal transmitting device, whereby the nuclear spin transitions lying in the frequency band of the pulse are excited. With the aid of a Fourier transformation, the corresponding spectrum can then be determined.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das gemessene Kernspinresonanz-Spektrum ein Protonen-Spektrum, welches sich besonders gut zur Bestimmung von Bestandteilen einer Fermentationslösung eignet.In a further preferred embodiment, the measured nuclear magnetic resonance spectrum is a proton spectrum which is particularly suitable for determining constituents of a fermentation solution.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebige Fermentationsprozesse analysiert werden. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird mit dem Fermentationsprozess ein medizinischer Wirkstoff gewonnen. Im Rahmen der Durchführung des Fermentationsprozesses wird die Lösung, welche ein Nährmedium bildet, vorzugsweise mit Säugetierzellen versetzt.With the method according to the invention, any fermentation processes can be analyzed. In a particularly preferred embodiment, a medicinal active substance is obtained with the fermentation process. In the context of carrying out the fermentation process, the solution which forms a nutrient medium is preferably mixed with mammalian cells.

Eine besonders hygienische Durchführung des Fermentationsprozesses wird im erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass die Fermentation in einem Einweg-Fermentationsbehälter abläuft, der vorzugsweise eine flexible Wand aufweist und somit besonders gut in das Kernspinresonanz-Spektrometer eingebracht werden kann. Einweg-Fermentationsbehälter sind aus dem Stand der Technik bekannt und bestehen vorzugsweise aus Kunststoff.A particularly hygienic implementation of the fermentation process is achieved in the process according to the invention in that the fermentation takes place in a disposable fermentation container, which preferably has a flexible wall and thus can be introduced particularly well into the nuclear magnetic resonance spectrometer. Disposable fermentation containers are known from the prior art and are preferably made of plastic.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das ermittelte Kernspinresonanz-Spektrum über eine Benutzerschnittstelle ausgegeben. Eine den Fermentationsprozess überwachende Person kann dann über das Spektrum Rückschlüsse auf dem Fermentationsprozess ziehen und entsprechende Maßnahmen einleiten, insbesondere Prozessparameter verstellen.In a further embodiment of the method according to the invention, the determined nuclear magnetic resonance spectrum is output via a user interface. A person monitoring the fermentation process can then draw conclusions about the fermentation process via the spectrum and initiate appropriate measures, in particular adjusting process parameters.

Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Vorrichtung zur Überwachung eines Fermentationsprozesses, umfassend einen Fermentationsbehälter zur Befüllung mit einer Lösung, in welcher eine Fermentation abläuft, und eine Messeinrichtung zur Messung von einem oder mehreren, den Zustand des Fermentationsprozesses repräsentierenden Überwachungsparametern. Der Fermentationsbehälter ist vorzugsweise Bestandteil eines Bioreaktors, so dass in einer bevorzugten Variante der Bioreaktor zur Vorrichtung gehört.In addition to the method described above, the invention further relates to a device for monitoring a fermentation process, comprising a fermentation vessel for filling with a solution in which a fermentation expires, and a measuring device for measuring one or more, representing the state of the fermentation process monitoring parameters. The fermentation container is preferably part of a bioreactor, so that in a preferred variant of the bioreactor belongs to the device.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Messeinrichtung ein Kernspinresonanz-Spektrometer umfasst, in welches der Fermentationsbehälter mit darin enthaltener Lösung eingebracht werden kann, wobei das Kernspinresonanz-Spektrometer derart ausgestaltet ist, dass es im Betrieb als einen Überwachungsparameter das Kernspinresonanz-Spektrum der Lösung in dem in das Kernspinresonanz-Spektrometer eingebrachten Fermentationsbehälter misst. Die Vorrichtung ist dabei derart ausgestaltet, dass das erfindungsgemäße Verfahren oder eine oder mehrere der oben beschriebenen bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Vorrichtung durchführbar sind.The device according to the invention is characterized in that the measuring device comprises a nuclear magnetic resonance spectrometer, in which the fermentation container can be introduced with solution contained therein, wherein the nuclear magnetic resonance spectrometer is designed such that it operates as a monitoring parameter, the nuclear magnetic resonance spectrum of Measure solution in the introduced into the nuclear magnetic resonance spectrometer fermentation tank. The device is designed such that the method according to the invention or one or more of the above-described preferred variants of the method according to the invention can be carried out with the device.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.Embodiments of the invention are described below in detail with reference to the accompanying drawings.

