Hoe verwerk je een eindeloze hoeveelheid data over DNA-materiaal van micro-organismen? Tijdens haar onderzoek naar het zuiveren van industrieel afvalwater schakelde Marjet Oosterkamp de nationale supercomputer in, die het denkwerk overneemt wanneer de capaciteit van het menselijk brein en een gewone computer zijn bereikt.
Je stopt er een soep aan data in, de supercomputer gaat ermee aan de slag en levert een paar dagen later hapklare brokken aan waarmee je verder kunt puzzelen. Het klinkt simpel, maar het kostte volgens Oosterkamp toch behoorlijk wat tijd en moeite om met de supercomputer uit de voeten te kunnen.
“Het is complex omdat je met verschillende programma’s werkt, je een beperkt ‘tijdsbudget’ krijgt en precies moet aangeven waarmee de supercomputer aan de slag moet gaan en hoeveel geheugen daarvoor nodig is. Gelukkig zijn we geholpen door de ICT-manager van onze faculteit, een bio-informaticus uit Mexico en natuurlijk de experts van SURFsara, de organisatie die de supercomputer beheert.”
Optimale omstandigheden waterzuivering
Oosterkamp doet met een team wetenschappers onder de projectnaam BioXtreme onderzoek naar het vinden van een methode om industrieel afvalwater te zuiveren met micro-organismen zoals bacteriën en archaea. In een viertal membraanbioreactoren in het lab in Delft creëren ze met modelafvalwater omstandigheden waarin de micro-organismen moeilijk afbreekbare stoffen als fenolen uit het water zuiveren.
“We gebruiken modelafvalwater met een recept van componenten die veel voorkomen in de industrie”, zegt Oosterkamp. “Zo weten we precies wat er in het water zit en kunnen we alles goed analyseren. Uiteindelijk willen we wel met echt afvalwater uit de industrie werken, maar dat is een volgende stap.”
Doel van het onderzoek is om erachter te komen bij welke omstandigheden (temperatuur, zout- en melkzuurgehalte) de micro-organismen optimaal hun werk kunnen doen. Volgens Oosterkamp is er namelijk nog veel onbekend over de rol van hoge temperaturen bij afvalwaterzuivering door micro-organismen. Wat overblijft na de zuivering zijn water dat kan worden hergebruikt in de industrie en biogassen die als energiebron kunnen dienen. Een circulair systeem dus.
Van monsters tot uitgerekende data
Uit het modelafvalwater worden monsters genomen waaruit DNA-materiaal van micro-organismen wordt geïsoleerd, legt Oosterkamp uit. “Dat sturen we op naar een bedrijf in Leiden, BaseClear, dat in hun laboratorium al het materiaal opbreekt in hele kleine stukjes. Die enorme brei aan data krijgen wij weer terug.”
Vanaf haar computer in Delft stuurt ze al die gegevens naar het datacenter van SURFsara, gelegen in een 72 meter hoog gebouw op het Science Park in Amsterdam. Daar ligt verspreid over twee verdiepingen onder meer 100 kilometer aan netwerkkabel, 25 petabyte (25.000 terabyte) aan online opslag en 50 petabyte aan tape-opslag. Op het serversysteem van SURFsara voeren verschillende processoren allemaal een bepaalde taak uit. De resultaten communiceren ze naar de centrale server, die het weer terugbrengt tot een geheel van uitgerekende data.
Indrukwekkend om te zien, vond Oosterkamp toen ze eerder dit jaar een bezoekje bracht aan het datacenter. “Er staan enorme computerkasten waar de servers draaien en er zijn ingenieuze systemen voor luchtregulatie. Het is het nieuwste van het nieuwste, je mag daar ook niet zomaar komen.”
Verder puzzelen
Voor het project hadden de onderzoekers 1 terabyte werkgeheugen van SURFsara nodig. De supercomputer deed er vervolgens 400 uur (bijna 17 dagen) over om het rekenwerk uit te voeren. Nu het werk bij SURFsara erop zit, kunnen de onderzoekers met behulp van ‘gewone’ computers verder aan de slag. “We zitten in de laatste fase van het project. Het is nu een kwestie van puzzelen en uitzoeken welk DNA bij welke micro-organismen hoort, zodat we precies weten welke eigenschappen ze bezitten.”
De hulp van de supercomputer was volgens Oosterkamp essentieel om het onderzoek überhaupt te kunnen doen. “Zoveel data kan een gewone computer simpelweg niet aan of het duurt maanden voordat je wat resultaten hebt. Dat is veel te lang, zeker omdat je van tevoren niet weet of het de gewenste resultaten oplevert en je misschien opnieuw moet beginnen.”
De uitkomsten van dit project kunnen weer een basis vormen voor een volgend project, waar dezelfde proef bijvoorbeeld wordt uitgevoerd bij echt industrieel afvalwater. “Daar zullen we de supercomputer van SURFsara zeker weer bij nodig hebben. Het was heel uitdagend en interessant om met SURFsara te werken. Ik kijk al uit naar de volgende ‘samenwerking’.”
Gepubliceerd: februari 2018
Marjet Oosterkamp
Meer informatie over SURFsara's supercomputers 'Cartesius' en 'Lisa'.
Ben jij een onderzoeker aan de TU Delft en geïnteresseerd in werken met een supercomputer?
Neem contact op met een ICT-manager van jouw faculteit
Aan het onderzoek werkten naast Marjet Oosterkamp mee:
- Rob Oosterling van Civiele techniek en Geowetenschappen
- Julian Muñoz Sierra en Victor García Rea van team BioXtreme
- Henri Spanjers en Jules van Lier van Gezondheidstechniek
- Zheng Meyer-Zhao van SURFsara
