1 Stratégie antibiofilms via la technique LBL appliquée aux membranes échangeuses de protons (MEP) Maxime Pontié*, Jack Legrand GDR PROBBE, La Calanque,

1

Stratégie antibiofilms via la technique LBL appliquée Stratégie antibiofilms via la technique LBL appliquée aux membranes échangeuses de protons (MEP)aux membranes échangeuses de protons (MEP)

Maxime Pontié*, Jack Legrand

GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

www.gepea.fr

GEPEASt Nazaire

*E-mail : [email protected] Membrane échangeuse de Protons et Biofilm Marin, Lasquellec V., Pontié M., J. Water

Sci., (2007) 20 (2) 175-183

Laboratoire GEPEA, UMR-CNRS 6144, 37 Bd. de l’université, St Nazaire

10 m

2

- Membrane et Biofilms

- Autopsie des membranes

- Choix d’une MEP

- Stratégie ANTIBIOFILMS

- Conclusion et perspectives

- Remerciements

SommaireSommaire


3

ADHÉSION

Membrane

Pores de la membrane

microorganisme

Composés du milieu à traiter (acides humiques, protéines, exopolysaccharides…)

= ADHÉRENCE

+

- Effets électrostatiques

- liaisons hydrogènes

- Hydrophilie / hydrophobie

Composition chimique :

Rugosité et porosité

Membranes et BiofilmsMembranes et Biofilms


4 4D’après A. Bergel, LGC, in Le Journal du CNRS, janvier 2004


BIOPILE et MEPBIOPILE et MEP

biofilms

5 5


ULTRAMICROELECTRODES et MEPULTRAMICROELECTRODES et MEP

Fibre nue

Fibre modifiée Nafion©

-SO3-

-SO3-

I. Tapsoba, Electroanalysis, (2010)

Encrassement bactérien de la fibre de carbone

6

Stack d’ED à 2 compartiments (100 membranes)


Electrodialyse et dessalementElectrodialyse et dessalement de l’eau de mer (EDM)de l’eau de mer (EDM)

Cellule unitaire d’électrodialyse (ED)

MEC MEA

+-

Solution d’EDM

Na+Cl-

H2O

F. Quemeneur, Desalination (2002)

7

Ra=20 nm

La morphologie change, des bactéries et des amas de particules sont observées

Ra= 97 nm

1 m1 m

Autopsie des membranesAutopsie des membranes

Neuve Usée

(FESEM, 3 keV; d=16 cm)

Pontié M., Desalination (2010)

La topographie

change aussi.


Micro-analyse X Cristaux de Fe203

8

Neuve

Usagée (10 ans d’utilisationen ELECTRODIALYSE)

Usagée (2 ans, stockage)


Pontié M., Legrand J., Membrane Water Treatment, 2011 (soumis)

Biofilms et vieillissement des MEPBiofilms et vieillissement des MEP

9 9

Au choix 2 membranes

CMX Nafion© 117

2 Critères de choix : la plus échangeuse de cations, la plus perméable aux sels.


Choix de la membrane MEPChoix de la membrane MEP

10

ECSECS

mV

Membrane

KNO3 O.1 MKNO3 O.1 M

Solution LiCl (C1: variable)

Solution LiCl (C2: fixe)

∆Φ = (RT/F) (1-2 t+) Ln(C1/C2)

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 KF = 96500 C.mol-1

Pile de concentration= Cellule de Hittorf

Membrane CMX Nafion© 117

tLi+ 0.02 0.92 0.89

Mesures de nombres de transport de LiMesures de nombres de transport de Li+ + en statique en statique


11

Sonde conductimétrique

Membrane

Eau ultra pureSolution NaCl 0.6 M

Le flux de diffusion (Js) peut être obtenu par la mesure de la conductivité au cours du temps :

=k*S*Js*t/V2

avec: : conductivité (S/cm) k : constante S : surface effective de la membrane (m2 ) (S=9.5 10-5 m2) V2 : volume du compartiment dilué (m3)

(V2 = 25 10-6 m3)

Mesures de flux de diffusion de NaClMesures de flux de diffusion de NaCl

Membrane CMX Nafion© 117(Js 0.3)*106

(mol.m-2.s-1)1.1 3.1


T=293 K

12

Membrane Membrane Membrane Membrane

Modification de la membranepar des polyélectrolytesdéposés selon la technique du Layer-by-layer (LbL), A

Développement d’un biofilm

Régénération de la surface de la membrane (solution de NaCl concentrée)

Membrane Membrane

Cycle de stratégie « antibiofilms » en 3 étapesCycle de stratégie « antibiofilms » en 3 étapes

3

21


13

Membrane chargée négativement

Polyélectrolyte cationique

Zone d’attraction électrostatique

Appariement des ions à la surface

Elimination des contre-ions

Déformation de la chaînedu polyélectrolyte et confinement

Rinçage à l’eau pure3-

1-

2-

PDADMAC

Nguyen T.Q., Pontié M., J. Memb. Sci. (2004)

Principe de la technique « LbL » (Principe de la technique « LbL » (layer-by-layerlayer-by-layer))


14

AN69 AN69mod PDADMAC

3 j.