1 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Durchführung der erfindungsgemäßen Überwachung eines Fermentationsprozesses; und 1 a schematic representation of an arrangement for carrying out the monitoring of a fermentation process according to the invention; and

2 ein Kernspinresonanz-Spektrum, welches in einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgenommen werden kann. 2 a nuclear magnetic resonance spectrum, which can be included in an embodiment of the method according to the invention.

Nachfolgend wird eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung eines Einweg-Bioreaktors (englisch: Disposable Bioreactor) beschrieben, der einen Einweg-Fermenter in der Form eines flexiblen Sackes aus dielektrischem Material und insbesondere aus Kunststoff umfasst. Solche Bioreaktoren sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise von der Firma Sartorius Stedim Biotech vertrieben. Aufgrund der einmaligen Verwendung des Fermenters wird sichergestellt, dass der Fermentationsprozess unter besonders hygienischen Bedingungen ablaufen kann.An embodiment of the method according to the invention is described below using a disposable bioreactor, which comprises a disposable fermenter in the form of a flexible bag of dielectric material and in particular of plastic. Such bioreactors are known per se from the prior art and are sold, for example, by the company Sartorius Stedim Biotech. The one-time use of the fermenter ensures that the fermentation process can take place under particularly hygienic conditions.

Die Erfindung kann zur Überwachung beliebiger Fermentationsprozesse eingesetzt werden. Im Folgenden wird als Beispiel eines Fermentationsprozesses die Erzeugung eines medizinischen Wirkstoffs beschrieben. Der medizinische Wirkstoff ist ein monoklonaler Antikörper, der in der Krebsimmuntherapie verwendet wird. Der Bioreaktor steuert dabei die Fermentation einer in dem Fermentationsbehälter eingebrachten Lösung, wobei der Reaktor bestimmte Parameter des Fermentationsprozesses, insbesondere die Zufuhr von Sauerstoff oder anderen Bestandteilen sowie die Temperatur des Prozesses, regelt. Der Fermentationsprozess teilt sich in einen Upstream-Prozess, der den eigentlichen Fermentationsvorgang betrifft, sowie einen Downstream-Prozess, der die Gewinnung des medizinischen Wirkstoffs aus der fermentierten Lösung betrifft. Im hier beschriebenen Beispiel wird im Rahmen des Upstream-Prozessses ein Nährmedium aus Glukose, Vitaminen, Aminosäuren und Wasser in den Fermentationsbehälter eingebracht. In das Nährmedium wird CHO-Zellkultur (CHO = Chinese Hamster Ovaries) angesetzt. Anschließend läuft die Fermentation ab, wobei der Losung im Rahmen des Fermentationsprozesses Glukose, Vitamine und Sauerstoff zugeführt werden. Die Prozesstemperatur wird bei 37°C und der PH-Wert der Lösung bei 7 gehalten. Die Prozessdauer variiert zwischen 20 und 100 Tagen. Am Ende des Upstream-Prozesses erhält man schließlich eine Ausbeute von 1 bis 5 g medizinischen Wirkstoff pro Liter des Fermentationsansatzes im Fermentationsbehälter.The invention can be used to monitor any fermentation processes. In the following, the production of a medicinal active substance will be described as an example of a fermentation process. The medicinal substance is a monoclonal antibody used in cancer immunotherapy. The bioreactor thereby controls the fermentation of a solution introduced into the fermentation vessel, wherein the reactor regulates certain parameters of the fermentation process, in particular the supply of oxygen or other components as well as the temperature of the process. The fermentation process is divided into an upstream process, which relates to the actual fermentation process, and a downstream process, which relates to the recovery of the medicinal active ingredient from the fermented solution. In the example described here, as part of the upstream process, a nutrient medium of glucose, vitamins, amino acids and water is introduced into the fermentation vessel. In the nutrient medium CHO cell culture (CHO = Chinese hamster ovaries) is set. Subsequently, the fermentation takes place, wherein the solution in the course of the fermentation process glucose, vitamins and oxygen are supplied. The process temperature is kept at 37 ° C and the pH of the solution at 7. The process duration varies between 20 and 100 days. Finally, at the end of the upstream process, a yield of 1 to 5 g of medicinal active ingredient per liter of the fermentation batch in the fermentation tank is obtained.

