Development of electron microscopy approaches for the characterisation of organic membranes and key mechanisms of biomolecule filtration
Développement de méthodes de microscopie électronique pour la caractérisation des membranes organiques et des mécanismes clés de la filtration des biomolécules
Résumé
Membrane filtration processes are used to concentrate, separate and purify the components of a complex mixture in the liquid phase. Recently, membrane filtration processes have been adapted to the valorisation of microalgae, where filtration using nanoporous polymer membranes is used to separate and recover lipids and proteins from the aqueous extracts of ground microalgae. The recovered biomolecules can be used in the pharmaceutical industry, cosmetics, food complements or the biofuel industry such as biodiesel. However, during filtration, unwanted accumulation of biomolecules on the surface and in the pores of the membrane, called fouling, hampers the membrane performance and is the main limitation of the filtration process. Detailed characterisation of the pore structure and organisation of biomolecules on and in the membrane is essential to understand and then help minimise fouling. The 3D FIB/MEB allowed us to obtain the 3D structural parameters of two membranes (PES and PAN) and thus highlight a selective layer. Using cryogenic conditions (cryo-FIB/MEB), we examined hydrated and fouled membranes after filtration, while minimising damage to polymers, the biomolecules and their organization. In this way, lipids and proteins were located within the native structure of the material. In this way, a contrast enhancement method for these two classes of biomolecules, a means of distinguishing them in complex mixtures, as well as 3D reconstruction protocols adapted to these low contrast materials and interfaces were developed. The different technical challenges encountered at room temperature or cryogenic temperature are discussed. This work opens a new way of obtaining quantitative structural data, useful both for understanding fouling mechanisms, to help design new filtration membranes, but also to feed predictive models built from the nanoscale.
Les procédés de filtration membranaire permettent de concentrer, séparer et purifier les composants d'un mélange complexe en phase liquide. Récemment, les procédés de filtration membranaire ont été adaptés à la valorisation des microalgues, où la filtration utilisant des membranes polymères nanoporeuses est utilisée pour séparer et concentrer les lipides et les protéines des extraits aqueux de microalgues broyées. Les biomolécules récupérées peuvent être utilisées dans l'industrie pharmaceutique, les cosmétiques, les compléments alimentaires ou l'industrie des biocarburants comme le biodiesel. Cependant, au cours de la filtration, l'accumulation indésirable de biomolécules à la surface et dans les pores de la membrane, appelée colmatage, entrave les performances des membranes et constitue la principale limitation du procédé de filtration. Une caractérisation détaillée de la structure des pores et de l’organisation des biomolécules sur et dans la membrane est essentielle pour comprendre puis aider à minimiser son colmatage. Pour répondre à ce besoin, plusieurs techniques de microscopie électronique ont été explorées et développées pour la première fois. Le 3D FIB/MEB nous a permis d’obtenir les paramètres structuraux 3D de deux membranes (PES et PAN) et ainsi mettre en évidence une couche sélective. Grâce à l’utilisation de conditions cryogéniques (cryo-FIB/MEB), nous avons caractérisé les membranes hydratées et celles colmatées après filtration, tout en minimisant les dommages sur les polymères, les biomolécules et leur organisation. Ainsi, les lipides et les protéines ont été localisés au sein de la structure native du matériau. Pour mener à bien ces caractérisations, une méthode de rehaussement de contraste des deux classes de biomolécules, un moyen de les distinguer dans des mélanges complexes, ainsi que des protocoles de reconstruction 3D adaptés à ces matériaux et interfaces à faible contraste ont été développés. Les différents défis techniques rencontrés à température ambiante ou en conditions cryogéniques sont discutés. Ce travail ouvre une nouvelle voie d’obtention de données structurales quantitatives, utiles à la fois pour comprendre les mécanismes de colmatage, pour aider à la conception de nouvelles membranes de filtration, mais aussi pour alimenter des modèles prédictifs construits à partir de l'échelle nanométrique.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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