DNA-cruiser

van links naar rechts D_Allesandro, Kruize en Rahouani

Van links naar rechts: D’Allesandro, Kruize en Rahouani

Bij VHL Genetics in Wageningen staat een volledig geautomatiseerd systeem dat DNA-extracties met een enorme snelheid uit kan voeren - voor maar liefst 40.000 monsters per dag.  Want ook in laboratoria wint automatisering steeds meer terrein. 

Wie kan er beter vertellen over de meerwaarde van een geautomatiseerd proces dan de gebruiker? Precies. De DNA-cruiser - zoals de machine is gaan heten - werd als eerste in bedrijf genomen door VHL Genetics. Een Genomic service provider die in 2018 al meer dan vier miljoen niet-humane samples verwerkte.

Biotechnoloog Tom Ras is projectmanager R&D en verantwoordelijk voor de technische implementatie van de DNA-cruiser. “Ons bedrijf heeft een unieke positie in de markt als het gaat om afstammingsprofilering bij rundvee en veeteelt en genotypering voor de zaadveredeling. We bieden DNA-extractie, -analyse en genotypering en bedienen daarmee de middelgrote bedrijven die zelf geen uitgebreide laboratoriumfaciliteit in huis hebben.”

Het modulaire systeem van de DNA-cruiser is volgens Ras een baanbrekende ontwikkeling. “De snelheid is ongekend, en het aantal samples per dag dat we hiermee aankunnen is een veelvoud van wat we eerst konden verwerken. We kunnen nu een kleine vierhonderd microtiterplaten per dag hanteren, tegenover tweeëndertig per dag voorheen. Dankzij de modulaire opbouw van de cruiser kunnen functies in lijn worden uitgevoerd. Met de Kingfisher-methode kan er maar één plaat per run worden verwerkt. In de cruiser worden de processen achter elkaar uitgevoerd en kun je DNA isoleren en opschonen volgens de bead-based-extractiemethode - zoals in het kader beschreven. We zijn klaar om het echt grootschalig in te zetten.”

De DNA-cruiser werd ontwikkeld bij Synchron en Etten Leur. Hier worden maatwerk oplossingen voor laboratoriumautomatisering ontwikkeld. Derk Wilten en Niels Kruize vertellen over de realisatie van deze DNA-extractiemachine, die hun eerste complete product was.

‘Dankzij de modulaire opbouw kunnen functies in lijn worden uitgevoerd’

Wilten is directeur van Synchron: “In de basis zijn wij een softwarebedrijf. Voorheen leverden we uitsluitend het concept van de oplossing en lieten dat door een partner bouwen. We zien de complexiteit van systemen steeds verder toenemen. Toen Kruize bij ons in dienst kwam, vond hij dat we dat bouwen van de oplossing ook veel beter zelf konden doen. Hij had in Engeland goede ervaringen met Festo en stelde voor om hen bij het project te betrekken.” Wilten vertrouwde op het oordeel van Kruize, die zeer tevreden was over zijn ervaring met Festo in Engeland en voorstelde om de oplossing volledig in eigen huis op te bouwen met Festo componenten.

Acht concepten

Om het verhaal van de ontwikkeling van de machine uit de doeken te doen, schuiven nog twee andere medewerkers aan, Jaouad Rahouani en Cristian D’Alessandro. Rahouani is degene die het hele concept uitwerkte. “In totaal hebben we acht verschillende concepten uitgewerkt en dit concept bleek het beste.” Ook hij had al ervaring met Festo en de programmeertaal Codesys omdat hij in zijn opleiding vier jaar met Festo Didactic heeft gewerkt. Dus toen Kruize voorstelde om de machine op te bouwen met hun standaardcomponenten, kon Rahouani daar prima mee uit de voeten. “We hebben het simpelste concept uiteindelijk uitgewerkt. Dit is serieel opgebouwd en modulair in te richten. De vertragingen in de schakelingen zijn verwaarloosbaar kort.”

D’Alessandro gaf feedback op het ontwerp van Rahouani en onderzocht de haalbaarheid van het uiteindelijke concept. “Daarbij hebben we goed gekeken naar de liquid handling en de duale koppen. We kregen uitgebreide support van Festo, al in de conceptfase. Veel zaken konden we bij hen uittesten met verschillende functieblokken en de communicatie via het Ethercat-protocol. Het ondersteunende team van Festo, het EASi3-team heeft daarbij een groot verschil gemaakt.”