Anschließend folgt der Downstream-Prozess, gemäß dem eine Zentrifugation der Lösung, diverse Filtrationen (z. B. Tiefen-, Ultra-, Dia-, Kaskaden-Filtrationen), eine Chromatographie und weitere Filtrationen durchgeführt werden. Die nachfolgend beschriebene Ausführungsform der Erfindung kommt während des gesamten Upstream-Prozesses zum Einsatz und bestimmt letztendlich die Prozessdauer. Im Besonderen wird dabei gemessen, wann die Fermentation beendet wird.This is followed by the downstream process, followed by centrifugation of the solution, various filtrations (eg, deep, ultra, slide, cascade filtrations), chromatography, and further filtration. The embodiment of the invention described below is used throughout the upstream process and ultimately determines the process duration. In particular, it is measured when the fermentation is stopped.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, mit der der soeben erläuterte Fermentationsprozess überwacht werden kann. 1 shows an arrangement according to the invention, with which the just explained fermentation process can be monitored.

Dabei ist in schematischer Draufsicht der bereits oben beschriebene flexible Einweg-Fermentationsbehälter 1 gezeigt, in dem sich die Lösung L befindet, in welcher die Fermentation abläuft. Erfindungswesentlich ist nunmehr, dass im Rahmen des Fermentationsprozesses mit einem Kernspinresonanz-Spektrometer, welches auch als NMR-Spektrometer (NMR = Nuclear Magnetic Resonance) bezeichnet wird, in regelmäßigen Zeitabständen ein Kernspinresonanz-Spektrum der Lösung L im Fermentationsbehälter 1 aufgenommen wird. Das Kernspinresonanz-Spektrometer weist dabei einen an sich bekannten Aufbau auf. Es verwendet das Prinzip der Kernspinresonanz von Atomen, um hierdurch die Bestandteile der Lösung L zu ermitteln. Das Spektrometer umfasst in an sich bekannter Weise einen Elektromagneten mit den beiden Polen 301 und 302, mit dem ein homogenes Magnetfeld mit einer hohen Magnetfeldstärke, z. B. im Bereich von einem bis mehreren Tesla, generiert wird. Üblicherweise wird zur Generierung dieses Magnetfelds ein supraleitender Elektromagnet eingesetzt.Here is a schematic plan view of the above-described flexible disposable fermentation tank 1 shown in which the solution L is located, in which the fermentation takes place. It is essential to the invention that in the course of the fermentation process with a nuclear magnetic resonance spectrometer, which is also referred to as NMR spectrometer (NMR = Nuclear Magnetic Resonance), at regular intervals a nuclear magnetic resonance spectrum of the solution L in the fermentation tank 1 is recorded. The nuclear magnetic resonance spectrometer has a known structure. It uses the principle of nuclear magnetic resonance of atoms to determine the components of solution L. The spectrometer comprises in a conventional manner an electromagnet with the two poles 301 and 302 , with a homogeneous magnetic field with a high magnetic field strength, eg. B. in the range of one to several Tesla generated. Usually, a superconducting electromagnet is used to generate this magnetic field.

