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Chapitre 9: Discussion générale et Conclusion

Table des matières

Cette thèse de doctorat avait pour objectifs d’approfondir la compréhension du comportement électrophorétique, dans différentes conditions de pH, force ionique ajoutée et type de sel, de la D-glucosamine et des oligomères de chitosane ayant un degré de polymérisation variant entre 2 et 6, et d’exploiter les principaux résultats pour séparer des oligomères contenus dans un mélange typique produit par la compagnie ISM-Biopolymer. Ce mélange est composé de dimère, trimère et tétramère.

Dans le cadre de la présente étude, deux volets ont été définis. Le premier volet consistait à étudier comment les conditions du milieu; à savoir le pH, le type de sel, la force ionique ajoutée affectent le comportement électrophorétique des molécules mentionnées. Un deuxième volet visait ensuite à utiliser les résultats du premier volet pour une électroséparation des oligomères de chitosane contenus dans le mélange typique avec un système d’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration (EDUF) dans lequel le champ électrique agit comme force motrice et la membrane d’ultrafiltration comme barrière moléculaire.

Les résultats obtenus dans le premier volet de cette thèse sont de type fondamental. Dans le chapitre 4, il a été possible de mieux comprendre le comportement électrophorétique de la D-glucosamine et des oligomères de chitosane (dimère, trimère, tétramère, pentamère et hexamère) dans différentes conditions de pH, de type de sel, de la force ionique ajoutée. Il a été démontré que le pH avait un effet significatif sur la mobilité électrophorétique de toutes les molécules étudiées. En augmentant le pH, la mobilité électrophorétique diminuait. L’étude a démontré que le type de sel n’avait pas d’effet sur la mobilité électrophorétique alors que l’augmentation de la force ionique diminuait la valeur absolue de la mobilité électrophorétique. En effet, les plus hautes valeurs de mobilité électrophorétique ont été enregistrées dans l’eau sans ajout de sels, suivies par les valeurs enregistrées dans des solutions de sels avec une force ionique de 0.01 M. Les plus basses valeurs de la mobilité électrophorétique ont été enregistrées dans des solutions de sels avec des forces ioniques de 0.05 et 0.1 M, respectivement. Pour ce qui est de l’effet du degré de polymérisation, cette étude a montré que le dimère a été le plus mobile, suivi du monomère et du trimère. La mobilité électrophorétique a atteint un plateau au degré de polymérisation de 3 (trimère). Un phénomène important a été également rapporté en milieu dilué. Il a été observé que les oligomères migraient vers l’anode aux pH supérieurs à 6 alors que théoriquement, entre pH 6 et 9, la fonction amine est soit chargée positivement (pKa=6.5) ou complètement déprotonée. Avec des mesures de la mobilité électrophorétique dans un milieu mixte d’eau et d’éthanol à différents ratios, il a été démontré que la raison de ce phénomène était la contribution de la partie glucose. En effet, à cause de la différence entre les constantes diélectriques du solvant et du soluté en milieu dilué, une charge négative apparaissait sur la partie glucose et provoquait un vecteur force dirigé vers l’anode. Dans le chapitre 5, il a été montré qu’avec une concentration de 3% d’oligomères de chitosane, les plus hautes valeurs de la mobilité électrophorétique étaient mesurées à pH 2 et 3. Aux valeurs de pH entre 4 et 6, la mobilité électrophorétique du mélange était stable. À pH 7, la mobilité diminuait d’une manière importante et s’annulait à pH 8 et plus. À cette concentration (3%), la force ionique n’avait aucun effet significatif sur la mobilité électrophorétique. Des mesures prises dans un solvant mixte d’eau et d’éthanol à différents ratios ont montré que la valeur absolue de la mobilité électrophorétique diminuait avec l’augmentation de la concentration de l’éthanol dans le milieu. Cette diminution a été graduelle. Aux concentrations de 0.3, 0.03 et 0.003% d’oligomères de chitosane, le pH, la force ionique ajoutée et la constante diélectrique du milieu avait des effets significatifs à la fois sur la valeur de la mobilité électrophorétique et le point isoélectrique. Dans l’eau et les solutions de NaCl à différentes forces ioniques, en diminuant la concentration, le point isoélectrique passait de pH 8 à pH 6, dépendamment de la concentration, la valeur absolue de la mobilité électrophorétique diminuait avec l’augmentation de la force ionique. Les plus hautes valeurs ont été celles enregistrées dans l’eau sans ajout de sel et diminuaient en augmentant la force ionique ajoutée. Toutefois, comme dans le cas des mesures en milieu dilué, aucune différence significative n’a été rapportée entre les mesures prises avec les forces ioniques de 0.05 et 0.1 M.

