FR2826668A1 - Reacteur electrochimique a membrane filtrante - Google Patents

Abstract

La présente demande est relative à un réacteur électro-membranaire qui est spécialement adapté aux réactions électro-catalytiques, et à des procédés le mettant en oeuvre. Le réacteur selon l'invention combine, dans un même compartiment de travail, des moyens de filtration sur membrane, et des moyens électrochimiques de manière à maintenir certains agents réactifs libres en solution mais en les retenant à proximité immédiate de l'électrode de travail.

Description

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La présente invention a pour objet un réacteur électrochimique à membrane filtrante. Le réacteur électrochimique selon l'invention est spécialement adapté à la transformation d'un substrat en produit par électro-catalyse dans les conditions de l'industrie. La présente invention vise également l'utilisation de ce réacteur pour la régénération, ou le cas échéant l'activation, d'un médiateur électrochimique, ainsi que des procédés le mettant en oeuvre.

Le réacteur selon l'invention combine l'utilisation de moyens de filtration sur membrane et de moyens électrochimiques au sein d'un même compartiment de travail.

Plus particulièrement, il comprend une membrane de filtration placée à proximité de l'électrode de travail de sorte à maintenir par filtration sélective certains agents réactifs à proximité de cette électrode : la membrane du réacteur selon l'invention est choisie et disposée de manière à maintenir par filtration certains agents réactifs en confinement avec l'électrode de travail, tout en laissant filtrer à travers elle d'autres composés du milieu réactionnel, tels que notamment le produit de la réaction.

Réaliser une réaction électro-catalytique à l'échelle industrielle implique non seulement la maîtrise analytique de la réaction catalytique et de la réaction chimique ou biochimique en question, mais aussi de disposer d'un réacteur capable de traiter des concentrations initiales en substrat et des volumes réactionnels particulièrement importants, et cela à l'aide de technologies rentables et applicables au milieu industriel.

Pour répondre à ces besoins, l'état de la technique propose différents types de réacteurs qui permettent de conduire à la fois une réaction électrochimique et une réaction catalytique, par exemple une réaction de transformation d'un substrat en produit catalysée par une enzyme et associée à une oxydo-réduction. La plupart de ces réacteurs comprennent une membrane, mais, à la connaissance de la Demanderesse, aucun d'entre eux ne comprend une membrane qui a été choisie et qui est disposée de manière à maintenir un agent réactif à proximité de l'électrode de travail par filtration sélective.

Il a par exemple été décrit un dispositif qui associe des moyens d'ultrafiltration et des moyens électrochimiques. Ce dispositif est constitué de deux réacteurs disposés

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en série : un réacteur membranaire d'ultrafiltration, et un réacteur électrochimique. Ces deux réacteurs sont donc séparés, et la membrane d'ultrafiltration est choisie et disposée dans le dispositif de manière à laisser filtrer le produit de la réaction hors de ce dispositif, tout en maintenant le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs à l'intérieur du circuit série. Dans ce dispositif, la membrane ne maintient donc pas le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs en confinement avec l'électrode de travail : ils circulent librement dans le circuit. Ce dispositif de l'art antérieur permet une récupération aisée du produit souhaité, mais ne conduit pas à des rendements de production optimisés. En outre, la circulation du catalyseur et des autres produits réactifs dans la boucle peut entraîner la dégradation de ces composés.

D'autres réacteurs électro-catalytiques de l'art antérieur comprennent en leur sein une membrane filtrante. Celle-ci est toutefois disposée de manière à séparer le compartiment électrolytique auxiliaire dans lequel baigne la contre-électrode, du compartiment de travail dans lequel baigne l'électrode de travail. Cette membrane de filtration est choisie de manière à assurer la conduction ionique entre le compartiment auxiliaire et le compartiment de travail, tout en interdisant le passage de tout réactif ou produit vers la contre-électrode. Le plus généralement, il s'agit d'une membrane de Nation&commat;. Une telle membrane maintient le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs dans le compartiment de travail, mais elle n'est pas disposée de manière à les maintenir en confinement avec l'électrode de travail. Elle n'est en outre pas choisie de manière à laisser filtrer à travers elle un composé du milieu réactionnel tel que par exemple le produit de la réaction.

Alternativement, ont également été développées dans l'art antérieur des techniques consistant à greffer le catalyseur ou les éventuels autres agents réactifs à la surface de l'électrode de travail, ou à modifier la surface de cette électrode de manière à y intégrer le catalyseur ou les éventuels autres agents réactifs. Ces diverses modifications physiques conduisent le plus souvent à de meilleurs rendements que lorsque le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs sont libres en solution dans l'ensemble du compartiment de travail. Elles présentent toutefois l'inconvénient de ne pas être adaptées à toutes les situations réactionnelles : sont le plus souvent constatés des problèmes d'affinités insuffisantes avec le support, ou de modifications

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inappropriées de la configuration des molécules impliquées dans la réaction. Ces techniques sont en outre délicates et lourdes à mettre en oeuvre à l'échelle industrielle.

En tout état de cause, dans aucun de ces systèmes, le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs ne sont maintenus en confinement avec l'électrode de travail par filtration sélective.