In das Feld des Elektromagneten wird der flexible Fermentationsbehälter 1 über eine entsprechende Öffnung im Spektrometer eingebracht. Während der Messung mit dem Kernspinresonanz-Spektrometer ist sicherzustellen, dass sich die Lösung in Ruhe befindet. Ein etwaiger vorgesehener Schütteltisch zur Vermengung des Fermentationsansatzes ist deshalb bei der Messung auszuschalten. Zur Ermittlung des Spektrums wird über eine Sendespule 4, die mittels einer Sendeeinheit 5 gesteuert wird, ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld senkrecht zu dem statischen Magnetfeld des Elektromagneten ausgesendet. In der hier beschriebenen Variante wird das Wechselfeld basierend auf kurzen Pulsen emittiert. Die Frequenz des Wechselfelds liegt dabei je nach Anwendungsfall vorzugsweise zwischen 300 und 1000 MHz. Die Pulsbandbreite der ausgesendeten Pulse ist umgekehrt proportional zur Pulsdauer. Je nach Wahl der Pulsdauer und Pulsleistung werden alle im Frequenzband des Pulses liegenden Kernspin-Übergänge von Atomen in der Lösung angeregt. In der hier beschriebenen Ausführungsform werden durch geeignete Einstellung des Wechselfeldes Kernspin-Übergänge von Protonen angeregt, d. h. es wird mit dem Spektrometer eine Protonen-Spektroskopie durchgeführt. Diese Spektroskopie ist eine Weiterentwicklung der Magnetresonanz-Tomographie und leitet sich aus der herkömmlichen NMR-Spektroskopie von in vivo Proben ab. In the field of the electromagnet is the flexible fermentation tank 1 introduced via a corresponding opening in the spectrometer. During measurement with the nuclear magnetic resonance spectrometer, ensure that the solution is at rest. Any intended shaking table for mixing the fermentation mixture is therefore to be switched off during the measurement. To determine the spectrum is via a transmitting coil 4 , by means of a transmitting unit 5 is controlled, a high-frequency alternating electromagnetic field emitted perpendicular to the static magnetic field of the electromagnet. In the variant described here, the alternating field is emitted based on short pulses. Depending on the application, the frequency of the alternating field is preferably between 300 and 1000 MHz. The pulse bandwidth of the emitted pulses is inversely proportional to the pulse duration. Depending on the choice of pulse duration and pulse power, all nuclear spin transitions in the solution in the frequency band of the pulse are excited by atoms in the solution. In the embodiment described here, by appropriate adjustment of the alternating field, nuclear spin transitions of protons are excited, ie a proton spectroscopy is carried out with the spectrometer. This spectroscopy is a further development of magnetic resonance tomography and derives from conventional NMR spectroscopy of in vivo samples.

Nach Abschaltung des hochfrequenten Feldes der Sendespule 4 oszillieren die Kernspins der Protonen mit ihrer individuellen Lamor-Frequenz kurz weiter. Die Summe dieser Oszillationen induziert in der benachbart zur Sendespule 4 angeordneten Empfangsspule 6 einen Strom. In einer der Empfangsspule zugeordneten Empfangseinheit 7 wird der gemessene Strom digitalisiert und einer Fourier-Transformation unterzogen. Auf diese Weise erhält man ein Kernspinresonanz-Spektrum der Lösung, welches einen Überwachungsparameter im Sinne der Ansprüche darstellt. In der Ausführungsform der 1 ist dabei ferner eine Auswerteeinheit 8 vorgesehen, welche basierend auf dem Spektrum bestimmte Parameter des Fermentationsprozesses beeinflusst bzw. das Ende der in Behälter 1 ablaufenden Fermentation feststellt.After switching off the high-frequency field of the transmitting coil 4 The nuclear spins of the protons continue to oscillate briefly with their individual Lamor frequency. The sum of these oscillations induced in the adjacent to the transmitting coil 4 arranged receiving coil 6 a stream. In a receiving coil associated with the receiving unit 7 the measured current is digitized and subjected to a Fourier transformation. In this way, one obtains a nuclear magnetic resonance spectrum of the solution, which represents a monitoring parameter within the meaning of the claims. In the embodiment of the 1 is also an evaluation unit 8th provided, which influences based on the spectrum certain parameters of the fermentation process or the end of the container 1 expiring fermentation.

