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Table des matières

Les deux objectifs principaux de ce projet étaient d’étudier la mobilité électrophorétique d’oligomères de chitosane et d’appliquer les résultats pour les séparer dans un système d’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration (EDUF).

Le premier sous-objectif a été d’étudier les mobilités électrophorétiques de standards de D-glucosamine et d’oligomères de chitosane (dimère, trimère, tétramère, pentamère et hexamère) en milieu dilué dans différentes conditions de pH, de sels et de forces ioniques ajoutées. Une gamme de pH allant de 3 à 9 a été étudiée. Deux sels; NaCl et KCl, ont été utilisés aux valeurs de forces ioniques de 0.01, 0.05 et 0.1 mole/L. Les mêmes mesures ont été réalisées dans l’eau déionisée sans ajout de sel, représentant le milieu sans force ionique ajoutée. La mobilité électrophorétique diminuait avec l’augmentation du pH et de la force ionique. Les plus hautes valeurs de mobilité ont été enregistrées dans l’eau. Le dimère a été le plus mobile. À partir du degré de polymérisation (DP) de 3 correspondant au trimère, aucune différence n’a été enregistrée entre les mobilités des oligomères. Le deuxième sous-objectif a été d’étudier la mobilité électrophorétique d’un mélange typique d’oligomères de chitosane composé de dimère, trimère et tétramère. L’effet de la concentration sur la mobilité électrophorétique du mélange a été étudiée. Des valeurs de pH variant de 2 à 12 dans l’eau et dans du NaCl aux forces ioniques ajoutées de 0.01, 0.05 et 0.1 M ont été étudiées. Les plus hautes mobilités électrophorétiques ont été enregistrées dans l’eau sans ajout de sel aux pH 2 et 3 avec une valeur moyenne de 2.009 ± 0.105 x 10-6 m2/V.s. Aux pH 4, 5 et 6, la mobilité électrophorétique a été stable avec une moyenne de 1.225 ± 0.051 x 10-6 m2/V.s. En augmentant le pH, la mobilité des oligomères diminuait en raison de la déprotonation de la fonction amine.

Suite à ces études fondamentales, le troisième sous-objectif a été d’étudier l’effet du seuil de coupure des membranes d’ultrafiltration (500, 1000, 5000, 10000 et 20000 Da) lors de la séparation des oligomères de chitosane et correspondant à un produit industriel. Le seuil de coupure de la membrane avait un effet significatif sur le taux d’électromigration de chaque oligomère, ainsi que sur la possibilité de les séparer. Après 4h de traitement, le taux d’électromigration du dimère a été le plus élevé avec des valeurs allant de 5.71 ± 0.95% avec une membrane 1000 Da jusqu’à 14.45 ± 1.43% avec une membrane de 20000 Da. Suite au troisième sous-objectif, une membrane d’ultrafiltration de 10000 Da a été sélectionnée pour la suite du projet. Ce choix a été basé sur le fait que cette membrane a montré une rétention du tetramère pendant deux heures de traitement et a laissé passer tous les oligomères par la suite. Le quatrième sous-objectif a été d’étudier l’effet du pH sur le taux d’électromigration des oligomères et la possibilité de leur séparation avec la membrane de 10000 Da. Le pH a eu un effet significatif sur le taux d’électromigration et la possibilité de séparation des oligomères. Après 4h de traitement, le taux d’électromigration du dimère a atteint des valeurs de 11.50 ± 4.33, 10.61 ± 0.21, 8.30 ± 0.0.34 et 5.52 ± 0.38% aux pH 4, 5, 6 et 7, respectivement. Le trimère a migré en même temps que le dimère mais avec des taux d’électromigration inférieurs. Le tétramère a migré uniquement après 3 et 4 h à pH 4 et 5, respectivement et n’a pas migré aux pH 6 et 7. Aux pH 8 et 9, aucune électromigration n’a été observée. Finalement, le cinquième sous-objectif a été d’étudier l’effet du champ électrique (2.5, 5 et 10 V/cm, correspondant aux différences de potentiel de 5, 10 et 20 V, respectivement) appliqué au système d’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration et des vitesses de circulation des solutions (2.77, 8.33 et 13.88 cm/s correspondant à 100, 300 et 500 mL/min) sur le taux d’électromigration et la séparation des oligomères. Le champ électrique a eu un effet significatif à la fois sur le taux d’électromigration des oligomères de chitosane et sur la possibilité de les séparer. À 2.5 V/cm, il a été possible d’obtenir une solution composée uniquement du dimère et du trimère après 2 h de traitement. Le dimère ayant un taux d’électromigration de 10.20 ± 3.04% et le trimère de 8.52 ± 1.66%. Avec des champs électriques de 5 et 10 V/cm, aucune séparation possible n’a été observée.

The aim of this project was to study the electrophoretic mobility of chitosan oligomers and to apply the results to separate them in an electrodialysis with ultrafiltration membrane (EDUF) system.