La Demanderesse a quant à elle mis au point un nouveau type de réacteur. Il s'agit d'un réacteur électrochimique qui comprend une membrane de filtration placée à proximité de l'électrode de travail, et qui est pourvu de moyens destinés à imprimer un flux d'électrolyte à travers cette membrane de filtration. Ces moyens de flux et cette membrane de filtration sont choisis et disposés de telle sorte qu'au moins un des agents réactifs contenus dans l'électrolyte (par exemple un catalyseur) est retenu à proximité, et préférentiellement en confinement avec l'électrode de travail par filtration sélective sur la membrane de filtration. Le réacteur électro-membranaire selon l'invention est spécialement adapté aux réactions de transformation d'un substrat en produit par électro-catalyse. Il ne présente pas les inconvénients des dispositifs de l'art antérieur. Il est facile à mettre en oeuvre et à contrôler en milieu industriel, et il est fonctionnel quelle que soit la réaction mise en oeuvre. En outre, il optimise les rendements de production, et minimise les besoins en catalyseurs et réactifs. Lorsqu'il est mis en oeuvre pour une réaction impliquant un médiateur électrochimique, il permet en outre d'activer, ou le cas échéant de régénérer ce médiateur, ce qui conduit à des économies substantielles de réactifs. Il présente de plus l'avantage de permettre des transformations électro-catalytiques que d'autres dispositifs ne permettent pas, ou seulement à de très faibles rendements (cf notamment exemple comparatif 6 cidessous). Les raisons de cette efficacité ne sont pas encore complètement déterminées, mais font sans doute intervenir la capacité du réacteur selon l'invention à optimiser les interactions entre les acteurs de la réaction, tout en limitant voire éliminant les réactions secondaires non désirées telles que par exemple des réactions d'inhibition enzymatique, ou la formation de complexes entre les différents réactifs.

La présente demande vise donc un réacteur électrochimique spécialement adapté à la transformation d'un substrat en produit à l'aide d'un catalyseur et d'éventuels

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autres agents réactifs, qui comprend une enceinte destinée à contenir le milieu réactionnel dans laquelle sont disposées : une électrode de travail qui permet le passage des fluides, une contre-électrode, une membrane de filtration, ladite enceinte étant pourvue de moyens destinés à imprimer un flux de milieu réactionnel à travers la membrane de filtration, et la membrane de filtration étant disposée par rapport à l'électrode de travail de manière à ce qu'en fonctionnement elle puisse retenir à proximité immédiate de l'électrode, les composés qu'elle retient par filtration.

Ainsi, la membrane de filtration et l'électrode de travail sont, dans le dispositif selon l'invention, disposées l'une par rapport à l'autre de façon à ce que leurs surfaces actives respectives soient au moins partiellement en vis-à-vis proche. Par proximité immédiate , il est entendu dans la présente demande un espacement entre la surface de l'électrode et la membrane de filtration extrêmement faible par rapport aux dimensions du compartiment de travail du réacteur. Cet espacement est généralement tout au plus de l'ordre de quelques mm pour un réacteur filtre-presse rectangulaire de dimensions décamétriques, par exemple une distance inférieure au cm telle qu'une distance comprise entre 0 et 5 mm environ et préférentiellement entre 0 et 1 mm environ. L'espacement entre membrane de filtration et électrode de travail doit en effet être réduit à la valeur minimale possible, si l'on souhaite optimiser le fonctionnement du réacteur. Préférentiellement, la membrane de filtration est donc plaquée contre la surface de l'électrode.

Lorsque le substrat, le catalyseur, et les éventuels autres agents réactifs ont été choisis, cette membrane de filtration est avantageusement choisie de manière à être adaptée à la fonction de membrane semi-perméable sélective. En effet, il est particulièrement avantageux de choisir une membrane de filtration qui présente un seuil de coupure tel qu'en fonctionnement, cette membrane de filtration puisse retenir à proximité immédiate de l'électrode de travail, au moins un élément sélectionné dans le groupe constitué par le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs, tout en laissant

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filtrer à travers elle au moins un autre composé de la réaction (substrat, catalyseur, autres agents réactifs, produit).

En fonction des masses moléculaires des différents composés de la réaction, l'homme du métier sait choisir et disposer la membrane de filtration et les moyens de flux de manière à ce qu'ils puissent assurer les fonctions de filtration sélective souhaitées. Préférentiellement, la membrane de filtration présente un seuil de coupure tel que soit retenu en filtration le ou les catalyseur (s) de la réaction. Si nécessaire ou souhaité, il peut également choisir d'augmenter la masse moléculaire du catalyseur et/ou des éventuels autres agents réactifs qui ont été choisis pour la réaction, de manière à ce qu'ils soient retenus en filtration. Avantageusement, le seuil de coupure de la membrane de filtration est tel que le produit de la réaction puisse filtrer à travers elle. La membrane de filtration peut par exemple être sélectionnée dans le groupe constitué par les membranes de micro filtration, les membranes d'ultrafiltration, et les membranes de nanofiltration.

Tout moyen d'impression de flux que l'homme du métier trouvera adapté est approprié, il peut par exemple s'agir d'une pompe à engrenage.