Ein Beispiel eines Spektrums, welches mit dem MNR-Spektrometer der 1 erfasst werden kann, ist in 2 wiedergegeben. Diese Figur zeigt das Protonen-Spektrum S der Metabolite von Zellen. Metabolite sind Stoffwechsel-Zwischenprodukte in lebendem Zellgewebe. Diese Metabolite werden üblicherweise auch bei der Fermentation in Bioreaktoren erzeugt, da den Lösungen in der Regel lebende Zellkulturen zugesetzt werden. In dem Spektrum der 1 ist entlang der Abszisse in an sich bekannter Weise die Abweichung der Resonanz-Frequenzen von einer vorbestimmten Hauptfrequenz angedeutet. Diese Abweichung wird in ppm (ppm = parts per million) angegeben. Entlang der Ordinate sind die gemessenen Amplituden A aufgetragen. Die jeweiligen Peaks an den entsprechenden Frequenzen repräsentieren dabei eine resonante Anregung von Metaboliten.An example of a spectrum used with the MNR spectrometer of the 1 can be detected is in 2 played. This figure shows the proton spectrum S of the metabolites of cells. Metabolites are metabolic intermediates in living cell tissue. These metabolites are also usually produced in the fermentation in bioreactors, since the solutions are usually added to live cell cultures. In the spectrum of 1 is the abscissa in a conventional manner, the deviation of the resonance frequencies of a predetermined main frequency indicated. This deviation is given in ppm (ppm = parts per million). The measured amplitudes A are plotted along the ordinate. The respective peaks at the corresponding frequencies represent a resonant excitation of metabolites.

In dem dargestellten Spektrum S repräsentiert dabei der Peak CHO bei 3,25 ppm das Metabolit Cholin, der Peak CRE bei 2,95 ppm das Metabolit Kreatin und der Peak NAA bei 2,0 ppm das Metabolit NAA (NAA = N-Acetylaspartat). Das Spektrum enthält ferner einen sehr kleinen Peak bei 1,3 ppm, der Laktat repräsentiert. Die Position dieses Peaks ist durch Pfeil LAC angedeutet. Das Metabolit Laktat kann im erfindungsgemäßen Verfahren dazu benutzt werden, um Parameter des Fermentationsprozesses zu steuern bzw. das Ende der Fermentation festzustellen. Dies liegt daran, dass die Konzentration von Laktat ein Indikator für die Stoffwechselprozesse in Zellen ist. Laktat tritt nämlich nur dann auf, wenn die Stoffwechselprozesse anaerob (d. h. unter Sauerstoffmangel) verlaufen. Ein hoher Laktatwert bei guter Sauerstoffversorgung deutet darauf hin, dass der Zellstoffwechsel nicht mehr optimal verläuft. Demzufolge generieren Zellen vor ihrem Absterben Laktat, so dass die Laktatkonzentration ein Indikator für das Ende der Fermentation ist.In the spectrum S shown, the peak CHO at 3.25 ppm represents the metabolite choline, the peak CRE at 2.95 ppm the metabolite creatine and the peak NAA at 2.0 ppm the metabolite NAA (NAA = N-acetylaspartate). The spectrum also contains a very small peak at 1.3 ppm, which represents lactate. The position of this peak is indicated by arrow LAC. The metabolite lactate can be used in the process according to the invention to control parameters of the fermentation process or to determine the end of the fermentation. This is because the concentration of lactate is an indicator of metabolic processes in cells. Lactate occurs only when the metabolic processes are anaerobic (ie under oxygen deficiency). A high lactate value with good oxygen supply indicates that the cell metabolism is no longer optimal. As a result, cells produce lactate before they die off, so the lactate concentration is an indicator of the end of the fermentation.