The first sub-objective was to study the electrophoretic mobilities of D-glucosamine and chitosan oligomers (dimer, trimer, tetramer, pentamer and hexamer) under various conditions of pH, salts and added ionic strengths. pH values from 3 to 9 and ionic strength of 0.01, 0.05 and 0.1 M of NaCl and KCl were studied. The same measurements were carried out in deionised water as a medium without any added ionic strength. Chitosan oligomer electrophoretic mobility decreased by increasing pH and ionic strength. The highest values were recorded in water followed by those in NaCl or KCl with an ionic strength of 0.01 M. The lowest values were recorded at an ionic strength of 0.05 and 0.1 M. The dimer was the most mobile oligomer followed by the monomer. No difference was observed between the mobilities of the oligomers with degree of polymerisation (DP) of 3 and more. The second sub-objective consisted to study the electrophoretic mobility of chitosan oligomer mixture composed by dimers, trimers and tetramers at different concentrations. pH values from 2 up to 12, added ionic strength of 0.01, 0.05 and 0.1 M of NaCl were studied. Electrophoretic mobility was also carried out in water as medium with zero added ionic strength. At a concentration of 3%, the chitosan oligomer mixture showed the highest electrophoretic mobility at pH 2 and 3 with an average value of 2.009 ± 0.105 x 10-6 m2/V.s. At pH 4, 5 and 6, the electrophoretic mobility was stable with an average value of 1.225 ± 0.051 x 10-6 m2/V.s. By increasing the pH, electrophoretic mobility decreased because of the deprotonation phenomenon of the amine group. By decreasing the concentration, the electrophoretic mobility decreased.

Following these fundamental studies, the separation by an electrodialysis with ultrafiltration membrane (EDUF) system of a chitosan oligomer mixture was studied. The third sub-objective was to study the effect of ultrafiltration membrane molecular weight cut-offs on chitosan oligomers electromigration rates and kinetics. Five cellulose ester ultrafiltration membranes of 500, 1000, 5000, 10000 and 20000 Da MWCO were used. The membrane molecular weight cut-off had a significant effect on the electromigration rate of each chitosan oligomer, as well as on the possibility of their separation. The dimer showed the highest electromigration rates with average values which varied from 5.71 ± 0.95% up to 14.45 ± 1.43% with 1000 and 20000 Da MWCO UF-membranes, respectively. The effect of the processing time and the oligomers chain length was interpreted. Following this objective, an UF-membrane of 10000 Da MWCO was selected for the future objectives. The fourth sub-objective was to study the effect of the pH on the electromigration rate of the studied oligomers and their kinetics. pH 4 and solution flow velocity of 0.5 cm/s (300 mL/min) were used. pH had a significant effect on the electromigration rate of the oligomers and the possibility of their separation. After 4h of treatment, the dimer showed the highest electromigration rates with mean values of 11.50 ± 4.33, 10.61 ± 0.21, 8.30 ± 0.34 and 5.52 ± 0.38% at pH values of 4, 5, 6 and 7, respectively. Trimer electromigration rates were lower than that of the dimer. Between pH 4 and 7, it migrated with mean values of 8.52 ± 1.45 and 0.83 ± 0.43%, respectively. The effect of the processing time, electrophoretic mobility and oligomers chain length were interpreted. It was possible to obtain a fraction composed by the dimer and trimer at pH 4 and 5 until 2 and 3h, respectively. At pH 6, the tetramer did not migrate during the 4h of treatment. At pH 7, it was possible to obtain dimer pure fraction until 2h of treatment. No electromigration was observed at pH 8 and 9. In the fifth sub-objective, the effect of the applied external electric field (2.5, 5 and 10 V/cm, corresponding to an applied volatage of 5, 10 and 20 V, respectively) to the electrodialysis with ultrafiltration membrane (EDUF) system and solution flow velocity (2.77, 8.33 and 13.88 cm/s corresponding to flow rates of 100, 300 and 500 mL/min, respectively) on the electromigration rate and kinetics of the oligomers were studied. The solution flow velocity did not show any effect on the electromigration rate of the oligomers whereas the applied electric field strength had a significant effect on both electromigration rate and separation of the studied oligomers. At 2.5 V/cm, it was possible to obtain a solution composed only by the dimer and trimer until 2 h of treatment. Using and electric field strength of 2.5 V/cm, the dimer migrated with an average rate of 10.20 ± 3.04% and the trimer with an average value of 8.52 ± 1.66%. By increasing the electric field strength up to 5 and 10 V/cm (voltage of 10 and 20 V, respectively), there was no separation of the studied chitosan oligomers.

Les travaux de cette thèse ont été réalisés dans le cadre d’un projet de recherche financé par le Fond québécois de la recherche sur la nature et les technologies (FQRNT) portant sur l’optimisation électrodialytique de la transformation du chitosane en oligomères. Comme volet de ce projet, la présente thèse a été réalisée sur l’étude de la mobilité électrophorétique des oligomères de chitosane et l’application des résultats pour séparer un mélange d’oligomères dans un système d’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration (EDUF). Cette thèse n’est pas l’aboutissement des efforts solitaires d’un seul étudiant. Diverses personnes ont contribué au succès de ce travail.

