Étude de l'échange d'ions modulé électriquement : application du couplage échange d'ions-électrodialyse à la séparation de biomolécules

Study of electrical swing ion exchange : application of coupling of ion exchange-electrodialysis to biomolecules separation

• Auteur / Autrice : Wei Lu
• Direction : Laurence Muhr, Georges Grévillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie des procédés et des produits
• Date : Soutenance le 21/06/2010
• Etablissement(s) : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire réactions et génie des procédés
• Jury : Président / Présidente : François Lapicque
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurence Muhr, Georges Grévillot, François Lapicque, Delphine Paolucci, Daniel Sacco, Marc-André Theoleyre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Paolucci, Daniel Sacco

Mots clés

Mots clés contrôlés

Acides aminés

Électrodialyse

Peptides

Mots clés libres

Echange d’ions

Peptide

Acide aminé

Membrane bipolaire

Dissociation de l’eau

Eluant propre

Electrodialyse

Ion exchange

Bipolar membrane

Amino acid

Water splitting

Electrodialysis

Green eluent

Peptide

Résumé

Le présent travail vise à étudier le couplage de l’échange d’ions et de l’électrodialyse. Cette étude est appliquée à la séparation de biomolécules. Un des objectifs est de diminuer la génération d’effluents salins produits par les étapes d’échange d’ions utilisées de façon classique dans les bioséparations. Une première approche a conduit à la conception d’une architecture avec un mode de fonctionnement cyclique en 3 étapes qui permet de purifier certaines familles de peptides sans utiliser de tampon de pH ni générer d’effluents. Le dispositif expérimental est constitué d’une cellule d’électrodialyse dans laquelle sont introduites des résines échangeuses d’anions. Les trois étapes sont les suivantes : fixation des biomolécules sur la résine initialement sous forme carbonate, élution par une solution de dioxyde de carbone dissous dans l’eau, électrorégénération de la résine sous sa forme initiale, conduisant simultanément à la régénération de la solution d’acide carbonique. L’étape d’électrorégénération a été modélisée et les simulations permettent d’améliorer la compréhension des processus couplés mis en jeu comme les équilibres d’échange d’ions, les équilibres en solution, l’électromigration. Une deuxième approche a ensuite consisté à étudier les possibilités de contrôle du pH par voie électrochimique, afin de limiter l’utilisation de solutions tampons. La dissociation de l’eau, conduisant à la formation de protons et d’ions hydroxyles, a été plus particulièrement étudiée en mettant à profit les propriétés des contacts dits « bipolaires » sous l’effet d’un champ électrique. Il s’est alors avéré que les choix du type de résine et de la densité de courant permettent de jouer sur le pH Toutefois ce travail doit être poursuivi par la recherche d’architectures et de modes opératoires qui permettent d’obtenir un pouvoir tampon adéquat

The present work aims to study the coupling of ion exchange and electrodialysis. This study is applied to the separation of biomolecules. One objective is to reduce the generation of saline wastewater produced by the ion exchange steps used conventionally in bioseparations. One approach has led to the design of architecture with a cyclic mode in 3 steps to purify some families of peptides without using a buffer pH or generate wastes. The experimental device consists of an electrodialysis cell in which are introduced anion exchange resins. The three steps are: loading of biomolecules on the resin initially in the carbonate form, elution with a solution of carbon dioxide dissolved in water, electroregeneration of the resin in its original form leading simultaneously to the regeneration of the carbonic acid solution. Using a modelling of the electroregeneration step, simulations can improve the understanding of coupled processes as the ion exchange equilibria, the equilibria in solution, the electromigration. A second approach has then been to study the possibilities of controlling the pH by electrochemical means to limit the use of buffers. The dissociation of water, leading to the formation of protons and hydroxyl ions, has been particularly studied by accounting the properties of contacts called « bipolar » as a result of an electric field. It was established that the choice of resin type and the current density can modify the pH. However this work must be pursued through research of architectures and operating procedures that deliver appropriate buffer capacity