Mit der Anordnung der 1 kann nunmehr aus dem Spektrum der 2 über die Auswerteeinheit 8 die Laktatkonzentration ermittelt werden. Die Konzentrationsbestimmung erfolgt hierbei dadurch, dass das Integral der Amplitude des entsprechenden Peaks über die Halbwertsbreite des Peaks gebildet wird und in das Verhältnis mit der Integration der anderen Peaks gesetzt wird, wodurch eine relative Bestimmung der Konzentration des Metabolits Laktat und auch der anderen Metabolite ermöglicht wird. Überschreitet die Konzentration von Laktat einen vorbestimmten Schwellwert, so kann dies in der Auswerteeinheit dahingehend gewertet werden, dass die Fermentation beendet ist. Im Anschluss können dann entsprechende Schritte eingeleitet werden, um zum oben beschriebenen Downstream-Prozess zur Gewinnung des medizinischen Wirkstoffs überzugehen.With the arrangement of 1 can now from the spectrum of 2 via the evaluation unit 8th the lactate concentration can be determined. The concentration is determined by forming the integral of the amplitude of the corresponding peak over the half width of the peak and placing it in proportion to the integration of the other peaks, thus allowing a relative determination of the concentration of the metabolite lactate and also of the other metabolites , If the concentration of lactate exceeds a predetermined threshold value, this can be evaluated in the evaluation unit to the effect that the fermentation has ended. Then, appropriate steps can be taken to proceed to the downstream process described above for obtaining the medical drug.

Gegebenenfalls kann bei der Messung einer erhöhten Laktatkonzentration auch zunächst versucht werden, die Prozessparameter zu verändern. Insbesondere kann die erhöhte Laktatkonzentration auch daher rühren, dass der Losung L zu wenig Sauerstoff zugeführt wird. Demzufolge kann bei einer erhöhten Laktatkonzentration in einem ersten Schritt zunächst die Zufuhr von Sauerstoff zur Lösung erhöht werden. Sollte die erhöhte Sauerstoffzufuhr zu keiner Verringerung der Laktatkonzentration führen, kann dann in einem zweiten Schritt das Ende der Fermentation festgestellt werden.Optionally, in the measurement of an increased lactate concentration, it may also be initially attempted to change the process parameters. In particular, the increased lactate concentration can also be due to the fact that the solution L is supplied with too little oxygen. Consequently, in the case of an increased lactate concentration in a first step, first the supply of oxygen to the solution can be increased. If the increased oxygen supply does not lead to a reduction in the lactate concentration, then in a second step, the end of the fermentation can be determined.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein herkömmliches NMR-Spektrometer, welches beispielsweise zur Untersuchung von menschlichem bzw. tierischem Körper genutzt wird, zur Analyse eines Fermentationsprozesses eingesetzt werden. Es ist dabei noch nicht einmal erforderlich, dass die Konzentration der Bestandteile im Fermentationsbehälter ortsaufgelöst bestimmt wird. D. h., ein homogenes Magnetfeld in Kombination mit einem elektromagnetischen Wechselfeld ist zur Durchführung der Spektroskopie ausreichend. Nichtsdestotrotz kann das Kernspinresonanz-Spektrometer gegebenenfalls auch die Konzentration der einzelnen Bestandteile ortsaufgelöst für verschiedene Volumenelemente der Losung ermitteln. Hierzu wird essin Kernspinresonanz-Spektrometer verwendet, bei dem das homogene Hauptmagnetfeld mit zusätzlichen magnetischen Gradienten überlagert wird. Solche Spektrometer sind ebenfalls aus dem medizinischen Bereich bekannt, wurden jedoch bisher nicht für die Analyse von Fermentationsprozessen verwendet.In the context of the method according to the invention, a conventional NMR spectrometer, which is used for example for the examination of human or animal body, can be used for the analysis of a fermentation process. It is not even necessary that the concentration of the components in the fermentation tank is determined in a spatially resolved manner. That is, a homogeneous magnetic field in combination with an alternating electromagnetic field is sufficient for performing the spectroscopy. Nevertheless, the nuclear magnetic resonance spectrometer may also determine the concentration of the individual constituents in a spatially resolved manner for different volume elements of the solution. For this purpose, essin nuclear magnetic resonance spectrometer is used, in which the homogeneous main magnetic field is superimposed with additional magnetic gradients. Such spectrometers are also known in the medical field, but have not hitherto been used for the analysis of fermentation processes.

