Yémima Bon Saint Côme Prof. Alexander Kuhn Prof. Rolf Hempelmann

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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


aire de surface active importante

taux de conversion électrochimique satisfaisants

rendements compétitifs

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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

8


Technique de Langmuir-Blodgett

eau

Epandage de billes de silice Compression du film

Immersion du substratTransfert du film LB à la surface du substrat

9



5nm

5nm 5nm

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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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•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

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•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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•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-



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Médiateur Oxydé

NAD+

Médiateur Réduit

Electrode

e-



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Fructose

Médiateur Oxydé

D-sorbitol

NAD+ NADH

Médiateur Réduit

Electrode

e-



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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)


COOH

O2N

NO2

NO2

NN


21


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


225nm


23


24


C O

O-

Ca2+

Enzyme

O-

O-NAD+

25


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


26


27


28


• 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…

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Merci pour votre attention

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C O

O-

Enzyme

O-

O-

Ca2+

NAD+

34

CO

O-

EnzymeO-

O-

Ca2+

NAD+

35

Facteur f d’augmentation du signal:

f=

36



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

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