D’abord, j’aimerais saluer la contribution de mon directeur de recherche, Dr Laurent Bazinet. Sans son soutien constant, cette thèse n’aurait jamais pu voir le jour. C’est lui qui, par sa latitude et son enthousiasme, m’a fourni la volonté nécessaire me permettant de mener à bien ce projet. Depuis le début, il m’a accordé sa confiance et, pour cela, je l’en remercie sincèrement. Je le remercie également pour ses critiques objectives qui sont à l’origine de mon amélioration.

J’aimerais également saluer la contribution de mon co-directeur, Dr. Mircea-Alexandru Mateescu. Son enthousiasme et sa grande ouverture d’esprit ont été appréciés tout au long de la réalisation de ce projet.

Mes remerciements vont également au Dr. Joseph Arul pour sa généreuse contribution à la réalisation des articles.

Je désire aussi saluer la collaboration de Serge Brunet d’ISM Biopolymer. Sa confiance et sa générosité sont cordialement appréciées.

Mes remerciements vont également à Monica Araya-Farias pour son soutien technique et à Mr Alain Gaudreau pour les analyses HPLC.

Merci également au Dr. Gaston Picard, qui aura bien voulu effectuer la pré-lecture de ma thèse et à tous les membres du jury.

κ

Electrical conductivity, Conductivité électrique, (mS.cm-1)

Ω

Electrical resistance unity, Résistance électrique, (Ohm, Ω)

μ

Electrophoretic mobility, Mobilité électrophorétique, (m2/V.s)

τ

Time, Temps (h)

ΔMi

Mole number, Nombre de mole, (mole)

A

Electrode area, Surface de l’électrode, (cm2)

AEM

Anion exchange membrane, Membrane échangeuse d’anions

BSA

Bovin serum albumin, Albumine du sérum bovin

C

Cathode

d

Solution flow velocity (flow rate), Vitesse (débit) de la solution (cm/s, m3/s, mL/min)

DP

Degree of polymerisation, Degré de polymerisation

E

Electric field strenght, Force du champ électrique, (V/cm)

ED

Electrodialysis, Electrodialyse

EDUF

Electrodialysis with ultrafiltration membrane, Electrodialyse avec membrane d’ultrafiltration

EMR

Electromigration rate of i- th chitosan oligomer, (%), Taux d’électromigration de l’oligomer i -th

Et-OH

Ethanol, Éthanol

F

Faraday constant, Constante de Faraday, (96500 C/mole)

Gm

Membrane conductance, La conductance de la membrane, (mS)

G m+ s

Overall conductance of the membrane and electrolyte solution, Somme des conductances de la solution d’électrolyte et de la membrane, (mS)

G s

Electrolyte solution conductance, La conductance de la solution d’électrolyte, (mS)

HPLC

High performance liquid chromatography, Chromatographie liquide haute performance

I

Current intensity, Intensité du courant électrique, (Ampers, A)

IP

Isoelectric point, Point isoélectrique

l

Membrane thickness, Épaisseur de la membrane, (cm)

K+

Potassium ion, Ion de potassium

LMWC

Low molecular weigth chitosan, Chitosan de faible poids moléculaire

M

Mole

M+

Positively charged molecule, Molécule chargée positivement

M-

Negatively charged molecule, Molécule chargée négativement

M0

Neutral molecule, Molécule neutre

MEI

Ion exchange membrane, Membrane échangeuse d’ion

mS

Mili-Siemens

MWCO

Molecular weight cut-off, Seuil de coupure (taille de pore)

Na+

Sodium ion, Ion sodium

PM

Porous membrane, Membrane poreuse

Q

Total quantity of electricity, Quantité totale d’électricité, (Coulomb)

r

Radius, Rayon, (m)

R m

Transversal membrane electric resistance, Résistance électrique, (Ω)

Rs

Electrolyte solution (0.1 M NaCl) resistance, Résistance électrique de la solution 0.1 M NaCl

S

Active ultrafiltration membrane area, Surface active de la membrane d’ultrafiltration, (m2)

S 0 (i)

Pick area of the i- th chitosan oligomer at t = 0 h in the initial feed chitosan oligomer mixture solution.

S i, ( t )

Pick area of i- th chitosan oligomer at a given time

U

Voltage, (V)

UF

Ultrafiltration

MUF

Ultrafiltration membrane, Membrane d’ultrafiltration

v

Linear velocity, Vitesse Linéaire

Vx

Linear velocity (speed) perpendicular to the membrane, Vitesse linéaire dans le sens perpendiculaire à la membrane

Vy

Linear velocity (speed) parallel to the membrane, Vitesse linéaire dans le sens parallèle à la membrane, (m/s)

W-solution

Chitosan oligomers solution, Solution d’oligomères de chitosan

X

Maximal distance, Distance maximale

Z

Valence, Valence (nombre de charge)

© Mohammed Aider, 2007