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Modification de Membranes pour le COntrôle du BIO-colmatage – BIOCOM

Modification de Membrane pour le COntrôle du BIO-colmatage

Le biocolmatage des membranes est l'un des problèmes les plus persistants et un obstacle à leur utilisation pour la réutilisation de l'eau en raison du coût opérationnel élevé. Le projet BIOCOM vise la conception et la fabrication de membranes biomimétiques novatrices aux propriétés anti-biocolmatantes pour le traitement de l'eau en incorporant des molécules bioactives naturelles, inhibitrices du Quorum Sensing (QSI), comme la vanilline.

Modifications de surface innovantes pour lutter contre le biocolmatage

L’objectif final du projet est d’élaborer de nouvelles membranes anti-biocolmatantes par incorporation de molécules ayant des propriétés biologiques qui permettent d’interférer dans la communication bactérienne (Quorum Sensing, QS) responsable de la formation du biofilm et de caractériser leurs propriétés physico-chimiques et leurs performances dans le cadre du traitement de l’eau. Pour atteindre cet objectif plusieurs objectifs scientifiques et techniques intermédiaires sont visés : <br />- Elaboration de membranes anti-biocolmatantes par incorporation de molécules inhibitrices du QS à partir de membranes commerciales (Polyethersulfone, PES et Polyvinylidene Difluoride PvDF); <br />- Caractérisation des membranes modifiées : évaluation de l’adhésion, de la couche colmatante (production d’EPS) et des propriétés physico-chimiques du matériau membranaire modifié ; <br />- Évaluer la stabilité de l'activité de la molécule bioactive incorporée et étudier les performances de la membrane en filtration sur une longue période.

Modification de surface par greffage UV
Caractérisation des membranes modifiées : évaluation de l’adhésion et des propriétés anti-biocolmatantes, caractérisation physico-chimiques des modifications du matériau, évaluation des performances en filtration

La première molécule active choisie pour modifier la surface est la vanilline pour ses propriétés inhibitrices vis-à-vis des bactéries et son innocuité pour l’être humain (arome alimentaire).
Afin d’assurer l’immobilisation de la molécule active à la surface de la membrane les 1er essais de greffage d’un dérivé de la vanilline, la vanilline méthacrylate (VMA) ont été réalisés, après avoir essuyé quelques problèmes de solubilité du VMA commercial (Specific Polymer), de synthèse de VMA au laboratoire (problème de pureté) et de compatibilité du solvant de solubilisation du VMA avec le matériau membranaire (PES). Un plan d’expériences a été mené pour évaluer l’impact du temps d’irradiation et de la quantité de monomère de VMA dans la solution de greffage sur la quantité de VMA greffée et l’homogénéité de la modification.
Différentes méthodes ont été évaluées pour caractériser l’impact des modifications de surface sur l’activité biologique. Les tests d’inhibition de croissance en solution démontrent l’effet de la vanilline sur les bactéries Gram – (Pseudomonas aeruginosa). La diminution de la production d’EPS sur membrane modifiée par adsorption de vanilline a été observée sur les spectres FTIR (Poster S. Bkhait et al, 2017 SFGP ; Prix de poster). Les 1er essais de test d’adhésion sur membranes modifiées par greffage UV montrent une diminution des bactéries Gram -, P. aeruginosa adhérées sur la membrane. Les résultats de caractérisations physico-chimiques et dynamiques des membranes modifiées montrent une augmentation de la perméabilité des membranes modifiées, qui ne serait pas liée à une augmentation du caractère hydrophile mais plutôt à une perte d’intégrité du matériau (déformation des pores observées en microscopie à balayage, SEM) en présence d’un des solvants de greffage.

- Développer de nouvelles approches de modifications de surface
- Valider les méthodes évaluées, en particulier le co-marquage permettant la visualisation des espèces adhérées directement sur le filtre sous microscope. Si le matériau membranaire fluoresce dans le spectre d’excitation/émission étudié et/ou adsorbe les fluorochromes employés pour le marquage des espèces adhérées, l’ajout d’une étape d’extraction du biofilm à partir du matériau membranaire est envisagée et est en cours d’évaluation.
- Développer les méthodes de quantifications des bactéries et du biofilms (dosage quantitatif des protéines par dosage fluorimétrique et dénombrements bactériens)
- Adapter une cellule d’écoulement pour l’observation sous microscope et l’étude qualitative des forces d’adhésion sur membranes vierges et modifiées.

