Soutenance de thèse de Mariam FADEL

Le monoxyde de carbone déshydrogénase (CODH) est une enzyme prometteuse qui participe à la première étape de la production de carburant. CODH catalyse la réduction réversible du dioxyde de carbone en monoxyde de carbone par son site actif, selon la réaction suivante: CO2 + 2 H + ↔CO + H2O. En utilisant une méthode électrochimique appelée voltammétrie à film protéique (PFV), nous étudions le mécanisme enzymatique de CODH en immobilisant l'enzyme à une surface d'électrode de graphite où le transfert direct d'électrons est possible. Traditionnellement, pour empêcher l'épuisement du substrat à l'électrode, les électrochimistes utilisent des électrodes tournant (RDE). Cependant, comme CODH est très actif, même RDE ne peut pas empêcher l'épuisement à l'électrode, ceci obscurcit les caractéristiques importantes et complique l'analyse de sa réponse enzymatique. Nous ne pouvons pas résoudre le problème avec RDE, puisque nous sommes déjà au taux maximum. Par conséquent, nous devons changer complètement l'installation et concevoir une nouvelle cellule électrochimique. Pour cela, nous avons utilisé des simulations de dynamique des fluides computationnelles pour explorer diverses géométries afin d'en trouver une appropriée. Nous avons besoin d'une nouvelle géométrie avec un transport plus rapide, mais nous avons également besoin d'un transport uniforme (électrode uniformément accessible) pour éviter de compliquer considérablement les études quantitatives. Tout d'abord, nous validons notre méthode numérique avec la solution théorique bien définie de la cellule réelle de RDE. Nous avons pris l'avantage d'étudier l'impact des alignements d'électrodes dans les propriétés de transport de masse, ce qui est nécessaire pour réaliser la fabrication des électrodes. Après la bonne validation, nous avons proposé et testé les propriétés de transport au sein de plusieurs géométries proposées de la cellule d'écoulement des électrodes hydrodynamiques à canal et à jet. Sur la base de nos simulations numériques, nous avons réalisé que l'électrode de canal est une électrode hautement non-uniformément accessible, ce qui le rend peu pratique pour notre application. Après plusieurs tests et optimisation de la cellule de mesure à jet-électrode en termes d'impact de la distance buse-électrode; rapport du diamètre de la buse au diamètre de l'électrode; nombre de sorties, et etc., nous avons atteint notre conception appropriée d'une entrée de l’écoulements avec deux sorties symétriques inclinées à micro distance de l'électrode de graphite circulaire. Ce nouveau prototype a une électrode uniformément accessible avec un taux de transport trois fois plus rapide que le RDE à des vitesses de solution acceptables. Nous avons construit et installé avec succès le système pour caractériser ses propriétés de transport. Nous avons trouvé un excellent accord entre les résultats numériques et expérimentaux.

Carbon monoxide dehydrogenase (CODH) is a promising enzyme that participates in the first step of fuel production. CODH catalyzes the reversible reduction of carbon dioxide into carbon monoxide through its active site, according to the following reaction: CO2 + 2 H+ ↔CO + H2O. Using an electrochemical method called protein film voltammetry (PFV), we study the enzymatic mechanism of CODH by immobilizing the enzyme at a graphite electrode surface where direct electron transfer is possible. Traditionally, to prevent substrate depletion at the electrode, electrochemists use rotating disk electrodes (RDE). However, as CODH is very active, even RDE cannot prevent depletion at the electrode, this obscure important feature and complicate the analysis of its enzymatic response. We cannot overcome the problem with RDE, since we are already at the maximum rate. Hence, we need to change completely the set-up and design a new electrochemical cell. For that, we used computational fluid dynamics simulations to explore diverse geometries to look for a suitable one. We need a new geometry with faster transport, but we also need uniform transport (uniformly accessible electrode) to avoid greatly complicating the quantitative studies. First, we validate our numerical method with the well-defined theoretical solution of the actual cell of RDE. We took the advantage to study the impact of electrode alignments in the mass transport properties, this is necessary to realize for electrode manufacturing. After, the good validation, we proposed and test the transport properties within several proposed geometries of flow cell of channel and jet hydrodynamic electrodes. Based on our numerical simulations, we realized that the channel electrode is highly non-uniformly accessible electrode, makes it non-convenient for our application. After several tests and optimization of jet-electrode flow cell in terms of the impact of nozzle-electrode distance; ratio of nozzle diameter to electrode diameter; number of outlets, and etc, we reached our suitable design of one inlet of flow with two inclined symmetric outlets at micro distance from the circular graphite electrode. Thea new prototype has a uniformly accessible electrode with 3 times faster transport rate than the RDE at acceptable velocities of solution. We have built and successfully install the system to characterize its transport properties. We found an excellent agreement between the numerical and experimental results.