Stratgie antibiofilms via la technique LBL applique aux
Stratégie antibiofilms via la technique LBL appliquée aux membranes échangeuses de protons (MEP) Maxime Pontié*, Jack Legrand Laboratoire GEPEA, UMR-CNRS 6144, 37 Bd. de l’université, St Nazaire GEPEA St Nazaire 10 mm Membrane échangeuse de www. gepea. fr Protons et Biofilm Marin, *E-mail. V. , : maxime. pontie@univ-angers. fr Lasquellec Pontié M. , J. Water Sci. , (2007) 20 (2) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011 175 -183 1
Sommaire - Membrane et Biofilms - Autopsie des membranes - Choix d’une MEP - Stratégie ANTIBIOFILMS - Conclusion et perspectives - Remerciements 2 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Membranes et Biofilms Rugosité et porosité Composition chimique : - Hydrophilie / hydrophobie - Effets électrostatiques = ADHÉRENCE + ADHÉSION - liaisons hydrogènes Composés du milieu à traiter (acides humiques, protéines, exopolysaccharides…) microorganisme Membrane Pores de la membrane 3 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
BIOPILE et MEP biofilms D’après A. Bergel, LGC, in Le Journal du CNRS, janvier 2004 44 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
ULTRAMICROELECTRODES et MEP Fibre nue -SO 3 - Fibre modifiée Nafion© Encrassement bactérien de la fibre de carbone I. Tapsoba, Electroanalysis, (2010) 55 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Electrodialyse et dessalement de l’eau de mer (EDM) Solution d’EDM + Na+ Cl- MEC MEA H 2 O Cellule unitaire d’électrodialyse (ED) Stack d’ED à 2 compartiments (100 membranes) F. Quemeneur, Desalination (2002) 6 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Autopsie des membranes Micro-analyse X Cristaux de Fe 203 1 mm (FESEM, 3 ke. V; d=16 cm) La morphologie change, des bactéries et des amas de particules sont observées Neuve Usée Ra=20 nm Ra= 97 nm Pontié M. , Desalination (2010) La topographie change aussi. 7 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Biofilms et vieillissement des MEP Usagée (2 ans, stockage) Usagée (10 ans d’utilisation en ELECTRODIALYSE) Neuve Pontié M. , Legrand J. , Membrane Water Treatment, 2011 (soumis) 8 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Choix de la membrane MEP v Au choix 2 membranes CMX Nafion© 117 2 Critères de choix : la plus échangeuse de cations, la plus perméable aux sels. 99 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Mesures de nombres de transport de Li+ en statique m. V KNO 3 O. 1 M Solution Li. Cl (C 2: fixe) Solution Li. Cl (C 1: variable) Membrane Pile de concentration = Cellule de Hittorf ∆Φ = (RT/F) (1 -2 t+) Ln(C 1/C 2) Avec: ∆ Φ : différence de potentiel de membrane (V) t+ : nombre de transport de l’ion Li+ R = 8. 314 J. mol-1. K-1 T = 293 K F = 96500 C. mol-1 ΔΦ (V) ECS 0, 05 0, 04 0, 035 0, 03 0, 025 0, 02 0, 015 0, 01 0, 005 0 ΔΦ=f(Ln(C 1/C 2)) R 2 = 0, 9981 0 0, 5 1 1, 5 Ln (C 1/C 2) Membrane CMX Nafion© 117 t. Li+ 0. 02 0. 92 0. 89 2 2, 5 10 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Mesures de flux de diffusion de Na. Cl Sonde conductimétrique §Le flux de diffusion (Js) peut être obtenu par la mesure de la conductivité au cours du temps : =k*S*Js*t/V 2 Solution Na. Cl 0. 6 M Χ( µS/cm) T=293 K Eau ultra pure avec: : conductivité ( S/cm) k : constante S : surface effective de la membrane (m 2 ) (S=9. 5 10 -5 m 2) V 2 : volume du compartiment dilué (m 3) (V 2 = 25 10 -6 m 3) Membrane 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 χ=f(t) R 2 = 0, 9997 0 Membrane (Js 0. 3)*106 (mol. m-2. s-1) 10 20 30 40 t (min) CMX Nafion© 117 1. 1 3. 