Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Characterization of glutaraldehyde-immobilized chymotrypsin and an in-situ immobilized enzyme reactor using capillary electrophoresis-based peptide mapping

La digestion enzymatique des protéines est une méthode de base pour les études protéomiques ainsi que pour le séquençage en mode « bottom-up ». Les enzymes sont ajoutées soit en solution (phase homogène), soit directement sur le gel polyacrylamide selon la méthode déjà utilisée pour l’isolation de la protéine. Les enzymes protéolytiques immobilisées, c’est-à-dire insolubles, offrent plusieurs avantages tels que la réutilisation de l’enzyme, un rapport élevé d’enzyme-sur-substrat, et une intégration facile avec les systèmes fluidiques. Dans cette étude, la chymotrypsine (CT) a été immobilisée par réticulation avec le glutaraldehyde (GA), ce qui crée des particules insolubles. L’efficacité d’immobilisation, déterminée par spectrophotométrie d’absorbance, était de 96% de la masse totale de la CT ajouté. Plusieurs différentes conditions d’immobilisation (i.e., réticulation) tels que la composition/pH du tampon et la masse de CT durant la réticulation ainsi que les différentes conditions d’entreposage tels que la température, durée et humidité pour les particules GA-CT ont été évaluées par comparaison des cartes peptidiques en électrophorèse capillaire (CE) des protéines standards digérées par les particules. Les particules de GA-CT ont été utilisés pour digérer la BSA comme exemple d’une protéine repliée large qui requit une dénaturation préalable à la digestion, et pour digérer la caséine marquée avec de l’isothiocyanate de fluorescéine (FITC) comme exemple d’un substrat dérivé afin de vérifier l’activité enzymatique du GA-CT dans la présence des groupements fluorescents liés au substrat. La cartographie peptidique des digestions par les particules GA-CT a été réalisée par CE avec la détection par absorbance ultraviolet (UV) ou fluorescence induite par laser. La caséine-FITC a été, en effet, digérée par GA-CT au même degré que par la CT libre (i.e., soluble). Un microréacteur enzymatique (IMER) a été fabriqué par immobilisation de la CT dans un capillaire de silice fondu du diamètre interne de 250 µm prétraité avec du 3-aminopropyltriéthoxysilane afin de fonctionnaliser la paroi interne avec les groupements amines. Le GA a été réagit avec les groupements amine puis la CT a été immobilisée par réticulation avec le GA. Les IMERs à base de GA-CT étaient préparé à l’aide d’un système CE automatisé puis utilisé pour digérer la BSA, la myoglobine, un peptide ayant 9 résidus et un dipeptide comme exemples des substrats ayant taille large, moyenne et petite, respectivement. La comparaison des cartes peptidiques des digestats obtenues par CE-UV ou CE-spectrométrie de masse nous permettent d’étudier les conditions d’immobilisation en fonction de la composition et le pH du tampon et le temps de réaction de la réticulation. Une étude par microscopie de fluorescence, un outil utilisé pour examiner l’étendue et les endroits d’immobilisation GA-CT dans l’IMER, ont montré que l’immobilisation a eu lieu majoritairement sur la paroi et que la réticulation ne s’est étendue pas si loin au centre du capillaire qu’anticipée.

Studies on Rubber Composition as Passive Acoustic Materials in Underwater Electro Acoustic Tranducer Technology and Their aging Characteristic

The research work has been in the area of compounding and characterization of rubbers for use in under water electro acoustic transducers. The study also covers specific material system such as encapsulation materials, baffle material, seal material, etc. Life prediction techniques of under water rubbers in general have been established with reference to more than one functional property. Ranges of passive materials, besides the active sensing material go into the construction of underwater electro acoustic transducers. Reliability of the transducer is critically dependent on these passive materials. Rubbers are a major class of passive materials. The present work concentrates on these materials. Conventional rubbers are inadequate to meet many of the stringent function specific requirements. There exists a large gap of information in the rubber technology of underwater rubbers, particularly relating to underwater electro acoustic transducers. This study is towards filling up the gaps of information in this crucial area. Water intake into rubber is considered as the single most important issue for the long-term performance of rubbers, especially Neoprene. In this study, the cause and effects of a range of parameters affecting the water absorption by diffusion and permeation have been investigated.

Radiopaque materials from natural polymers: Special emphasis on chitosan and natural rubber

The present work is to impart radiopacity in various natural polymers like chitosan, natural rubber and derivatives of chitosan and to characterize it. This thesis collated the radiopaque properties of these radiopaque polymers and various technological applications in the medical field. The applications of radiopaque polymers leads to an exploitation of radiopaque properties like X-ray visibility, optical density, effective atomic number, attenuation coefficient of biopolymers like chitosan, chitosan formate, chitosan acetate, carboxy methyl chitosan and natural rubber. The radiopaqe properties of these materials highly depend upon the size, shape, amount of radiopacifier and crystallinity of the radiopaque material. Radiopaque chitosan microspheres were prepared by cross linking with glutaraldehyde followed by the encapsulation of barium sulpahte. The effect of different emulsion systems on the morphology of chitosan microspheres were studied. The study concentrates radiopaque natural rubber for shielding applications. It reveals that to improve the particle size, morphology and crystalline phase of the zinc oxide particles, a novel method for the preparation of zinc oxide is adopted. A detailed radiopacity study was done in natural rubber containing 100phr precipitated zinc oxide prepared from different zinc salts. One of the significant findings of this investigation is that NR vulcanizates containing precipitated zinc oxide (from zinc acetate) shows higher attenuation coefficient. These interesting findings reveal the applications of these natural radiopaque systems in various fields like surgical tools, medical tubings, catheters, radiation shielding,etc.