Bert Baas van Festo is ook aangeschoven en vertelt hoe dat EASi3-team - spreek uit als iezie-drie-team - een echte meerwaarde oplevert. “Bij Festo werd dat team een paar jaar geleden opgericht omdat de directeur van Festo Nederland - Dennis van Beers, zag dat er een behoefte bij de klanten was ontstaan voor een dergelijke intensieve ondersteuning. Hij heeft zich hard gemaakt voor de oprichting van dit team. Zij hebben gedurende de hele ontwikkeling van deze extractiemachine klaargestaan voor ondersteuning. Zo waren ze bijvoorbeeld van mening dat de inzet van de nieuwe CPX-E unit hier een echte meerwaarde zou kunnen bieden. Ze hebben ervoor gezorgd dat deze al voordat hij eigenlijk op de markt was, in dit project is toegepast. De CPX-E is ontwikkeld als remote I/O-systeem of plc met EtherCat master controller én motion controller. Gecombineerd met de elektrische aandrijvingen én besturingen van Festo is hier dus echt sprake van een noviteit.”

Achteraanzicht van een spoelstation

De DNA-extractiemachine

Het proces dat de machine uitvoert, wordt gebruikt in de agro-industrie - bij de plantenveredeling. Uit plantaardig materiaal wordt DNA geëxtraheerd.

Als eerste wordt het plantaardige materiaal vergruisd door het te schudden met kleine metalen bolletjes. Hierdoor ontstaat er een moleculensoep. Om het DNA van het overige materiaal in de soep te scheiden, worden metalen microbolletjes in de soep gebracht. Het DNA hecht zich aan die microbolletjes, het overige materiaal blijft los in de microtiterplaten aanwezig. In verschillende stations wordt vloeistof gespoten en afgezogen tot er schoon DNA-materiaal resteert.

De microtiterplaten worden automatisch op carriers geplaatst die op een carrousel langs de verschillende stations worden geleid. Pipetteertips worden automatisch gewisseld en de metalen bolletjes ingevoerd. Een plaat met 96 monsters doet er twintig minuten over van begin tot eind, iedere 2,5 minuut volgt een nieuwe.

Optimalisaties

Terug naar Wilten, over de ontwikkeling: “We stimuleren onze mensen om niet alleen maar na te denken over de grote lijnen, maar ook in het klein de verbeteringen en optimalisaties te zoeken. Een robot wordt steeds meer een commodity. De laboratoriumtoepassingen daarvoor zitten tussen de consumenten- en de industriële toepassingen. Er is in deze branche geen sprake van 24/7 productie en dat zie je terug in de componenten en de opbouw van oplossingen. Maar Festo is wel degelijk gericht op Industrie 4.0, optimale beschikbaarheid, service en preventief onderhoud.” De extractiemachine draait nu acht uur continu, maar kan ook 24 uur draaien. De capaciteit van deze machine is op dit moment al acht keer groter dan wat er in de markt verkrijgbaar is.

‘We hebben hoge verwachtingen van pipetteerrobots en high-throughput opslagsystemen’

Kruize haakt hier direct op in. “De volgende stap is dat we remote willen kunnen monitoren. We kijken daarbij naar augmented reality bijvoorbeeld met gebruik van Google Glass. Daarmee is bij de industriële automatisering ondertussen al de nodige ervaring opgedaan en ook wij zien daar de meerwaarde van. We hebben hoge verwachtingen van pipetteerrobots en high-throughput opslagsystemen. Niemand gebruikt nog conveyors in laboratoria, we hebben eigenlijk een hele kleine fabriek gemaakt. Laatst had een klant een geweldige quote, die zei letterlijk ‘dit is zo mooi en tegelijk zo simpel, je begrijp niet waarom dit nog niet eerder is bedacht’. En dat is eigenlijk gelijk een bewijs van de ingeniositeit en een perfect voorbeeld van een combinatie van industriële en laboratoriumautomatisering.” En ook D’Allessandro doet nog een duit in het zakje: “Het concept is simpel maar er zit heel veel aandacht in de details.”

Grenzen opzoeken

D’Allessandro: ”We hebben de hardware van de machine opgedeeld in functies en iedere functie zo efficiënt en simpel mogelijk ingericht. De kleine fabriek is voorzien van seriële stations in plaats van parallelle. Er is een constant bewegen en positioneren van platen, pipetteer- spoel- en wasstations.” Rahouani is onder de indruk van het feit dat de componenten ook echt plug&play zijn. “We zoeken de grenzen van de componenten op en tijdens de samenwerking maken we elkaar beter.”