A titre d'exemple de réalisation, le réacteur selon l'invention peut être du type filtre-presse. Les figures lA-1B et 2A-2B donnent des représentations schématiques d'un tel réacteur. Les figures lA et 2A représentent une vue éclatée du réacteur représenté sous forme montée en figures lB et 2B, respectivement. En figures lA et lB, le réacteur est composé d'un compartiment auxiliaire A qui contient la contre-électrode 1, et d'un compartiment de travail T qui contient l'électrode de travail 2. Les deux compartiments sont, dans cet exemple, séparés par une membrane de type Nation&commat; 3, qui assure la conduction ionique entre les deux compartiments mais interdit le passage de tout réactif ou produit. Le compartiment auxiliaire est composé d'une coque en matériau inerte 4, de type Plexiglas (3), qui est inclus dans une boucle qui comporte une pompe 5 et un bac de stockage 6. Lorsqu'il est nécessaire de désaérer la solution, le bac de stockage peut être balayé par un flux de gaz inerte tel qu'azote ou hélium. Le compartiment de travail est constitué de deux parties 7 et 8 en matériau inerte de type Plexiglas&commat;. Les parties 4,7 et 8 qui forment le corps du réacteur sont rendues solidaires par serrage. Des joints toriques ou plats dûment placés assurent l'étanchéité de

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l'ensemble. Le compartiment de travail est alimenté au point d'entrée 9 par une pompe 10. On veille à ce que les pressions aux points d'entrée des compartiments de travail et auxiliaire soient identiques, de façon à éviter des phénomènes parasites de passage de fluide à travers la membrane 3 de type Nation&commat;. La partie 7 du compartiment de travail contient l'électrode de travail 2 qui permet le passage du fluide ; elle est du type feutre de carbone, grille ou mousse de matériau métallique. La membrane de filtration 11, qui assure les fonctions de membrane semi-perméable sélective, est située entre les parties 7 et 8 du compartiment de travail ; elle est plaquée contre l'électrode, et la pièce 7 doit être la plus mince possible afin de minimiser le volume mort. La pièce 8 est usinée de façon à servir de support à la membrane 11, elle joue également le rôle de collecteur du fluide qui passe à travers cette membrane 11. Le fluide sort du compartiment de travail au point 12. Si nécessaire, une électrode de référence 14 peut être connectée au compartiment de travail par l'intermédiaire d'un capillaire 13. Les connections électriques 16 de l'électrode de travail, et celles 15 de la contre-électrode se font par un fil métallique, par exemple un fil de platine.

Dans certains cas, on gagnera à utiliser une configuration différente qui permet de placer la zone où sont retenus les composés catalyseurs face à la contre-électrode, c'est- à-dire dans les lignes de champ. Cette configuration est illustrée en Figures 2A et 2B.

L'organisation générale du réacteur est essentiellement identique à celle présentée en Figures 1A, 1B, mais avec une membrane de filtration 11 placée entre l'électrode de travail 2 et la pièce 7 du réacteur. Le compartiment auxiliaire est inchangé. L'entrée 9 du compartiment de travail se fait par la pièce 8. La pièce 7 est usinée de façon à servir de support à la membrane 11 et de collecteur du fluide qui passe à passe à travers la membrane 11 et sort au point 12.

Dans le réacteur selon l'invention destiné au fonctionnement, est placé un milieu réactionnel électrolytique, qui est généralement liquide. Les électrodes, et en particulier l'électrode de travail, sont préférentiellement choisies de manière à être électro-inactives par rapport au substrat et au produit de la réaction. L'électrode de travail doit permettre le passage des fluides. Avantageusement, elle est poreuse ou perméable aux fluides. L'électrode de travail peut ainsi être sélectionnée dans le groupe

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constitué par les électrodes en platine (par exemple, une grille de platine), les électrodes en carbone (par exemple, une électrode en feutre de graphite), les électrodes en tungstène.

Le réacteur électro-membranaire selon l'invention peut en outre comprendre une membrane échangeuse d'ions entre la contre-électrode et l'électrode de travail. Cette membrane échangeuse d'ions est choisie et disposée de manière à assurer la conduction électrolytique entre le compartiment auxiliaire où baigne la contre-électrode, et le compartiment de travail où baigne l'électrode de travail et la membrane de filtration, tout en interdisant le passage de tout catalyseur, agent réactif ou produit vers la contre-électrode. Il peut par exemple s'agir d'une membrane de Nafion (R). Le compartiment auxiliaire et le compartiment de travail peuvent alors recevoir des électrolytes de compositions différentes. Toute composition standard d'électrolyte est adaptée ; il peut par exemple s'agir de solutions tamponnées (phosphate de potassium, carbonate de potassium, le tris (hydroxyméthyl) aminométhane), ou d'une solution avec électrolyte support (chlorure de potassium).

Le réacteur prêt au fonctionnement est rempli d'un milieu électrolytique, généralement liquide. Le substrat, le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs alimentent cet électrolyte de manière à pouvoir interagir avec l'électrode de travail, et à parvenir dans l'enceinte, ou le cas échéant le compartiment de travail de cette enceinte, du côté filtrant de la membrane de filtration.

