Réduction du colmatage peptidique des membranes échangeuses d’ions en électrodialyse : Identification des mécanismes sous-jacents et optimisation par conditions électroconvectives

La nécessité de valoriser les co-produits laitiers, dans un souci de croissance économique dans ce secteur, a conduit à l’émergence de nouveaux ingrédients. Par exemple, les hydrolysats de protéines lactosériques constituent une source importante de peptides potentiellement bioactifs. Toutefois, l’isolation et la purification de telles molécules semblent nécessaires afin d’améliorer leur bioefficacité. Les peptides peuvent être dessalés par électrodialyse (ED) mais leur colmatage sur les membranes échangeuses d’anions (MEA) et de cations (MEC) diminue l’efficacité du procédé. Dans cette optique, la présente étude a pour objectifs (1) d’identifier, caractériser et quantifier les séquences peptidiques responsables du colmatage des MEA et MEC, (2) de mieux comprendre les mécanismes sous-jacents au colmatage et (3) d’évaluer l’impact des différents régimes de courant en ED quant-à l’éventuelle prévention du colmatage. Dans un premier temps, le colmatage a été généré en condition statiques sans application de courant puis caractérisé. Dans un second temps, les phénomènes de dissociation d’eau et d’électroconvection ont été étudiés afin d’optimiser le procédé in-situ avec courant. Ainsi, en conditions statiques, les MEA chargées positivement (N+(CH3)3), présentaient un colmatage plus élevé à pH 6 et 10 qu’à pH 2. Les analyses HPLC-MS ont révélé que les peptides VLVLDTDYK, TPEVDDEALEK et IDALNENK (chargés négativement à pH 6 et 10) constituaient 86% du colmatage à ces pH alors qu’aucun peptide n’a été détecté à pH 2. Par conséquent, des interactions électrostatiques entre les charges peptidiques (COO-) et les groupements des MEA se sont établies. Concernant les MEC chargées négativement (SO3-), le colmatage était plus important à pH 6 qu’à pH 2 et 10. En outre, les analyses HPLC-MS ont révélé qu’à pH 6, les séquences ALPMHIR et TKIPAVFK chargées positivement (NH3+) ont établit des interactions (1) électrostatiques peptide/MEC créant une première couche puis (2) hydrophobes peptide/peptide via leurs résidus hydrophobes respectifs générant une seconde couche. Néanmoins à pH 2, le colmatage était moindre alors que ces peptides portaient théoriquement davantage de charges positives. Il est possible qu’à pH acide, les charges membranaires des MEC aient été protonnées (HSO3) et donc non chargées contrecarrant ainsi l’établissement d’interactions électrostatiques. Dans la seconde partie avec application de courant, le colmatage respectif des MEA et MEC a été réduit de 62 et 36 % en conditions électroconvectives. Les résultats démontrent que travailler à pH acide ou en régime post-limite permettrait de limiter voire d’éviter totalement le colmatage des membranes augmentant ainsi leur durée de vie et l’efficacité du procédé. Cette thèse propose différents mécanismes de colmatage en fonction de la nature de la MEI et des caractéristiques physico-chimiques des peptides. L’utilisation future de séquences peptidiques modèles, connues et synthétiques permettrait d’améliorer davantage les connaissances de ces mécanismes.In the dairy industry, the economical growth led to the necessity of creating high added-value products from low commercial value by-products. For example, whey proteins hydrolysates (WPH) are an important source of peptides potentially bioactive. However, bioactive peptides need to be isolated and purified in order to enhance their bioactivities. The WPH demineralization by conventional electrodialysis (ED) may lead to peptide fouling on anion (AEM) and cation-exchange membranes (CEM) and decrease the process efficiency. Therefore, this study aimed (1) to identify, characterize and quantify the peptide sequences responsible for membrane fouling, (2) to better understand the mechanisms involved in peptide fouling and (3) to evaluate the impact of non-conventional ED modes on fouling. In a first phase, peptide fouling was generated and characterized in static conditions and without applying current. In a second phase, fouling was carried-out in real hydrodynamic conditions using ohmic, limiting and overlimiting currents in order to optimize the demineralization process. Results showed that in static conditions for AEMs, fouling was important at pH 6 and 10 and absent at pH 2. Based on HPLC-MS results, the VLVLDTDYK, TPEVDDEALEK and IDALNENK sequences (negatively charged at pH 6 and 10) represented 86% of the total fouling at these pH values whereas no peptide was detected at pH 2. Consequently, electrostatic interactions were established between the negative peptide charges (COO-) and positive AEM charges (N+(CH3)3). Concerning the CEMs, fouling was more important at pH 6 than 2 and 10. At pH 6, ALPMHIR and TKIPAVFK sequences firstly established electrostatic interactions with the negative CEM charges (SO3-) through their positive residues (NH3+) creating a first layer. Secondly, peptide/peptide interactions occurred through their respective hydrophobic residues creating a second layer. Nonetheless at pH 2, fouling was twice lower whereas peptides carried more positive charges. It is possible that for acidic pH values, CEM charges were partially protonated (HSO3) and consequently neutralized and unable to establish electrostatic interactions. Finally during a demineralization step in hydrodynamic conditions, fouling of AEM and CEM was reduced using overlimiting current by 62 and 36 %, respectively. According to these results, working at acidic pH values or using overlimiting conditions would hamper nay avoid fouling on membranes which would increase their lifetime and effectiveness. Different fouling mechanism models depending on the nature of IEM and the physicochemical characteristics of peptides are suggested in this thesis. In the future, the use of synthetic and well-characterized peptide sequences would enable to improve the knowledge of these mechanisms