- Bkhait, S., J.-F. Lahitte, C. Causserand and C. Coetsier (2018). Antibiofouling surface modifications using bioactive molecules. Interfaces Against Pollution (IAP), La Grande Motte, France. Oral Com
- Bkhait, S., J.-F. Lahitte, E. Girbal-Neuhauser, C. Causserand and C. Coetsier (2018). Study of interactions between microorganisms and material at the surface of a membrane with antibiofouling properties. Euromembrane, Valencia, Spain. Poster
- Bkhait, S., Neuhauser-Girbal, E., Lahitte, J.-F., Remigy, J.-C., Causserand, C., Coetsier, C., 2018. Antibiofouling surface modifications using bioactive molecules. 4th International Conference on Bioinspired and Biobased Chemistry & Materials (N.I.C.E. 2018), Nice, France. Oral Com
- Bkhait S, Lahitte J-F, Coetsier C, Causserand C, Etude des interactions microorganismes-matériau à la surface d’une membrane aux propriétés anti-biocolmatantes. 23èmes Journées Information Eaux; 2018 9-11 octobre 2018; Poitiers, France. Poster

Grâce à leur grande efficacité dans l’élimination de la pollution de l'eau et la grande qualité de l'eau produite, les processus membranaires sont considérés comme une technologie de choix pour la gestion durable des ressources en eau. Cependant, le bio-colmatage des membranes est l'un des problèmes les plus persistants et un obstacle à leur utilisation pour la réutilisation de l'eau en raison du coût opérationnel élevé. Le contrôle du bio-colmatage est nécessaire pour améliorer les performances des membranes. Les membranes biomimétiques représentent la prochaine génération de membranes de filtration utilisées pour le traitement de l'eau. Le projet BIOCOM vise la conception et la fabrication de membranes biomimétiques novatrices aux propriétés anti-biocolmatantes pour le traitement de l'eau.
À cet effet, nous envisageons d'élaborer de nouvelles membranes anti-biocolmatantes en incorporant des molécules bioactives naturelles qui agissent comme des Inhibiteurs du Quorum Sensing (QSI), comme la vanilline. Ces molécules sont considérées comme agissant sur la fixation des microorganismes à l’interface membranaire ainsi que sur la cohésion des microorganismes dans la couche bio-colmatante et nous les utilisons afin de contrôler l'établissement du bio-colmatage à la surface de la membrane. La vanilline, en particulier, induit une réduction des substances exo-polymères impliquées dans l’établissement du bio-colmatage. La membrane modifiée aurait la capacité de limiter la bio-adhérence et le bio-colmatage pendant le processus de filtration, ce qui entraînerait une meilleure stabilité du flux à l’eau. Par conséquent, tout en optimisant les conditions de filtration opérationnelles, cela réduirait l'utilisation de produits de nettoyage et augmenterait la durée de vie de la membrane avec des coûts réduits.
Dans ce projet, le matériau de membrane initial est la PolyEtherSulfone (PES) et le Polyvinylidène Difluoride (PvDF) utilisés dans les procédés d’ultrafiltration pour le traitement de l'eau. Nous allons tester différentes approches d'incorporation pour modifier les matériaux membranaire en utilisant des molécules bioactives. L'effet anti-adhésion et anti-biocolmatant de la membrane élaborée sera exploré en tenant compte du mode d'incorporation et de la caractérisation de la couche bio-colmatante. Les membranes modifiées seront caractérisées en termes de propriétés physico-chimiques apportées par les modifications de surface et nous étudierons également les performances hydrauliques et la sélectivité du matériau modifié. Enfin, la stabilité de la bioactivité et les performances de la membrane modifiée seront évaluées à long terme dans le cadre du traitement des eaux usées tertiaires pour leur réutilisation.
Plusieurs défis techniques et scientifiques sont abordés à cet effet: i) Elaboration de membranes anti-bio-colmatantes à l'aide de molécules bioactives, ii) Caractérisation de l'impact des modifications sur le développement du bio-colmatage, sur les propriétés physico-chimiques des interfaces membranaires et sur les performances des membranes, iii ) Évaluation de la stabilité de la membrane modifiée et des performances dans le cadre du traitement de l'eau.
L'objectif final est d'assurer un contrôle durable du bio-colmatage membranaire pour le traitement de l'eau. En améliorant la stabilité du flux à l’eau et en réduisant la fréquence des cycles de nettoyage dans les processus de filtration, nous espérons promouvoir l'utilisation des membranes pour les applications dans la réutilisation des eaux.

Coordinateur du projet

Madame Clémence Coetsier (Laboratoire de génie chimique)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LGC Laboratoire de génie chimique

Aide de l'ANR 248 543 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2017 - 36 Mois

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