Selon un aspect avantageux du réacteur selon l'invention, le catalyseur de la réaction électro-catalytique est une enzyme. Avantageusement, il s'agit d'une oxydoréductase. Préférentiellement, ce catalyseur est sélectionné dans le groupe constitué par les glucose oxydases, les alcool déshydrogénases, les peroxydases, les lactate déshydrogénases. D'autres exemples de catalyseurs sont indiqués ci-après.

En plus du catalyseur, la transformation électro-catalytique peut faire intervenir un co-facteur réactionnel, à titre d'autre agent réactif. Le NAD+ est un co-facteur réactionnel d'intérêt pour de nombreuses réactions électro-catalytiques faisant intervenir une ou plusieurs enzymes.

En plus du catalyseur enzymatique et du co-facteur réactionnel, la transformation électro-catalytique peut également faire intervenir un médiateur

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électronique, à titre d'autre agent réactif. Des médiateurs électroniques d'intérêt comprennent le méthyl viologène (1, l'-diméthyle 4, 4'-bipyridinium, disponible notamment chez Sigma), et les complexes de rhodium tels que le pentaméthylcyclopentadienyl-2, 2'-bipyridine-chloro-rhodium (III) dont la production a été décrite par Steckhan 1994 (Topies in Current Chemistry, 170 : 84), Ruppert Herrmann et Steckhan, 1987 (Tetrahedron lett. 28 : 6583), Kôlle et Grätzel1987 (Angw. Chem., Int. Ed. Engl. 26 : 567), ou bien encore d'autres complexes de rhodium tels que ceux décrits dans la thèse de Sabine Herrmann, Bonn 1989 ("Entwicklung eines Polymer modifizierten Homogenkatalysators fur die redoxkatalytische Regeneration der Enzym-Cosubstrate Nicotinamidenindinucleotid und Nicotinamidenindinucleotidphosphat in ihren reduzierten Formen").

On peut noter que lorsque du méthyl viologène est utilisé à titre d'autre agent réactif, l'électrode de travail est préférentiellement une électrode de platine, et il est préférable de travailler en évitant l'oxygène (désaération).

La transformation électro-catalytique peut, en plus du catalyseur, du co-facteur réactionnel, et du médiateur électronique, également faire intervenir un deuxième catalyseur destiné à régénérer, ou le cas échéant activer, le médiateur électronique. C'est par exemple le cas lorsque l'on utilise du méthyl viologène à titre de médiateur électronique : une lipoamide déshydrogénase peut alors être utilisée pour la régénération, ou le cas échéant l'activation du méthyl viologène.

Le réacteur par lui-même n'impose aucune limitation concernant le type de réaction électro-catalytique que l'on peut y mener. Dans le réacteur destiné au fonctionnement, on peut ainsi placer tout type de substrat. Des exemples de substrat d'intérêt comprennent les aldoses tels que le glucose, les cétones telles que la cyclohexanone, l'oxygène, l'indole, l'acide pyruvique, de manière à produire, respectivement, des acides syaliques tels que l'acide gluconique, des alcools tels que le cyclohexanol, ou du peroxyde d'hydrogène, des molécules chirales comme l'acide Llactique. A titre illustratif, peuvent être citées les oxydations électroenzymatiques tels que :

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- l'oxydation énantio-sélective de mélange racémique d'alcools et l'oxydation de groupes pro-chiraux ou de meso-diols ou polyalcools par l'alcool déshydrogénase de foie de cheval NAD+ dépendante, - l'oxydation spécifique d'une fonction hydroxyl particulière d'un polyalcool pour éviter les étapes de protection et de protection de la chimie classique (étapes longues et coûteuses). A l'aide d'enzymes comme la glycérol déshydrogénase, la glycérol 3-phosphate déshydrogénase, la sorbitol déshydrogénase, l'hydroxy-stéroide déshydrogénase, toutes NAD+ dépendantes, ou l'alcool déshydrogénase de thermoanaerohium brockii
NADP+ dépendante, ou la galactose oxidase protéine de cuivre dépendante ou encore les enzymes FAD dépendantes comme la cholestérol oxydase et la pyranose oxydase, - la transformation d'une fonction alcool en aldéhyde ou cétone ou acide carboxylique par de l'alcool oxydase FAD dépendante ou des déshydrogénases PQQ dépendantes, l'oxydation de fonctions phénoliques par des phénol oxydases ou p-méthyl cresol oxydase ou 4-éthyl phénol méthylène hydroxylase pour obtenir des systèmes ortho-quinoiques ou des alcools chiraux p-hydroxybenzylaiques.

- l'utilisation des amine et amino oxydases comme la xanthine oxydase ou des enzymes aldéhyde oxydases similaires, pour réaliser des désaminations, la purification d'amino acides à partir d'énantiomères non désirés, ou réaliser l'oxygénation d'hétérocycles azotés.

De même, les réductions électroenzymatiques peuvent être réalisées, et par exemple celles qui utilisent la ferrodoxine-NADP+ réductase (FNR), lipoamide déshydrogénase (diaphorase), enoate réductase et les réductases acceptant le méthyl viologène comme médiateur permettant de balayer une large gamme de réductions.

Ainsi les synthèses de lactones, de stéroïdes, d'acides aminés à partir des substrats oxydés peuvent être réalisées à l'aide du réacteur selon l'invention.

