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AbstractAbstract
[en] This research thesis reports a study which aims at developing, analyzing and integrating an electrode-enzyme interface within an electro-enzymatic reactor to develop electrochemical biosensors. The adopted method comprises a confinement of the enzyme at the electrode surface by means of an electro-formed poly-pyrrole film. The author reports an experimental and theoretical study of the coupling between electrochemical reaction, enzymatic reaction and matter transfer in the polymer in order to better understand the operation of so-modified electrodes. Different parameters have an influence on the reaction rate. A numerical model (validated by experiments) allows the identification of the reaction limiting stages. A new elaboration protocol allows the polymer permeability to be increased. The interface is first applied to the reduction of the NAD coenzyme, and the process is also applied to the production of gluconic acid
[fr]
Les syntheses biochimiques basees sur des reactions d'oxydoreduction sont de plus en plus employees dans les domaines de la chimie fine et de la pharmacie pour fabriquer des produits a haute valeur ajoutee. Ces syntheses sont tres souvent realisees par des procedes fermentaires, qui pechent par leur manque de selectivite. En mettant simultanement en oeuvre une enzyme et une electrode, les procedes bioelectrochimiques offrent au contraire une meilleure selectivite, en exploitant la specificite des catalyses enzymatiques et en fournissant les electrons sous forme d'energie electrique. L'objectif du travail est de mettre au point, d'analyser et d'integrer au sein d'un reacteur electroenzymatique une interface electrode-enzyme deja eprouvee pour la mise au point de biocapteurs electrochimiques. La methode adoptee consiste a confiner l'enzyme a la surface de l'electrode par un film de polypyrrole electroforme. L'extrapolation de cette interface a l'echelle d'un reacteur est confrontee a trois problemes majeurs: maximiser la quantite d'enzyme retenue, accroitre les transferts de matiere pour obtenir des rendements de synthese significatifs et prevoir le fonctionnement en continu de l'electrode. Une etude experimentale et theorique du couplage entre reaction electrochimique, reaction enzymatique et transfert de matiere dans le polymere est menee afin de mieux connaitre le fonctionnement de ces electrodes modifiees. Les travaux sont realises avec la glucose oxydase qui catalyse l'oxydation du glucose en acide gluconique en presence d'oxygene. L'epaisseur du polymere, la concentration du substrat et les conditions hydrodynamiques sont les principaux parametres ayant une influence sur la vitesse de reaction. L'exploitation d'un modele numerique, valide par les experiences, permet de souligner la forte concentration et de preciser la distribution de l'enzyme au sein du film, d'identifier les etapes limitantes de la reaction et de mettre particulierement en evidence la diffusion restreinte des substrats dans le polymere. Quel que soit leur mode de formation, les polymeres organiques tels que polypyrrole, polyphenol ou polyaniline presentent une permeabilite relativement faible vis-a-vis des molecules electro-actives de grosse taille comme le coenzyme pyridinique NADH. Un nouveau protocole d'elaboration est mis au point en introduisant des molecules de polyethylene glycol dans les films pour modifier leur morphologie. La permeabilite des polymeres est ainsi augmentee par un facteur superieur a dix. L'interface est d'abord appliquee a la reduction du coenzyme NAD+ qui constitue le point cle de l'utilisation a l'echelle preparative de nombreuses syntheses biochimiques. La methode de reduction bioelectrochimique utilise une hydrogenase adsorbee sur l'electrode. Lorsque l'enzyme est confinee dans le polymere, la vitesse de formation de NADH est de 0,24 mmol.l-1.h-1 alors qu'elle atteint 4,8 mmol.l-1.h-1 lorsque l'hydrogenase est en solution. Ce resultat est du non seulement a la degradation initiale de l'enzyme dans la solution de pyrrole mais aussi au recouvrement des sites catalytiques par les films de polypyrrole d'epaisseur superieure a 10 nm. Le procede est ensuite adapte a la production d'acide gluconique. Le probleme majeur rencontre dans les procedes de fermentation reside dans l'accumulation de peroxyde d'hydrogene qui denature la glucose oxydase. En confinant l'enzyme au voisinage de l'electrode, le peroxyde d'hydrogene est elimine electrochimiquement et l'oxygene necessaire a la reaction est regenere in situ. L'efficacite et la stabilite de l'interface sont demontrees sur huit heures d'electrolyse et des taux de transformation superieurs a 60 pc sont obtenus en optimisant les conditions de fonctionnement. (auteur)Original Title
Conception et modelisation d'electrodes modifiees enzyme/polypyrrole pour des procedes d'electrosynthese biocatalysee
Primary Subject
Source
5 Jul 1996; 203 p; 47 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/contacts/; These Docteur de l'Universite Paul Sabatier; Specialite: genie des procedes
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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