Dans le deuxième volet de cette thèse, le chapitre 6 consistait à étudier l’effet du seuil de coupure de membranes d’ultrafiltration sur la cinétique et le taux d’électromigration des oligomères de chitosane contenus dans le mélange (dimère, trimère et tétramère). Il a été démontré que le seuil de coupure de la membrane d’ultrafiltration avait un effet important à la fois sur la cinétique, le taux d’électromigration de chaque oligomère et sur la possibilité de les séparer. La membrane de 500 Da n’a pas permis le passage des oligomères tout au long du traitement à cause de sa taille proche de celle du dimère et moindre que celle du trimère et tétramère. La membrane de 1000 Da a montré une rétention du tétramère jusqu’à 3h de traitement, sauf que les taux d’électromigration des oligomères ont été très faibles. Les membranes de 5000 et 10000 Da ont montré des sélectivités identiques. Les taux d’électromigration des oligomères de chitosane ont été plus élevés avec la membrane de 10000 Da. Jusqu'à 2h de traitement, uniquement le dimère et le trimère avaient migré à travers ces deux membranes (5000 et 10000 Da). À 3 et 4h, tous les oligomères avaient migré. Quant-à la membrane d’ultrafiltration de 20000 Da, elle n’avait pas montré de permséléctivité vis-à vis des oligomères. Le dimère avait montré une cinétique linéaire de migration, indiquant que son passage à travers la membrane est libre. Le trimère avait montré une cinétique de type curviligne avec un point d’inflexion après 2h montrant qu’au début du traitement, il y avait une contrainte opposée à sa migration mais qui disparaissait après un certain temps. Avec la membrane de 20000 Da, le tétramère avait montré un comportement semblable à celui du trimère. Cette membrane est la seule à travers laquelle le tetramère a migré dès la première heure de traitement.

Dans le chapitre 7, les résultats ont révélé les faits suivants: seule la première configuration de type [Anode- membrane anionque1-membrane d’ultrafiltration- membrane anionique 2-Cathode] permettait la migration des oligomères de chitosane. Ce résultat est en accord avec ceux de l’étude fondamentale sur l’effet de la concentration sur la mobilité électrophorétique du mélange d’oligomères de chitosane (chapitre 5). Ce résultat a été d’une importance majeure car il a permis de démontrer que la migration des oligomères à travers la membrane d’ultrafiltration a été causée par le champ électrique et non par la diffusion. L’effet du pH a été significatif. Pour chaque oligomère, aucune différence significative de leur taux d’électromigration n’a été enregistrée aux pH 4 et 5. À pH 6, une diminution des taux d’électromigration de chaque oligomère comparativement aux valeurs enregistrées aux pH 4 et 5 a été rapportée uniquement à 3 et 4h de traitement. En augmentant le pH à 7, une baisse importante du taux d’électromigration de chaque oligomère a été enregistrée. Aucune électromigration n’a été possible aux pH 8 et 9; ce qui était en accord avec les résultats de l’étude fondamentale. Ce chapitre nous a permis de trouver des conditions permettant d’obtenir une solution composée uniquement du dimère et du trimère. Ce sont le pH 4 avec un temps de traitement de 2h, un pH 5 avec 3h de traitement, pH 6 jusqu’à 4h de traitement. Toutefois, il est important de mentionner que les taux d’électromigration diminuaient avec l’augmentation du pH. Il a été également possible d’obtenir une fraction pure du dimère à pH 7 après une durée de traitement de 2h. Dans ce cas, le taux d’électromigration n’avait pas dépassé 4% de sa teneur dans la solution initiale d’oligomères de chitosane.

Le chapitre 8 consistait à étudier l’effet du champ électrique et de la vitesse de circulation (débit) des solutions sur la cinétique et le taux d’électromigration des oligomères. Pour ce qui est de la vitesse de circulation des solutions (débit), les résultats ont montré qu’il n’avait aucun effet sur le taux d’électromigration des oligomères de chitosane. Ce résultat est sans doute dû au fait que le promoteur de turbulence utilisé était suffisant pour assurer des conditions hydrodynamiques rendant le débit non significatif. Pour ce qui est du champ électrique, les résultats ont montré que le taux d’électromigration de chaque oligomère augmentait avec l’augmentation du champ électrique appliqué. Le dimère a montré une cinétique de migration linéaire à toutes les valeurs du champ électrique. Quant au trimère, il a montré une cinétique de migration de type curviligne quand une différence de potentiel de 5 V a été appliquée. Quand une différence de potentiel de 10 ou de 20 V avait été appliquée, le trimère avait montré une cinétique de migration linéaire. Pour ce qui est du tétramère, à 5 V, il a montré un résultat similaire à ceux obtenus aux chapitres 6 et 7. Avec une différence de potentiel de 10 et 20 V, il avait migré à travers la membrane d’ultrafiltration tout au long du traitement. Comme conséquence, aucune séparation n’a été possible avec des différences de potentiels aux électrodes de 10 et 20 V. Une validation mathématique de ces résultats a été donnée et la vitesse minimale de circulation des solutions a été determinée et correspond à 0.83 cm/s (30 mL/min).