Le réacteur selon l'invention peut, en plus de l'électrode de travail et de la contre-électrode, également comprendre une électrode de référence. Elle permet le

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contrôle et le pilotage du potentiel de l'électrode de travail. Elle peut par ailleurs servir de référence.

Selon un autre aspect particulièrement avantageux de l'invention, le réacteur permet d'activer, ou le cas échéant de régénérer un médiateur électrochimique. Cet aspect est d'un intérêt tout particulier dans un objectif de rentabilité industrielle.

La présente demande vise également tout procédé de synthèse chimique ou biochimique, qui met en oeuvre un réacteur électro-membranaire conforme à l'invention.

Elle vise également tout procédé de transformation électro-catalytique d'un substrat en produit à l'aide d'un catalyseur et d'éventuels autres agents réactifs, dans lequel le substrat est placé en présence du catalyseur et des éventuels autres agents réactifs dans un électrolyte où baigne une électrode de travail en conduction ionique avec une contre-électrode, caractérisé en ce qu'au moins un élément contenu dans l'électrolyte et sélectionné dans le groupe constitué par le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs est retenu à proximité immédiate de l'électrode de travail par filtration sélective. Le réacteur électrochimique selon l'invention est spécialement adapté à la mise en oeuvre de ce procédé, les dispositions relatives aux produits, substrats, catalyseurs et autres agents réactifs qui ont été développées ci-dessus s'appliquent donc mutatis mutandis à ce procédé.

L'invention est plus avant illustrée par les exemples qui suivent. Ces exemples en illustrent certains des avantages et effets surprenants, et en donnent des modes de réalisation, mais ils ne la limitent en aucune façon. Ainsi, il apparaîtra clairement à l'homme du métier que le réacteur, l'utilisation et les procédés selon l'invention peuvent être mis en oeuvre pour toute réaction qui peut être souhaitée. De même, le choix d'un seuil de coupure approprié est un choix technique de routine pour l'homme du métier souhaitant filtrer de manière sélective un ou plusieurs catalyseurs et/ou autres agents réactifs.

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EXEMPLES :
Exemple 1 : réduction de cyclohexanone (C6H10O) en cyclohexanol (C6HI20) dans un réacteur électrochimique à membrane filtrante.

La réaction mise en oeuvre est la transformation de la cyclohexanone (C6HIOO) en cyclohexanol (C6H12O). Cette réduction se fait par l'intermédiaire de deux réactions successives qui nécessitent chacune l'utilisation d'un catalyseur enzymatique. Sur l'électrode a lieu la réduction du méthyl viologène (1,1'-diméthyle-4, 4'-bipyridium,

[Ci2Hi4N2] ), noté My2+, en radical anion MV + :

MV+e'- MV +

L'espèce formée MV + réagit en solution avec le coenzyme nicotinamide adénine dinucléotide, noté NAD+, et le réduit en NADH. La réaction est catalysée par une lipoamide déshydrogénase (E. C. 1.8. 1.4), notée LipDH :

LipDH 2MV + + NAD+ + H± 2MV2+ + NADH

Le composé NADH réduit la cyclohexanone dans une réaction catalysée par un alcool déshydrogénase (E. C. 1. 1. 1. 1), notée ADH :

ADH NADH + CeHioO+H-. NAD+ + C6Hi20

Les composés MV/MV et NAD+/NADH jouent le rôle de médiateurs électrochimiques, puisqu'ils sont régénérés par le système réactionnel.

Dans cet exemple, on met en oeuvre un réacteur électrochimique à membrane filtrante du type de celui décrit en Figures 1A-1B (réacteur de type filtre-presse en plexiglas de forme rectangulaire), ayant les caractéristiques suivantes : - Dimension du compartiment auxiliaire : 15cm x 2cm x 0, 6cm - Dimension du compartiment de travail : 15cm x 2cm x 0, 6cm - Contre-électrode 1 : grille de platine (196 mailles. CM-2&commat; Engehard-CLAL) - Electrode de travail 2 : grille de platine (196 mailles. CM-2, Engehard-CLAL) - Electrode de référence 14 : électrode au calomel saturée (ECS)

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- Le potentiel est imposé à l'électrode de travail par rapport à l'électrode de référence par un potentiostat de type Solartron&commat; 1286 - Membrane d'ultrafiltration en cellulose 11 ayant un seuil de coupure de 5 kDa commercialisée par Hoechst High Chem (Wiesbaden, Allemagne), - Moyens de flux 10 : pompe à engrenage (Ismatec S. A.) Conditions expérimentales : - Electrolyte support : tampon phosphate O, 1M pH8, 0 - Volume de solution : 100ml - Potentiel imposé à l'électrode de travail :-0, 8V/ECS - Température ambiante - Pression constante dans chaque compartiment à 25mbar, ce qui correspond à un débit de 0,13 Ill/s.

La solution à traiter comprend :
96,5 mM de cyclohexanone de masse molaire 98g/mole (Prolabo réf. 23 236.294)
29 unités ADH, de masse molaire 80 OOOg/mol (à 1,1 U/mg, issue de foie de cheval, BioChemika réf. 5648) (1U d'enzyme permet de transformer une micromole de substrat par minute).

