1
Yémima Bon Saint CômeProf. Alexander KuhnProf. Rolf Hempelmann
Développement d’électrodes optimisées pour la conception de
bioréacteurs électrochimiques
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•Sucres rares •Composés chiraux
PharmaceutiqueAgro-alimentaireCosmétique Pesticide
Développement d’un bioréacteur électrochimique pour la production verte de sucres rares et de composés chiraux en large excès énantiomérique
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•Sucres rares •Composés chiraux
O
O
OH
O
OH
OHH
O
OH
HOH
CH2OH
C OHH
HHO
HHO
CH2OH
OHH
CH2OH
C O
HHO
HHO
CH2OH
OHH
D-Galactitol D-Tagatose
Acide phénylglyoxylique
Acide Mandélique
EnzymeEnzyme
Procédé de Chimie verte • Milieu aqueux
• Catalyseur biologique• Conversion directe du substrat sans produits intermédiaires
• Absence de produits secondaires/résidus• Économie d’atomes et d’étapes pour incorporer des fonctionnalités sans avoir à répondre à des
étapes de purifications ou de séparation
oxydation réduction
Développement d’un bioréacteur électrochimique pour la production verte de sucres rares et de composés chiraux en large excès énantiomérique
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Réactifs
Produits
e-
réactif
Produit
H2
H+
+
Développement d’un bioréacteur électrochimique en tant qu’alternative verte de production de produits chimiques à haute valeur ajoutée
Contre électrode
Electrode de travail
enzyme-
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I. Développement et optimisation de l’électrode de travail
II. Matrice d’immobilisation du matériel enzymatique
III. Optimisation du système catalytique final
IV. Mise en fonctionnement du réacteur
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I. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle
Electrode de travail
aire de surface active importante
taux de conversion électrochimique satisfaisants
rendements compétitifs
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I. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle
Electrode de travail
aire de surface active importante
Nanostructuration du matériau d’électrode
1
La technique de Langmuir-Blodgett
Problématique: upscaling du cristal colloïdal pour travailler à l’échelle pilote
5HL1HL
250-1200 nm
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I. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle
Technique de Langmuir-Blodgett
eau
Epandage de billes de silice Compression du film
Immersion du substratTransfert du film LB à la surface du substrat
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I. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle
Technique de Langmuir-Blodgett
5nm
5nm 5nm
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I. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle
Technique de Langmuir-Blodgett
5nm
Électrode de travail à structure optimisée
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Resydrol®: un copolymère d’ acide acrylique et d’acrylates utilisés comme peinture électrophorétique
Electrodéposition du polymère à la surface de l’électrode par électrolyse de l’eau [1,2]:
E(V)>0
Polymère protoné non solublePhénomène de précipitation
[1] : Neugebauer, S.; Isik, S.; Schulte, A.; Schuhmann, W. Analytical Letters 2003, 36, 2005.
[2] : Szamocki, R.; Velichko, A.; Mücklich, F.; Reculusa, S.; Ravaine, S.; Neugebauer, S.; Schuhmann, W.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Electrochemistry Communications 2007, 9, 2121.
COO-
COO-COO-
COO-
COO-
COOHCOOH
COOH
COOH
II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique
H2O ½ O2 + 2H+ +2 e-
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II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique
•Mesures FIB/TEM
Qu, F.; Nasraoui, R.; Etienne, M.; Bon Saint Côme, Y. ; Kuhn, A.; Lenz, J.; Gajdzik, J.; Hempelmann, R.; Walcarius, A. Electrochemistry Communications, 2011, 13, 138
13
II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique
•Mesures FIB/TEM
Dépôt de Resydrol®
500 nm
Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737
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II. Matrices d’immobilisation du matériel enzymatique
•Mesures FIB/TEM
Dépôt de Resydrol®
5nm
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Fructose
Médiateur Oxydé
D-sorbitol
NAD+ NADH
Médiateur Réduit
D-sorbitol déshydrogénase DSDH
Diaphorase
Electrode
e-
NAD+/NADH: -nicotinamide adénine dinucléotide
Encapsulation des biomolécules•Polymère électrodéposé
Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose
III. Optimisation du système catalytique
Wang, Z.; Mathieu, E.; Kohring, G.-W.; Bon Saint Côme, Y.; Kuhn, A.; Walcarius, A. Electrochim. Acta 2011, in press.
