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

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Sous la direction de Laurence Muhr, Georges Grevillot
Thèse soutenue le 21 juin 2010: INPL
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
-Echange d’ions
-Peptide
-Acide aminé
-Membrane bipolaire
-Dissociation de l’eau
-Eluant propre
-Electrodialyse
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
-Ion exchange
-Bipolar membrane
-Amino acid
-Water splitting
-Electrodialysis
-Green eluent
-Peptide
Source: http://www.theses.fr/2010INPL027N/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
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Institut National Polytechnique de Lorraine - École doctorale RP2E
École Nationale Supérieure des Industries Chimiques
Laboratoire Réactions et Génie des Procédés


THÈSE

Présentée pour obtenir le titre de
DOCTEUR DE L’INPL
Spécialité : Génie des Procédés et des Produits

Par

Wei LU
Master Recherche en Génie des Procédés-INPL
Master en Génie Chimique-Université Polytechnique du Hebei, Chine


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


Soutenue publiquement le 21 juin 2010 devant le jury composé de :

Président : F. LAPICQUE, Directeur de Recherche CNRS (LRGP, Nancy)

Rapporteurs : D. PAOLUCCI, Maître de Conférences (ENSCM, Montpellier)
D. SACCO, Professeur (Université de Perpignan, Perpignan)

Examinateurs : G. GREVILLOT, Directeur de Recherche CNRS (LRGP, Nancy)
L. MUHR, Maître de Conférences (ENSIC, Nancy)
M-A. THEOLEYRE, Directeur Technique (EURODIA, Pertuis) 2





Je dédie ce travail à Wei, mon époux, pour son amour, ses conseils,
son soutien moral.


Je dédie aussi ce travail à mes parents, sans qui je ne serais pas où
j’en suis aujourd’hui.




献献献献 给给给给 我我我我 的的的的 父父父父 母母母母- 路士路士路士路士 保保保保 ,,,, 代代代代 光光光光 荣荣荣荣

献 给 我 的 丈 夫- 李伟
3
4 REMERCIEMENTS

Ce travail de thèse a été réalisé au sein de l’équipe « Génie des Séparations en Milieux
Poreux » du Laboratoire Réactions et Génie des Procédés (ancien « Génie des Procédés de
Séparation » du Laboratoire des Sciences du Génie Chimique), à l’Ecole Nationale Supérieure des
Industries Chimiques de Nancy (ENSIC), partie intégrante de l’Institut National Polytechnique de
Lorraine (INPL).

Mes remerciements s’adressent tout d’abord à Madame Laurence MUHR, ma directrice de
thèse, non seulement pour son appui scientifique, sa grande disponibilité et sa gentillesse mais aussi
pour la lecture soigneuse de ce mémoire.

Je remercie également Monsieur Georges GREVILLOT pour sa participation active à cette
thèse en tant que co-encadrant, pour ses conseils scientifiques, son encouragement et sa confiance.

Je remercie tous particulièrement tous les membres de mon jury, c’est-à-dire Monsieur Daniel
SACCO, ainsi que Madame Delphine PAOLUCCI pour avoir accepté de juger ce travail et d’en être
les rapporteurs, Monsieur Marc-André THEOLEYRE pour en avoir été examinateur et Monsieur
François LAPICQUE pour m’avoir fait l’honneur d’accepter de présider le jury de ma thèse.

Je souhaite aussi remercie mes collègues de bureau : Fleur lise, Frédéric, Jacques, Nabil pour
les bons moments passés ensemble, ainsi qu’à tous les membres du GPS pour l’ambiance sympathique
et charmante de travail.

Je ne pourrais terminer sans remercier tous mes amis pour leur encouragement et leur soutien
moral.
5 6









SOMMAIRE
7
8 SOMMAIRE

REMERCIEMENTS..............................................................................5
SOMMAIRE..........................................................................................9
INTRODUCTION GENERALE.........................................................15
1 Etude bibliographique....................................................................21
Introduction .......................................................................................................................... 21
1.1 Echange d’ions ......................................................................................................... 21
1.1.1 Introduction ...................................................................................................... 21
1.1.2 Propriétés générales des résines échangeuses d’ions (Helfferich, 1962) ......... 22
1.1.3 Opération d’échange d’ions en colonne ........................................................... 24
1.1.4 Types d’opérations d’échange d’ions en colonne ............................................ 28
1.2 Electrodialyse ........................................................................................................... 30
1.2.1 Introduction 30
1.2.2 Principe des membranes d’électrodialyse ........................................................ 30
1.2.3 Application de l’électrodialyse (Roux-de Balmann et Casademont, 2006) ..... 35
1.2.4 Phénomène de transport ................................................................................... 39
1.2.5 Aspects énergétiques ........................................................................................ 41
1.3 Combinaison Echange d’ions-Electrodialyse........................................................... 43
1.3.1 Introduction ...................................................................................................... 43
1.3.2 Principe et fonctionnement............................................................................... 44
1.3.3 Propriétés électrochimiques des résines échangeuses d’ions........................... 46
1.3.4 Applications ..................................................................................................... 52
1.4 Les acides aminés et les peptides ............................................................................. 53
1.4.1 Introduction 53
1.4.2 Propriétés acido-basiques................................................................................. 55
1.4.3 La purification ou la séparation des acides aminés et des peptides ................. 57
Bibliographie........................................................................................................................ 60
2 Purification de biomolécules dans un processus cyclique : Echange
d’ions, Elution par l’acide carbonique, Electrorégénération...............67
Introduction .......................................................................................................................... 67
2.1 Montage expérimental : matériels et méthodes........................................................ 68
9

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