1 mM de NAD+ de masse molaire 663 g/mole (Boehringer Mannheim réf. 127 965)
5 mM de MV de masse molaire 186 g/mole (Sigma réf. M-2254)
500 unités LipDH (type III issue de coeur porcin à 134U/mg de protéine ; Sigma réf. L-2002) (1U d'enzyme permet de transformer une micromole de substrat par minute).

La membrane laisse filtrer la cyclohexanone, le cyclohexanol, NAD+, My2+ : seuls sont retenues par la membrane les deux enzymes (ADH et LipDH) qui ont des masses molaires très supérieures au seuil de coupure de la membrane.

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Après quelques heures de mise en régime, le taux de transformation en sortie de réacteur (point 12 de Fig. 1A) est constant.

On mesure alors les concentrations en cyclohexanone et en cyclohexanol par chromatographie en phase gazeuse, avec une colonne HP1 (Gomme de silicone de méthyle).

On obtient alors un taux de transformation de 26%.

Exemple 2 :
On procède comme dans l'exemple 1, mais en utilisant 750 unités de LipDH au lieu de 500. On obtient ainsi un taux de transformation de 45%.

Exemple 3 :
On procède comme dans l'exemple 1, mais en utilisant 1100 unités de LipDH au lieu de 500. On obtient ainsi un taux de transformation de 65%.

Exemple 4 :
On procède comme dans l'exemple 1, mais sans imposer de potentiel à l'électrode de travail. Après 24 heures de traitement, on ne détecte pas de cyclohexanol.

Le taux de transformation est de 0%.

Exemple 5 :
On retire du réacteur la membrane de filtration, et on garde les conditions opératoires de l'exemple 1.

Après 24 heures de traitement, on ne détecte pas de cyclohexanol. Le taux de transformation est de 0%.

Exemple 6 : exemple comparatif filtration/dialyse
On procède comme décrit dans l'exemple 1, mais la membrane de filtration est remplacée par une membrane de dialyse (seuil de coupure 12-14kDa, membrane Spectra/Por en cellulose régénérée commercialisée par Bioblock), et le flux d'entrée est tangentiel à la membrane, aucun flux ne traverse la membrane, il y a uniquement des

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transferts de solutés. On ne détecte aucune production de cyclohexanol après 62h de fonctionnement, malgré un ajout de 400U de LipDH après 18h de fonctionnement. Le taux de transformation est de 0%.

Exemple 7 :
La réaction mise en oeuvre est la transformation de la cyclohexanone (CeHioO) en cyclohexanol (CeHO). Cette réduction se fait par l'intermédiaire de deux réactions successives.

La réaction de synthèse est identique à celle de l'exemple 1. La régénération de NADH est réalisé grâce à un complexe de rhodium (pentaméthylcyclopentadiényl-2, 2'bipyridine-chloro-rhodium (III)) noté [Cp*Rh (bpy) Cl] + et réduit à l'électrode :

[Cp*Rh (bpy) Cl] + + H+ + 2 e- [Cp*Rh (bpy) H] + + Cl-
L'espèce formée [Cp*Rh (bpy) H] + réagit en solution avec le coenzyme nicotinamide adénine dinucléotide, noté NAD+, et le réduit en NADH sans catalyse enzymatique :

[Cp*Rh (bpy) Hl+ + NAD+ + [Cp*Rh (bpy) Cl] + + NADH
Le composé NADH réduit la cyclohexanone selon la même réaction enzymatique indiquée dans l'exemple 1.

Le réacteur électrochimique utilisé dans cet exemple est identique à celui utilisé dans l'exemple 1 à l'exception de l'électrode de travail 2 : feutre de carbone (RVG 2000, Carbone-Lorraine).

Conditions expérimentales : identiques à l'exemple 1 à l'exception du débit d'entrée qui est variable, et de l'électrolyte support qui est du Tris (hydrozyméthyl) anunométhane 0,1 M ; pH 7,5.

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La solution à traiter comprend : - 96, 5 mM de cyclohexanone de masse molaire 98 g/mole - 20 unités ADH de masse molaire 80 OOOg/mole (à 1,6 U/mg, issue de foie de cheval, Sigma ref A6128) - 1 mM de NAD+ de masse molaire 663 g/mole - 1 mM de complexe de rhodium de masse molaire 483 g/mole
Pour un débit de circulation de 0, 075/lus, un taux de transformation de 55% est obtenu. L'augmentation du débit de circulation entraîne une diminution du taux de transformation. En effet pour un débit de 0, 3 ul/s et 0, 45/lys, des taux de transformation de 45% et de 33% sont respectivement obtenus.

Exemple 8 :
On procède comme dans l'exemple 7, mais le débit reste constant au cours du temps. Pour un débit constant de 0, 075/lI/s, le taux de transformation atteint une valeur seuil constante de 75% pendant 36 heures. Il est raisonnable de penser qu'un taux de transformation de 100% serait atteint pour un débit encore plus faible. Toutefois les temps de manipulation deviendraient en contre partie beaucoup trop longs.

