Maxime Pontié*, Jack Legrand 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 www.gepea.fr *E-mail : maxime.pontie@univ-angers.fr Membrane échangeuse de Protons et Biofilm Marin, Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci., (2007) 20 (2) 175-183 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011 1 1

GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011 Sommaire Membrane et Biofilms Autopsie des membranes Choix d’une MEP Stratégie ANTIBIOFILMS Conclusion et perspectives Remerciements GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011 Membranes et Biofilms Rugosité et porosité - Effets électrostatiques - liaisons hydrogènes = ADHÉRENCE + Hydrophilie / hydrophobie Composition chimique : ADHÉSION Composés du milieu à traiter (acides humiques, protéines, exopolysaccharides…) microorganisme Membrane Pores de la membrane 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 4 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

ULTRAMICROELECTRODES et MEP I. Tapsoba, Electroanalysis, (2010) Fibre nue -SO3- -SO3- Encrassement bactérien de la fibre de carbone Fibre modifiée Nafion© 5 I. Tapsoba, Electroanalysis, (2010) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Electrodialyse et dessalement F. Quemeneur, Desalination (2002) de l’eau de mer (EDM) Solution d’EDM - + Na+ Cl- MEC MEA H2O Cellule unitaire d’électrodialyse (ED) Stack d’ED à 2 compartiments (100 membranes) F. Quemeneur, Desalination (2002) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Autopsie des membranes Micro-analyse X  Cristaux de Fe203 1 mm 1 mm (FESEM, 3 keV; d=16 cm) La morphologie change, des bactéries et des amas de particules sont observées Neuve Usée La topographie change aussi. Ra=20 nm Ra= 97 nm Pontié M., Desalination (2010) 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) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Choix de la membrane MEP Au choix 2 membranes CMX Nafion© 117 2 Critères de choix : la plus échangeuse de cations, la plus perméable aux sels. 9 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Mesures de nombres de transport de Li+ en statique ECS mV Membrane KNO3 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 K F = 96500 C.mol-1 Pile de concentration = Cellule de Hittorf Membrane CMX Nafion© 117 tLi+  0.02 0.92 0.89 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Mesures de flux de diffusion de NaCl Sonde conductimétrique Membrane Eau ultra pure Solution 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) T=293 K Membrane CMX Nafion© 117 (Js  0.3)*106 (mol.m-2.s-1) 1.1 3.1 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 NaCl concentrée) 3 Membrane Membrane Développement d’un biofilm 1 2 Modification de la membrane par des polyélectrolytes déposés selon la technique du Layer-by-layer (LbL), A Membrane GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Principe de la technique « LbL » (layer-by-layer) PDADMAC Rinçage à l’eau pure 3- Polyélectrolyte cationique 1- Elimination des contre-ions 2- Déformation de la chaîne du polyélectrolyte et confinement Zone d’attraction électrostatique Membrane chargée négativement Appariement des ions à la surface Nguyen T.Q., Pontié M., J. Memb. Sci. (2004) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Stratégie antibiofilm et biofilm marin Membrane AN69 Images 2D-FESEM (x 2000) (3 keV; d=16 cm) AN69 AN69mod PDADMAC 3 j. 6,5 j. 10 mm AN69 régénérée Temps d’immersion dans l’eau de mer Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci, (2007) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci, (2007) Recyclabilité de L’AN69 Lasquellec V., Pontié M., J. Water Sci, (2007) GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Dépôt d’un « bilayer » de PDADMAC/PSS sur MEP Modification par PDADMAC et PSS : dépôt du bicouche Pontié M., Legrand J., Membrane Water Treatment, 2011 (soumis) 16 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (1) 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 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 Protocole de stratégie antibiofilms validé sans biofilm 17 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Elaboration du Biofilm Souche bactérienne Souche de Pseudomonas Putida (DSM 50026) Bacilles à Gram négatif, oxydase + Aérobies strictes Cultivable à partir de 30 °C Bactérie : Pseudomonas putida 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 18

Validation du cycle de stratégie « antibiofilms » (2) 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 Protocole de stratégie antibiofilms validé avec biofilm 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 Membrane Développement du biofilm 1 2 Modification de la membrane par des polyélectrolytes déposés selon la technique du Layer-by-layer (LbL) Membrane Protocole de stratégie antibiofilm validé 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

Remerciements MARC ROUSSET, L’ORGANISATEUR DU GDR PROBBE, SES ANIMATEURS ET ANIMATRCSES Projet Jeunes Chercheurs n°4052 (2002) LECIME (UMR CNRS 7575) à Chimie ParisTech GEPEA St Nazaire 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. www.gepea.fr Contact : maxime.pontie@univ-angers.fr GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011

Annexe

Changement de sélectivité des MEP Pour les MEC homopolaires il est possible d’améliorer l’accroissement de la sélectivité monovalents/divalents : MEC MEC modifiée modifiée H H + + - - - M M 2+ 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 2008 GDR PROBBE, La Calanque, Carry-le Rouet, 28/11-1/12 2011