6,5 j.

Images 2D-FESEM (x 2000) (3 keV; d=16 cm)

T

em

ps

d’im

mers

ion

dan

s l’eau

de m

er

10 m

AN69 régénérée

Stratégie antibiofilm et biofilm marinStratégie antibiofilm et biofilm marin

Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci, (2007)GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

MembraneAN69

15

Recyclabilité de L’AN69Recyclabilité de L’AN69

GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci, (2007)

1616

3. Modification par PDADMAC et PSS : dépôt du bicoucheDépôt d’un « bilayer » de PDADMAC/PSS sur MEPDépôt d’un « bilayer » de PDADMAC/PSS sur MEP


Pontié M., Legrand J., Membrane Water Treatment, 2011 (soumis)

17

Membrane Nafion© 117 vierge

Nafion© 117 modifiée par le

bicouche

Nafion© 117 régénérée

(Js ± 0.3) *106

(mol.m-2.s-1)

1.7 1.4 1.6

17

Membrane Nafion© 117 vierge

Nafion© 117 modifiée par le bicouche

Nafion© 117 régénérée

tLi+ ± 0.02 0.89 0.87 0.93

Bonne efficacité de la stratégie antibiofilm par la détermination du nombre de transport et du flux de diffusion

Protocole de stratégie antibiofilms validé sans biofilm

Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (1)Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (1)


1818

Bactérie : Pseudomonas putida

Elaboration du BiofilmElaboration du Biofilm

Souche bactérienneSouche de Pseudomonas Putida (DSM 50026)Bacilles à Gram négatif, oxydase + Aérobies strictesCultivable à partir de 30 °C

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)

MEP

Solution bactérienne

19Protocole de stratégie antibiofilms validé avec biofilm

Membrane Membrane

vierge

Membrane

régénérée

tLi+ ± 0.02 0.89 0.92

(Js ± 0.3)*106

(mol.m-2.s-1)

1.7 1.6

Récupération complète des propriétés physico-chimiques de la membrane après régénération

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

t (Li+)

Js (mol.m-2.s-1)

0 5 10 15

Time (days)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

t (Li+)

Js (mol.m-2.s-1)

t (Li+)

Js (mol.m-2.s-1)

0 5 10 15

Time (days)

Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (2)Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (2)


20

Membrane Membrane Membrane Membrane

Modification de la membranepar des polyélectrolytesdéposés selon la technique du Layer-by-layer (LbL)

Développement du biofilm

Régénération de la surface de la membrane

Membrane Membrane

Cycle de stratégie « antibiofilms » et Cycle de stratégie « antibiofilms » et AFMAFM

3

21


Protocole de stratégie antibiofilm validé

21

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…

Conclusions et perspectivesConclusions et perspectives


Nguyen T.Q., J. Memb. Sci. (2004)

22

Projet Jeunes Chercheurs n°4052 (2002)LECIME (UMR CNRS 7575) à Chimie ParisTech

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.

RemerciementsRemerciements


MARC ROUSSET, L’ORGANISATEUR DU GDR PROBBE,SES ANIMATEURS ET ANIMATRCSES

Contact : [email protected]

www.gepea.fr

GEPEASt Nazaire

http://www.agence-nationale-recherche.fr/

http://www.chimie-paristech.fr/

23

Annexe

24

Pour les MEC homopolaires il est possible d’améliorer l’accroissement de la sélectivité monovalents/divalents

:

MEC modifiée

-M2+

H+

MEC modifiée

--M2+

H+

Accroissement de la sélectivité des MEC par modification de surface via un polyélectrolyte cationique

Changement de sélectivité des MEPChangement de sélectivité des MEP


G. Pourcelly dans l’ouvrage « Membranes et Electrochimie », Opus n°4 du Club Français des Membranes, dirigé par M. Pontié et C. Larchet , juillet 2008

Documents

1 Stratégie antibiofilms via la technique LBL appliquée aux membranes échangeuses de protons (MEP) Maxime Pontié*, Jack Legrand GDR PROBBE, La Calanque,