Die im Vorangegangenen beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen eine Reihe von Vorteilen auf. Es wird eine direkte kontaktlose Analyse eines Fermentationsprozesses, z. B. basierend auf der Laktatkonzentration von Zellen, anhand eines Kernspinresonanz-Spektrums ermöglicht, das über ein NMR-Spektrometer erfasst wird. Hierüber kann die Vitalität der Zellen in der Losung kontrolliert werden und damit eine Steuerung des Fermentationsprozess ermöglicht werden bzw. eine Aussage zum Endzeitpunkt der Fermentation direkt getroffen werden.The embodiments of the method according to the invention described above have a number of advantages. It is a direct contactless analysis of a fermentation process, eg. Based on the lactate concentration of cells, based on a nuclear magnetic resonance spectrum, which is detected by an NMR spectrometer. By means of this the vitality of the cells in the solution can be controlled and thus a control of the fermentation process can be made possible or a statement about the end time of the fermentation can be made directly.

Das im Rahmen der Überwachung des Fermentationsprozesses verwendete NMR-Spektrometer kann einfach aufgebaut sein, denn – im Unterschied zu medizinischen Anwendungen – ist eine örtliche Auflösung der Bestandteile der Lösung, in welcher die Fermentation stattfindet, nicht unbedingt erforderlich. Insbesondere kann die Lösung im Fermentationsbehälter als homogen durchmischt angesehen werden. Ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis des mit dem Spektrometer gemessenen Spektrums kann dadurch erreicht werden, dass die Empfangsspule sehr nahe an der Flüssigkeit im Fermentationsbehälter angebracht wird. Dabei kann die Wand des Fermentationsbehälters gegebenenfalls direkt mit der Empfangsspule in Kontakt gebracht werden, d. h. der Abstand zwischen Flüssigkeit und Empfangsspule ist durch die Wandstärke des Fermentationsbehälters festgelegt.The NMR spectrometer used in the monitoring of the fermentation process can be simple, because - in contrast to medical applications - a local dissolution of the constituents of the solution in which the fermentation takes place is not absolutely necessary. In particular, the solution in the fermentation tank can be regarded as homogeneously mixed. A high signal-to-noise ratio of the spectrum measured with the spectrometer can be achieved by placing the receiver coil very close to the liquid in the fermentation tank. In this case, the wall of the fermentation container may optionally be brought into direct contact with the receiving coil, d. H. the distance between liquid and receiver coil is determined by the wall thickness of the fermentation tank.

Im Gegensatz zur Medizintechnik besteht ferner die Möglichkeit, dass ein Sendesignal mit hoher Signalstärke eingestrahlt wird, welches den für den Menschen gültigen SAR-Grenzwert von 10 W/kg (SAR = Specific Absorption Rate) überschreiten darf. Es sind somit für medizinische NMR-Spektrometer gültige Anforderungen an die Qualität des Sendefelds nicht zu beachten. Das im Rahmen der Erfindung verwendete NMR-Spektrometer kann somit vergleichsweise kostengünstig realisiert werden. Zudem lassen sich aufgrund des Messprinzips verschiedenste Bioreaktoren mit dem NMR-Spektrometer überwachen, ohne dass Änderungen an dem Spektrometer vorgenommen werden müssen.In contrast to medical technology, there is also the possibility that a transmission signal with high signal strength is irradiated, which may exceed the valid human SAR limit of 10 W / kg (SAR = Specific Absorption Rate). Thus, it is not necessary to observe the requirements for the quality of the transmission field valid for medical NMR spectrometers. The NMR spectrometer used in the invention can thus be realized relatively inexpensively. In addition, due to the measuring principle, a wide variety of bioreactors can be monitored with the NMR spectrometer without having to make any changes to the spectrometer.

