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

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1 1 Stratégie antibiofilms via la technique LBL appliquée aux membranes échangeuses de protons (MEP) Maxime Pontié*, Jack Legrand GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ GEPEA St Nazaire * Membrane échangeuse de Protons et Biofilm Marin, Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci., (2007) 20 (2) Laboratoire GEPEA, UMR-CNRS 6144, 37 Bd. de luniversité, St Nazaire 10 m

2 2 - Membrane et Biofilms - Autopsie des membranes - Choix dune MEP - Stratégie ANTIBIOFILMS - Conclusion et perspectives - Remerciements Sommaire GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/

3 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 Biofilms Membranes et Biofilms GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/

4 4 4 Daprès A. Bergel, LGC, in Le Journal du CNRS, janvier 2004 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ BIOPILE et MEP biofilms

5 5 5 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ ULTRAMICROELECTRODES et MEP Fibre nue Fibre modifiée Nafion © -SO 3 - I. Tapsoba, Electroanalysis, (2010) Encrassement bactérien de la fibre de carbone

6 6 Stack dED à 2 compartiments (100 membranes) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Electrodialyse et dessalement Electrodialyse et dessalement de leau de mer (EDM) de leau de mer (EDM) Cellule unitaire délectrodialyse (ED) MEC MEA + - Solution dEDM Na + Cl - H2OH2O F. Quemeneur, Desalination (2002)

7 7 Ra=20 nm La morphologie change, des bactéries et des amas de particules sont observées Ra= 97 nm 1 m Autopsie des membranes NeuveUsée (FESEM, 3 keV; d=16 cm) Pontié M., Desalination (2010) La topographie change aussi. GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Micro-analyse X Cristaux de Fe 2 0 3

8 8 Neuve Usagée (10 ans dutilisation en ELECTRODIALYSE) Usagée (2 ans, stockage) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Pontié M., Legrand J., Membrane Water Treatment, 2011 (soumis) Biofilms et vieillissement des MEP

9 9 9 Au choix 2 membranes CMX Nafion © Critères de choix : la plus échangeuse de cations, la plus perméable aux sels. GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Choix de la membrane MEP Choix de la membrane MEP

10 10 ECS mV Membrane KNO 3 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 lion Li + R = J.mol -1.K -1 T = 293 K F = C.mol -1 Pile de concentration = Cellule de Hittorf MembraneCMXNafion © 117 t Li Mesures de nombres de transport de Li + en statique GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/

11 11 Sonde conductimétrique Membrane Eau ultra pure Solution NaCl 0.6 M Le flux de diffusion (J s ) peut être obtenu par la mesure de la conductivité au cours du temps : =k*S* J s *t/V 2 avec: : conductivité ( S/cm) k : constante S : surface effective de la membrane (m 2 ) (S= m 2 ) V 2 : volume du compartiment dilué (m 3 ) (V 2 = m 3 ) Mesures de flux de diffusion de NaCl MembraneCMXNafion © 117 (J s 0.3)*10 6 (mol.m -2.s -1 ) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ T=293 K

12 12Membrane Membrane Modification de la membrane par des polyélectrolytes déposés selon la technique du Layer-by-layer (LbL), AA Développement dun biofilm Régénération de la surface de la membrane (solution de NaCl concentrée)Membrane Cycle de stratégie « antibiofilms » en 3 étapes 321 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/

13 13 Membrane chargée négativement Polyélectrolyte cationique Zone dattraction électrostatique Appariement des ions à la surface Elimination des contre-ionsDéformation de la chaîne du polyélectrolyte et confinement Rinçage à leau pure PDADMAC Nguyen T.Q., Pontié M., J. Memb. Sci. (2004) Principe de la technique « LbL » (layer-by-layer) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/

14 14 AN69 AN69mod PDADMAC 3 j. 6,5 j. Images 2D-FESEM (x 2000) (3 keV; d=16 cm) Temps dimmersion dans leau de mer 10 m AN69 régénérée Stratégie antibiofilm et biofilm marin Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci, (2007) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Membrane AN69

15 15 Recyclabilité de LAN69 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci, (2007)

16 16 3.Modification par PDADMAC et PSS : dépôt du bicouche Dépôt dun « bilayer » de PDADMAC/PSS sur MEP GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Pontié M., Legrand J., Membrane Water Treatment, 2011 (soumis)

17 17 Membrane Nafion© 117 vierge Nafion© 117 modifiée par le bicouche Nafion© 117 régénérée (J s ± 0.3) *10 6 (mol.m -2.s -1 ) Membrane Nafion© 117 vierge Nafion© 117 modifiée par le bicouche Nafion© 117 régénérée t Li + ± 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) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/

18 18 Bactérie : Pseudomonas putida Elaboration du Biofilm Souche bactérienne Souche de Pseudomonas Putida (DSM 50026) Bacilles à Gram négatif, oxydase + Aérobies strictes Cultivable 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

19 19 Protocole de stratégie antibiofilms validé avec biofilm Membrane Membrane vierge Membrane régénérée t Li + ± (J s ± 0.3)*10 6 (mol.m -2.s -1 ) Récupération complète des propriétés physico-chimiques de la membrane après régénération Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (2) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/

20 20Membrane Membrane Modification de la membrane par des polyélectrolytes déposés selon la technique du Layer-by-layer (LbL) Développement du biofilm Régénération de la surface de la membraneMembrane Cycle de stratégie « antibiofilms » et AFM 321 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Protocole de stratégie antibiofilm validé

21 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 J s et AFM des 3 étapes du cycle antibiofilm marche O le nombre de transport de Li + nest pas assez sensible O Reste à valider la répétition des cycles et ladaptation dans une biopile… Conclusions et perspectives GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ Nguyen T.Q., J. Memb. Sci. (2004)

22 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. Remerciements GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ MARC ROUSSET, LORGANISATEUR DU GDR PROBBE, SES ANIMATEURS ET ANIMATRCSES Contact : GEPEA St Nazaire

23 23 Annexe

24 24 Pour les MEC homopolaires il est possible daméliorer laccroissement de la sélectivité monovalents/divalents : MEC modifiée - M 2+ H + MEC modifiée -- M 2+ H + Accroissement de la sélectivité des MEC par modification de surface via un polyélectrolyte cationique Changement de sélectivité des MEP GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/ G. Pourcelly dans louvrage « Membranes et Electrochimie », Opus n°4 du Club Français des Membranes, dirigé par M. Pontié et C. Larchet, juillet 2008


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