Exemple 9 : réacteur électrochimique à membrane filtrante en mode recyclage
Afin d'augmenter le taux de transformation du substrat en produit, il est bien entendu possible d'augmenter le temps de séjour dans le réacteur, par exemple en ralentissant le débit. Toutefois, les temps de manipulation seraient alors plus longs.

Une solution proposée dans le cadre de la présente invention pour augmenter le taux de transformation est de réduire le temps de séjour de chaque passage dans le réacteur tout en multipliant les passages dans le réacteur électro-membranaire. Pour ce faire, la membrane d'ultrafiltration 11 du réacteur de l'exemple 1, dont le seuil de coupure est de 5kDa, est remplacée par une membrane d'ultrafiltration 11 dont le seuil de coupure est plus élevé (tout en restant suffisant pour ne pas laisser filtrer les catalyseurs enzymatiques utilisés), par exemple un seuil de coupure de 30 kDa. Ensuite, on ne collecte plus la solution en sortie, mais on la recycle dans le réacteur. Un bac de

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stockage peut être inséré dans le circuit, afin d'accumuler la solution en sortie pour ensuite la re-diriger vers l'entrée du réacteur. Comme moyens de flux 10, une pompe à engrenage est alors utilisée. Après 70h de fonctionnement d'un tel réacteur électromembranaire par filtration à recyclage, le taux de trasnfonnation est de 100% : la solution ne contient plus aucune trace de cyclohexanone, mais uniquement du cyclohexanol. A titre comparatif, les résultats ainsi obtenus avec recyclage sont environ 6 fois plus performants qu'en l'absence de recyclage.

Exemple 10 :

La réaction mise en oeuvre est la production d'une molécule chirale, l'acide Llactique (C3H603) à partir de l'acide pyruvique (C3H403) Cette réduction se fait par l'intermédiaire de deux réactions successives.

La réaction de synthèse est la suivante :

L-LDH NADH+C3H403+H"- NAD+C3H603

La régénération de NADH est identique à celle de l'exemple 7 (utilisation du complexe de rhodium).

Le réacteur électro-membranaire utilisé dans cet exemple est identique à celui utilisé dans l'exemple 7 à l'exception de la membrane d'ultrafiltration en cellulose 11 ayant un seuil de coupure de 30 kDa commercialisée par Hoechst High Chem (Wiesbaden, Allemagne).

Conditions expérimentales : électrolyte support : Tris (hydroxymethyl) aminomethane 0,1 M, pH 7,5 - volume : 1100 ml traité - potentiel imposé à l'électrode de travail :-0, 80 V/ECS - température ambiante

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- pression constante dans chaque compartiment à 60 mbar, ce qui correspond à un débit moyen de 6 ul/s La solution à traiter comprend : - 4, 8 mM d'acide pyruvique de masse molaire 88, 06 g/mole (Sigma réf. P1656) - 1030 unités de L-LDH de masse molaire 140000 g/mole (à 858 U/mg, issue de muscle de lapin Sigma réf. L1254) - 1 mM de NAD+ de masse molaire 663 g/mole - 0, 5 mM de complexe de rhodium de masse molaire 483 g/mole
Plus d'un litre de solution a été traité avec un taux de transformation supérieur à 45%. Le réacteur a fonctionné pendant plus de 75 heures sans ajout d'enzyme supplémentaire.

Exemple 11 : oxydation de l'indole (CsHN) en oxindole fCxHNO dans un réacteur électro-membranaire à membrane filtrante.

La réaction mise en oeuvre est la transformation de l'indole (CgH7N) en oxindole (CgH7NO). Cette oxydation se fait en présence de peroxyde d'hydrogène et nécessite l'utilisation d'un catalyseur enzymatique. Sur l'électrode a lieu la production du

peroxyde d'hydrogène par réduction de l'oxygène dissous en solution :

02 + 2H+ + 2e-- > H202

Le peroxyde d'hydrogène réagit en solution avec l'indole et l'oxyde en oxindole.

La réaction est catalysée par une chloroperoxidase (E. C. 1. 11. 1. 10), notée CPO :

CPO H202+ind- Ox+HzO

Dans cet exemple, on met en oeuvre un réacteur électro-chimique à membrane filtrante du type de celui décrit en Figures lA-lB (réacteur de type filtre-presse en plexiglas de forme rectangulaire), ayant les caractéristiques suivantes :

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dimensions du compartiment auxiliaire : 15cm x 2cm x 0,6 cm - dimensions du compartiment de travail : 15cm x 2cm x 0,6cm - contre-électrode 1 : grille de platine (96 mailles. CM-2&commat; Engehard-CLAL) - électrode de travail 2 : voile de carbone (épaisseur 0,05 cm, Comaip, France) - électrode de référence 14 : électrode au calomel saturée - le potentiel est imposé à l'électrode de travail par rapport à l'électrode de référence par un potentiostat de type SolartronR 1286 - membrane d'ultrafiltration en cellulose 11 ayant un seuil de coupure de 30 kDa commercialisée par Hoechst High Chem (Wiesbaden, Allemagne) - Moyens de flux 10 : pompe à engrenage (Ismatec S. A.) Conditions expérimentales : - électrolyte support : solution aqueuse d'acétate 0,1 M pH 4,0 et 2-méthyl-2- propanol dans les proportions 70/30 - volume 100 ml - potentiel imposé à l'électrode de travail :-1, 20 V/ECS - température ambiante - pression constante dans chaque compartiment à 70 mbar, ce qui correspond à un débit moyen de 0,5 ul/s La solution à traiter comprend : - 1 mM d'indole de masse molaire 117,2 (Sigma reef 10750) - 100 unités de CPO de masse molaire 42000 à 1500 U/. mg, issue de Caldeariomyces fumago (Sigma réf. C8902)
La membrane laisse filtrer l'indole et l'oxoindole produit, seule l'enzyme (CPO) est retenue par la membrane. Les concentrations en indole et oxindole sont mesurées par chromatographie liquide (Hewlett Packard 1050), avec une colonne C18 (diamètre 4,6