1 50 60 70 11 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Cycle de stratégie « antibiofilms » en 3 étapes Régénération de la surface de la membrane (solution de Na. Cl concentrée) 3 Membrane Développement d’un biofilm 1 Modification de la membrane par des polyélectrolytes déposés selon la technique du Layer-by-layer (Lb. L), A 2 Membrane 12 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Principe de la technique « Lb. L » (layer-bylayer) 3 - Rinçage à l’eau pure 1 - PDADMAC Elimination des contre-ions 2 Polyélectrolyte cationique Zone d’attraction électrostatique Membrane chargée négativement Déformation de la chaîne du polyélectrolyte et confinement Appariement des ions à la surface Nguyen T. Q. , Pontié M. , J. Memb. Sci. (2004) 13 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Stratégie antibiofilm et biofilm marin Temps d’immersion dans l’eau de mer Membrane AN 69 Images 2 D-FESEM (x 2000) (3 ke. V; d=16 cm) AN 69 10 AN 69 mod m PDADMAC 3 j. 6, 5 j. AN 69 régénérée Lasquellec V. , Pontié M. , J. Water Sci, (2007) 14 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Recyclabilité de L’AN 69 Lasquellec V. , Pontié M. , J. Water Sci, (2007) 15 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Dépôt d’un « bilayer » de PDADMAC/PSS sur 3. Modification par PDADMAC et PSS : dépôt du bicouche MEP Pontié M. , Legrand J. , Membrane Water Treatment, 2011 (soumis) 1616 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Validation du cycle de stratégie « antibiofilms (1)Nafion© 117 Membrane Nafion© 117 Nafion©» 117 t. Li+ ± 0. 02 vierge modifiée par le bicouche régénérée 0. 89 0. 87 0. 93 Membrane Nafion© 117 vierge Nafion© 117 modifiée par le bicouche Nafion© 117 régénérée (Js ± 0. 3) *106 1. 7 1. 4 1. 6 (mol. m-2. s-1) Protocole de stratégie antibiofilms validé sans biofilm 17 17 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Elaboration du Biofilm Bactérie : Pseudomonas putida Souche bactérienne Souche de Pseudomonas Putida (DSM 50026) Bacilles à Gram négatif, oxydase + Aérobies strictes Cultivable à partir de 30 °C MEP Pseudomonas Putida a été cultivé sur milieu Tryptone Caséine Soja et incubé à 37 °C. La turbidité de la solution à t=0 est de 3 NTU, après 1 semaine 40 NTU (valeur stabilisée) Solution bactérienne 1818
Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (2) Membrane vierge régénérée t. Li+ ± 0. 02 0. 89 0. 92 (Js ± 0. 3)*106 1. 7 1. 6 (mol. m-2. s-1) ü Récupération complète des propriétés physico-chimiques de la membrane après régénération Protocole de stratégie antibiofilms validé avec biofilm 19 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Cycle de stratégie « antibiofilms » et AFM Régénération de la surface de la membrane 3 Membrane Développement du biofilm 1 Modification de la membrane par des polyélectrolytes déposés selon la technique du Layer-by-layer (Lb. L) 2 Membrane Protocole de stratégie antibiofilm validé 20 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Conclusions et perspectives O La stratégie antibiofilms LBL marche pour la membrane Nafion© 117 avec le bicouche PDADMAC/PSS et un biofilm de pseudomonas putida de 14 jours ; O Le suivi par Js et AFM des 3 étapes du cycle antibiofilm marche O le nombre de transport de Li+ n’est pas assez sensible O Reste à valider la répétition des cycles et l’adaptation dans une biopile… Nguyen T. Q. , J. Memb. Sci. (2004) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011 21
Remerciements MARC ROUSSET, L’ORGANISATEUR DU GDR PROBBE, SES ANIMATEURS ET ANIMATRCSES Projet Jeunes Chercheurs n° 4052 (2002) LECIME (UMR CNRS 7575) à Chimie Paris. Tech GEPEA St Nazaire www. gepea. fr Contact : maxime. pontie@univ-angers. fr Le Fond National de la Science (FNDS) ACI-JC n° 4052 (2002) et de jeunes collaborateurs : K. KECILI, A. ELANA, H. ESSIS-TOME, F. DE NARDI, S. BEN REJEB et E. LAURY et ainsi que Gérald THOUAND pour la fourniture de la souche bactérienne. 22 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
Annexe 23
Changement de sélectivité des MEP Pour les MEC homopolaires il est possible d’améliorer l’accroissement de la sélectivité monovalents/divalents : MEC modifiée H+ M 2+ - Accroissement de la sélectivité des MEC par modification de surface via un polyélectrolyte cationique G. Pourcelly dans l’ouvrage « Membranes et Electrochimie » , Opus n° 4 du Club Français des Membranes, dirigé par M. Pontié et C. Larchet , juillet 24 2008 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11 -1/12 2011
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