La conception de nouvelles cellules électrochimiques pour étudier des enzymes par électrochimie directe des protéines

Design of new electrochemical cells for studying enzymes by protein film electrochemistry

• Auteur / Autrice : Asmaa Hadj Ahmed
• Direction : Vincent Fourmond, Jean-Vincent Daurelle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences chimiques
• Date : Soutenance le 29/03/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Sciences chimiques (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut universitaire des systèmes thermiques industriels, IUSTI (Marseille) - Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (Marseille ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Lojou
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Mandin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Griveau, Gérard Louis Vignoles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Transfert de masse

Électrochimie organique

Mots clés libres

L’électrochimie directe des protéines

Transport de masse

Cellule électrochimique

Électrode ''wall-Tube''

Dynamique des fluides numérique (CFD)

Mélangeurs intégrés

Protein film electrochemistry

Mass transport

Electrochemical cell

''wall-Tube'' electrode

Computational fluid dynamics (CFD)

Integrated mixers

Résumé

L’électrochimie directe des protéines (PFE) est une technique dans laquelle une enzyme est adsorbée à une électrode et son activité catalytique est mesurée sous forme d’un courant électrique, ce qui permet l’étude de la cinétique d’enzyme en fonction de différents paramètres expérimentaux. Cette technique nécessite un transport rapide du substrat vers l’électrode. Dans une étude précédente, notre équipe a proposé une nouvelle cellule électrochimique offrant un transport supérieur à l’électrode tournante, couramment utilisée dans les méthodes PFE. Dans cette thèse, nous avons exploré, à l’aide de CFD, l’effet des différents paramètres et proposé des formules semi-empiriques pour prédire les propriétés de transport dans la cellule. Puis, nous avons validé expérimentalement nos prédictions. En outre, nous avons construit un nouveau type de cellule avec des mélangeurs intégrés qui devraient permettre des changements rapides de concentrations.

Protein Film Electrochemistry (PFE) is a technique in which an enzyme is adsorbed at an electrode and its catalytic turnover rate is measured as an electrical current which allows the investigation of enzyme’s kinetics as a function of different experimental parameters. However, this technique requires fast transport of the substrate towards the electrode. In a previous study, our team proposed a new design based on the wall-tube electrode that provides better transport than the rotating disc electrode, which is commonly used in PFE methods. In this thesis, we explored, using CFD, the effect of the various parameters of the design and proposed semi-empirical formulas to predict the mass transport coefficient and shear stress at the electrode. We used a 3D-printed cell to validate experimentally our predictions. Moreover, we designed and built a new type of wall-tube electrodes with integrated mixers that should allow faster changes of substrate and inhibitor’s concentrations.