mm, longueur 150 mm, garnissage 4 jim, Novapack, Waters), un éluant méthanol/eau (50/50) au débit de 1 ml. min' et une détection spectrophotométrique à la longueur d'onde de 254 nm. Après environ 4 heures de mise en régime, le taux de transformation

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en sortie de réacteur (point 12 de Fig 1A) est égal à 37 %, il diminue ensuite au cours du temps, mais reste supérieur à 20% pendant plus de 5 heures.

Exemple 12 : L'exemple 10 est repris avec le même réacteur électrochimique, dans les mêmes conditions expérimentales. La membrane d'ultrafiltration n'est pas disposée dans le réacteur. L'enzyme (CPO) est en solution et circule librement avec le flux de solution. Dans ce cas, aucune production d'indole n'est mesurée après 10 heures de fonctionnement.

Claims (17)

REVENDICATIONS

1. Réacteur électro-membranaire spécialement adapté à la transformation électro-catalytique d'un substrat en produit à l'aide d'un catalyseur et d'éventuels autres agents réactifs, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte destinée à contenir le milieu réactionnel dans laquelle sont disposées : - une électrode de travail (2) qui permet le passage des fluides, - une contre-électrode (1), - une membrane de filtration (11), ladite enceinte étant pourvue de moyens (10) destinés à imprimer un flux de milieu réactionnel à travers la membrane de filtration (11), et la membrane de filtration (11) étant disposée par rapport à l'électrode de travail (2) de manière à ce qu'en fonctionnement, elle puisse retenir à proximité immédiate de l'électrode de travail (2) les composés qu'elle retient par filtration.

2. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la membrane de filtration (11) est sélectionnée dans le groupe constitué par les membranes de microfiltration, les membranes d'ultrafiltration, et les membranes de nanofiltration.

3. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'électrode de travail (2) est sélectionnée dans le groupe constitué par les électrodes en platine, les électrodes en carbone, les électrodes en tungstène.

4. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une membrane échangeuse d'ions (3) entre la contre- électrode (1) et l'électrode de travail (2).

5. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur est une oxydoréductase.

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6. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le catalyseur est sélectionné dans le groupe constitué par les glucose oxydases, les alcool déshydrogénases, les peroxydases, les lactate déshydrogénases.

7. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la transformation électro-catalytique fait intervenir, en plus du catalyseur, un co-facteur réactionnel à titre d'autre agent réactif.

8. Réacteur selon la revendication 7, caractérisé en ce que ledit co-facteur est du NAD+.

9. Réacteur selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que la transformation électro-catalytique fait intervenir, en plus du catalyseur enzymatique et du co-facteur réactionnel, un médiateur électronique à titre d'autre agent réactif.

10. Réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce que le médiateur électronique est du méthyl viologène, ou un complexe de rhodium.

11. Réacteur selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'en plus du catalyseur enzymatique, du co-facteur réactionnel, et du médiateur électronique, la transformation électro-catalytique fait intervenir, à titre d'autre agent réactif, un deuxième catalyseur destiné à regénérer, ou le cas échéant activer, le médiateur électronique.

12. Réacteur selon la revendication 11, caractérisé en ce que le médiateur électronique est du méthyl viologène, et en ce que le deuxième catalyseur est une lipoamide déshydrogénase.

13. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le substrat est sélectionné dans le groupe constitué par les aldoses tels que le glucose, les cétones telles que la cyclohexanone, l'oxygène, l'indole, l'acide pyruvique.

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14. Réacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le produit est sélectionné dans le groupe constitué par les acides syaliques tels que l'acide gluconique, les alcools tels que le cyclohexanol, le peroxyde d'hydrogène, l'oxiindole, les molécules chirales comme l'acide L-lactique.

15. Procédé de synthèse chimique ou biochimique, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14.

16. Utilisation du réacteur selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, pour l'activation, ou le cas échéant la régénération d'un médiateur électrochimique.

17. Procédé de transformation électro-catalytique d'un substrat en produit à l'aide d'un catalyseur et d'éventuels autres agents réactifs, dans lequel le substrat est placé en présence du catalyseur et des éventuels autres agents réactifs dans un électrolyte où baigne une électrode de travail en conduction ionique avec une contre- électrode, caractérisé en ce qu'au moins un élément contenu dans l'électrolyte et sélectionné dans le groupe constitué par le catalyseur et les éventuels autres agents réactifs est retenu à proximité immédiate de l'électrode de travail par filtration sélective.