Il est également important de mentionner que dans tous les cas étudiés, le dimère avait montré les taux d’électromigration les plus élevés comparés à ceux des deux autres oligomères (trimère et tétramère).

Le procédé de séparation utilisé dans le présent projet pourrait être utilisé à grande échelle pour une production économique de fractions pures ou enrichies d’oligomères de chitosane. Suite aux résultats obtenus dans cette thèse, il est possible de choisir les meilleures conditions permettant de produire un mélange composé uniquement du dimère et du trimère. C’est avec une membrane d’ultrafiltration ayant un seuil de coupure de 10000 Da, dans une configuration de la cellule d’EDUF de type [Anode-membrane anionque1-membrane d’ultrafiltration- membrane anionique2-Cathode], sous une différence de potentiel de 5 V et la combinaison du pH avec le temps de traitement tels que rapporté dans le chapitre 7. Afin d’augmenter la quantité d’oligomère transférée à travers la membrane d’ultrafiltration, l’augmentation de la surface active de cette dernière est une bonne option.

Dans le cadre de cette thèse, cinq objectifs ont été émis et atteints. Deux de type fondamental qui nous ont permis de mieux comprendre le comportement électrophorétique des oligomères de chitosane dans différentes conditions de pH, type de sel et force ionique ajoutée. Cette étude a été réalisée en milieu dilué et à différentes concentrations d’oligomères de chitosane. Les résultats contribueront à l’avancement des connaissances sur ce sujet, considérant qu’à ce jour, aucune information relative à cette problématique n’est disponible dans la littérature scientifique. Les résultats obtenus dans la partie fondamentale ont été exploités pour séparer un mélange typique d’oligomères de chitosane composé de dimère, trimère et tétramère à l’aide d’un système d’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration. La séparation des oligomères de chitosane a été réalisée dans différentes conditions. Le seuil de coupure des membranes d’ultrafiltration, le pH du milieu, la vitesse de circulation (débit) des solutions et le champ électrique ont été étudiés. Les résultats de ce projet ont permis de determiner certaines conditions optimales de séparation des oligomères de chitosane pour la production d’un mélange composé uniquement du dimère et du trimère, ainsi qu’une fraction pure du dimère. La membrane de 10000 Da permet de produire un mélange de dimère et de trimère en utilisant une différence de potentiel de 5 V avec un temps de traitement allant jusqu’à 3h. La membrane de 10000 Da permet d’obtenir le même mélange à pH 4 avec un temps de traitement de 2h, pH 5 avec 3h de traitement et à pH 6 jusqu’à 4h de traitement. Il a été également possible d’obtenir une fraction pure du dimère à pH 7 après une durée de traitement de 2h en utilisant une membrane d’ultrafiltration ayant un seuil de coupure de 10000 Da.

D’autres études sont necessaires pour mieux aprofondir les connaissances sur ce sujet. Il serait intéressant de faire la même étude que celle réalisée dans le chapitre 4 avec les standards mais à différentes concentrations pour étudier l’effet de celle-ci sur le comportement électrophorétique de chaque oligomère et non pas sur un mélange tel que fait dans le chapitre 5. L’étude de la mobilité électrophorétique de mélanges binaires, tertiaires et plus serait aussi souhaitable.

Pour ce qui est du volet pratique, les résultats obtenus sont importants pour l’industrie des nutraceutiques. Toutefois, il serait intéressant d’étudier la séparation des oligomères de chitosane en augmentant la surface active de la membrane d’ultrafiltration pour être proche des conditions pilote. Une étude portant sur la combinaison entre le seuil de coupure (MWCO) des membranes d’ultrafiltration avec le pH du milieu, aisni que la séparation d’un hydrolysat de chitosane composé de plusieurs fractions ayant des poids molécualires très différents serait souhaitable.

© Mohammed Aider, 2007