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Fructose
Médiateur Oxydé
D-sorbitol
NAD+ NADH
Médiateur Réduit
Electrode
e-
Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose
III. Optimisation du système catalytique
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Médiateur Oxydé
NAD+
Médiateur Réduit
Electrode
e-
Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose
III. Optimisation du système catalytique
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Fructose
Médiateur Oxydé
D-sorbitol
NAD+ NADH
Médiateur Réduit
Electrode
e-
Réaction modèle étudiée: Oxydation du D-sorbitol en Fructose
III. Optimisation du système catalytique
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III. Optimisation du système catalytique
Choix du médiateur:Utilisation d’un médiateur pouvant s’adsorber à la surface de l’électrode pour former une mono-couche auto-assemblée de médiation
COOH
O2N
NO2
NO2
NN
4-carboxy-(2,5,7-trinitro-9-fluorenylidene)-malonitrile CTNFM [4]
[4] : N. Mano, A. Kuhn, Journal of Electroanal.Chem.447 (1999) 79
Médiateur IMMOBILISE
20
-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
d)
c)
a)
E/V vs Ag/AgCl
J/µA
.cm
-2
b)
III. Optimisation du système catalytique
COOH
O2N
NO2
NO2
NN
Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737
21
III. Optimisation du système catalytique
électrode plane
3HL
1HL
-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2-50
0
50
100
150
200
E/V vs Ag/AgCl
J/µA
.cm
-2
Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737
225nm
III. Optimisation du système catalytique
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III. Optimisation du système catalytique
24
III. Optimisation du système catalytique
C O
O-
Ca2+
Enzyme
O-
O-NAD+
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III. Optimisation du système catalytique
Électrode plane
3 HL
-0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2-10
0
10
20
30
40
E/V vs Ag/AgClJ/
µA.c
m-2
Immobilisation de l’intégralité du système biocatalytique
Bon Saint Côme, y. a.; Lalo, H.; Wang, Z.; Etienne, M.; Gajdzik, J.; Kohring, G.-W.; Walcarius, A.; Hempelmann, R.; Kuhn, A. Langmuir, 2011, vol.27, Iss. 20, 12737
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IV. Mise en fonctionnement du réacteur
27
IV. Mise en fonctionnement du réacteur
28
IV. Mise en fonctionnement du réacteur
• Transformation du D-sorbitol en D-fructose par le système catalytique immobilisé dans une matrice de Resydrol®
Perspectives:•Expériences sur une plus grande échelle de temps•Confirmation de la synthèse par HPLC
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Conclusion
Un contrôle complet du système bio-électrocatalytique de l’échelle supramoléculaire à l’échelle micrométrique:
•macroporeuses et nano-structurations des intensités de synthèse supérieures •Simplification du système biocatalytique
•Immobilisation complète du système
•Applications potentielles: biocapteurs, biopiles à combustibles…
30
Merci pour votre attention
31
32
33
C O
O-
Enzyme
O-
O-
Ca2+
NAD+
34
CO
O-
EnzymeO-
O-
Ca2+
NAD+
35
Facteur f d’augmentation du signal:
f=
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I. Développement de l’électrode de travail: upscaling et optimisation structurelle
Technique de Langmuir-Blodgett
eau
Epandage de billes de silice
Transfert du film LB à la surface du substrat
Fonctionnalisation de la surface des billes
Fonctionnalisation de la surface du substrat
NH2
NH2
NH2
NH2
NH2
NH2
NH2
NH2
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Optimisation du temps d’électrogénération:
30sec 60sec10sec
CV du signal redox de l’Hb
II. Matrice d’immobilisation du matériel enzymatique
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4
-100
-50
0
50
J/µA
.cm
-2
E/V vs Ag/AgCl
Homogénéité du dépôt
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II. Matrice d’immobilisation du matériel enzymatiqueConservation de l’activité catalytique de la protéine redox
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III. Activation et optimisation du système catalytique c
1. Communication biomolécules immobilisées/ médiateur adsorbé
2. Amélioration par ajout de polyélectrolyte cationique
40
41
42
43
44