Kruize is blij dat zijn vertrouwen in de samenwerking terecht bleek. “Dat biedt voor ons veel toegevoegde waarde. We zien het dan ook wederzijds echt als een partnerschap. Zonder steeds vragen en facturen maar gewoon met actie. Het is voor beide partijen een nieuw project met voor ons ook nog eens een nieuwe communicatietechniek. We leren van elkaar en kijken naar de toekomst, naar wat de volgende stap zou kunnen zijn.” Baas van Festo: “We bespreken met Synchron de nieuwe technologieën en sorteren voor op de mogelijkheden die we daarmee hebben.”

Synchron had 6 maanden nodig om het concept uit te werken en vervolgens is de machine in 4 tot 6 weken opgebouwd. D’Allessandro: “Tijdens de bouw ondervonden we nul kritische fouten. De gezamenlijke voorbereiding heeft daar echt belangrijk veel aan bijgedragen!”

De carrousel en drie stations in lijn. Op de achtergrond de laadstations met microtiterplaten. (2) De carrousel en drie stations in lijn. Op de achtergrond de laadstations met microtiterplaten.

Het gehele proces kan via een app op een smartphone worden bestuurd. Het gehele proces kan via een app op een smartphone worden bestuurd.

Verlengstuk

“Je moet niet zelf opnieuw het wiel uitvinden. Iedere keer iets nieuws bedenken als oplossing, is vragen om fouten,” licht Kruize toe. “Festo is een grote partner met wereldwijde componentenleveranciers, maar ook service en support. Ze hebben een deel van het denkwerk van ons overgenomen. Wat heel prettig is, is dat zij in veel verschillende markten werken. Daardoor denken ze heel makkelijk out-of-the-box. En dat is heel prettig gebleken.” Synchron levert wereldwijd en is dus erg gecharmeerd van een partner die net zo snel onderdelen in Duitsland als in Singapore kan leveren. Wilten was in eerste instantie nog wel een beetje huiverig om met zo’n grote organisatie in zee te gaan. “In de praktijk is me dat 100% meegevallen. In de day-to-day-support werken ze precies als Synchron. Ik zou zelfs durven zeggen dat ze een verlengstuk van onze organisatie zijn geworden. Het voelt heel vanzelfsprekend, maar het is ook erg prettig dat je samenwerkt met een partner die gelooft in het project.”

Testpilots

Over samenwerking gesproken. De gebruiker, waar we dit verhaal mee begonnen, werkt weer samen met Synchron waarbij potentiële klanten bij VHL kunnen testen of de machine voldoet aan de wensen. Tom Ras van VHL: “We verzorgen hier demonstraties voor Synchron en werken samen met hen aan de systeemoptimalisatie voor hun klanten. We voeren testpilots uit en tonen aan dat het proces succesvol verloopt. Het is immers een compleet nieuw systeem, dus dat je het in de praktijk kunt laten aantonen, is van grote meerwaarde. Bovendien kunnen klanten eerst bij ons outsourcen en als ze uiteindelijk de volledige capaciteit in eigen huis willen hebben, kopen ze zelf een machine. Is de branche is veel samenwerking, ook op het gebied van capaciteit. Daar kunnen we nu dus een belangrijke service bieden.” Inmiddels heeft deze samenwerking al geleid tot de aanschaf van enkele DNA-cruisers.

Lees ook
Trending Topics in Food & Beverage tijdens vakbeurs World of Technology & Science

Trending Topics in Food & Beverage tijdens vakbeurs World of Technology & Science

De Nederlandse brancheorganisatie voor Laboratorium Technologie FHI besteedt tijdens de vakbeurs World of Technology & Science aandacht aan de Trending Topics in Food & Beverage. Op 4 oktober is het seminar Trending Topics in Food & Beverage. En op alle beursdagen kunnen bezoekers terecht bij het beursproject X-pedition Trending Topics in...

NVWA onder vuur vanwege ICT

NVWA onder vuur vanwege ICT

Opnieuw ligt de Nederlandse Voedsel- en Warenautoriteit (NVWA) onder vuur. Dit keer omdat het vernieuwen van de ICT-systemen fors duurder uitvalt en ook nog eens langer duurt dan verwacht. Minister Carola Schouten zet het BIT aan het werk. Door Cécile Janssen - Foodlog 14 juni debatteerde de Tweede Kamer over de brief die minister Carola Schouten (Landbouw,...

Zwanenberg Oss kiest voor FOBIS®ERP van RBK Group

Zwanenberg Oss kiest voor FOBIS®ERP van RBK Group

Na de overname van de Unilever fabriek in Oss door Zwanenberg Food Group, was er behoeft aan nieuwe automatisering. Het huidige systeem van Unilever dient op korte termijn vervangen te worden. Door de goede ervaringen op de andere vestigingen met het automatiseringssysteem FOBIS® en de snelle implementatie methodiek van RBK Group viel de keuze al snel...