Die Geschwindigkeit der Gewinnung der Analysedaten betreffend den Fermentationsprozess ist im Wesentlichen nur von der Ausführung der Signalverarbeitung bzw. Signalauswertung abhängig und kann unter Verwendung von modernen digitalen Signalverarbeitungsprozessoren in weniger als einer Sekunde erfolgen. Somit kann der Zustand eines Fermentationsprozesses in nahezu Realzeit überwacht werden.The rate of obtaining the analytical data relating to the fermentation process is essentially only dependent on the execution of the signal processing and / or signal processing, and can be accomplished in less than a second using modern digital signal processing processors. Thus, the state of a fermentation process can be monitored in near-real time.

Claims

Method for monitoring a fermentation process in which one or more monitoring parameters representing the state of the fermentation process are measured, wherein - a fermentation container ( 1 ) with solution (L) contained therein, in which a fermentation takes place, at least partially into a nuclear magnetic resonance spectrometer ( 2 ) is introduced; As a monitoring parameter, the nuclear magnetic resonance spectrum (S) of the solution (L) with the nuclear magnetic resonance spectrometer ( 2 ) is measured at one or more times; - Is determined for the nuclear magnetic resonance spectrum (S) of the solution (L) as a further monitoring parameters, whether and / or in which concentration one or more predetermined constituents in the solution (L) are present; - Is determined as a further monitoring parameter depending on the presence and / or concentration of the predetermined component (s) in the solution (L), whether the fermentation is completed, and / or depending on the presence and / or concentration of or predetermined components in the solution (L) one or more adjustment parameters of the fermentation process are automatically changed and / or a proposed change of the one or more adjustment parameters via a user interface is output.

Process according to claim 1, characterized in that the fermentation vessel ( 1 ) in the nuclear magnetic resonance spectrometer ( 2 ) is introduced, that a high-frequency signal receiving device ( 6 ) of nuclear magnetic resonance Spectrometer ( 2 ) at least in a partial area a distance of 10 mm or less from the wall of the fermentation tank ( 1 ) and in particular in at least a portion in contact with the wall of the fermentation container ( 1 ).

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the measured nuclear magnetic resonance spectrum (S) is a proton spectrum.

A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the fermentation process, a medicinal active ingredient is obtained.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that for carrying out the fermentation process, the solution (L), which forms a nutrient medium, is mixed with mammalian cells.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fermentation in a disposable fermentation tank ( 1 ), which preferably has a flexible wall.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the nuclear magnetic resonance spectrum (S) of the solution (L) is output via a user interface.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the one or more predetermined constituents are one or more metabolites.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the termination of the fermentation is determined when the concentration of the metabolite lactate in the solution (L) exceeds a predetermined value.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the or the setting parameters of the fermentation process, the supply of oxygen to the solution (L) and / or the temperature of the solution (L).

Device for monitoring a fermentation process, comprising a fermentation container ( 1 ) for filling with a solution (L), in which a fermentation takes place, and a measuring device for measuring one or more monitoring parameters representing the state of the fermentation process, the measuring device comprising a nuclear magnetic resonance spectrometer ( 2 ) into which the fermentation container ( 1 ) can be introduced with solution (L) contained therein, wherein the nuclear magnetic resonance spectrometer ( 2 ) is configured such that, in operation as a monitoring parameter, the nuclear magnetic resonance spectrum (S) of the solution (L) in the nuclear magnetic resonance spectrometer ( 2 ) introduced fermentation tank ( 1 ) measures; wherein an evaluation unit is provided, which is designed such that for the nuclear magnetic resonance spectrum (S) of the solution (L) is determined as a further monitoring parameters, if and / or in which concentration one or more predetermined constituents in the solution (L) present in which, depending on the presence and / or concentration of the predetermined component (s) in the solution (L), it is determined as a further monitoring parameter whether the fermentation has ended and / or depending on the presence and / or concentration one or more setting parameters of the fermentation process are automatically changed and / or a proposed change of the setting parameter (s) is output via a user interface.

Apparatus according to claim 11, characterized in that the device is designed such that a method according to one of claims 2 to 10 can be carried out with the device.