Tailored Ion Imprinted Polymer Materials for the Preconcentrative Separation of Noble Metals

Tailored ion imprinted polymer materials for the preconcentrative separation of noble metals. This study deals with the synthesis, separation,characterization and analytical application of the noble metals especially palladium and platinum. Platinum group metals(PGM) are currently receiving world wide attention. This group include Palladium(Pt),rhodium(Rh), ruthenium(Ru), iridium(Ir) and osmium(Os).PGM are used as catalysts for a wide variety of hydrogenation, oxidation, isomerization,cyclization,dehydrogenation and dehalogenation reactions.The corrosion resistance of PGM enables them to use in jewellery,electrical and glass industries,extrusion of synthetic fibres,manufacture of laboratory utensils,dental and medical devices. This study clearly establishes selective recovery of platinum from other noble and transition elements.

Development of Bioreactors for Nitrifying Water In Closed System Hatcheries Of Penaeid And Non-Penaeid Prawns

In the present study the development of bioreactors for nitrifying water in closed system hatcheries of penaeid and non-penaeid prawns. This work is an attempt in this direction to cater to the needs of aquaculture industry for treatment and remediation of ammonia and nitrate in penaeid and non-penaeid hatcheries, by developing nitrifying bacteria allochthonous to the particular environment under consideration, and immobilizing them on an appropriately designed support materials configured as reactors. Ammonia toxicity is the major limiting factors in penaeid and non-penaeid hatchery systems causing lethal and sublethal effects on larvae depending on the pH values. Pressing need of the aquaculture industry to have a user friendly and economically viable technology for the removal of ammonia, which can be easily integrated to the existing hatchery designs without any major changes or modifications. Only option available now is to have biological filters through which water can be circulated for the oxidation of ammonia to nitrate through nitrite by a group of chemolithotrophs known as nitrifying bacteria. Two types of bioreactors have been designed and developed. The first category named as in situ stringed bed suspended bioreactor(SBSBR) was designed for use in the larval rearing tanks to remove ammonia and nitrite during larval rearing on a continuous basis, and the other to be used for nitrifying freshly collected seawater and spent water named as ex situ packed bed bioreactior(PBBR). On employing the two reactors together , both penaeid and non-penaeid larval rearing systems can be made a closed recirculating system at least for a season. A survey of literature revealed that the in situ stringed bed suspended reactor developed here is unique in its design, fabrication and mode of application.

Optical absorption studies in ion implanted and amorphous semiconductors - Investigations in some tetrahedrally co-ordinated and chalcogenide materials

The thesis provides an overall review and introduction to amorphous semiconductors, followed by a brief discussion on the important structural models proposed for chalcogenide glasses and their electrical, optional and thermal properties. It also gives a brief description of the Physics of thin films, ion implantation and Photothermal Deflection Spectroscopy. A brief description of the experimental setup of a photothermal deflection spectrometer and the details of the preparation and optical characterization of the thin film samples. It deals with the employment of the subgap optional absorption measurement by PDS to characterize the defects, amorphization and annealing behavior in silicon implanted with B+ ions and the profiles of ion range and vacancy distribution obtained by the TRIM simulation. It reports the results of all absorption measurements by PDS in nitrogen implanted thin film samples of Ge-Se and As-Se systems

A Simple Free-Space Method for Measuring the Complex Permittivity of Single and Compound Dielectric Materials

A simple and efficient method for determining the complex permittivity of dielectric materials from both reflected and transmitted signals is presented. It is also novel because the technique is implemented using two pyramidal horns without any focusing mechanisms. The dielectric constant of a noninteractive and distributive (NID) mixture of dielectrics is also determined

Synthesis, Characterization and Properties of Ca5A2TiO12 (A=Nb, Ta) Ceramic Dielectric Materials for Applications in Microwave Telecommunication Systems

Microwave ceramic dielectric materials Ca5Nb2TiO12 and Ca5Ta2TiO12 have been prepared by a conventional solid-state ceramic process. The structure was studied by X-ray diffraction and the dielectric properties were characterized at microwave frequencies. The ceramics posses a relatively high dielectric constant, very low dielectric loss (Q5 x f > 30000GHz) and small temperature variation of resonant frequency. These materials are potential candidates for dielectric resonator applications in microwave integrated circuits. [DOI: 10. 1 143/JJAP.41.3834]

Optical and Thermal Characterization of Dye Intercalated Montmorillonites and Rare Earth Doped Materials

Nondestructive photothermal methods as well as optical absorption and fluorescence spectroscopy are utilized to characterise three different materials, both thermally and optically. The possibility of using montmorillonite clay minerals, after textile waste-water treatment, is investigated for further applications. The laser induced luminescence studies and thermal characterisation of certain rare earth titanates prepared by self propagating high temperature synthesis method are also presented. Moreover, effort is made to characterise rare earth doped sol gel silica glasses with the help of these nondestructive techniques.

Comparative Performance of Two Fiber Optic Ammonia Sensors Employing Different Sensing Materials

The design and fabrication of fiber based ammonia sensors employing Bromothymol blue and Chitosan as sensing elements are presented in this paper. In the presence of ammonia gas the absorption of Bromothymol blue changes while in the case of Chitosan the refractive index changes which in turn modulates the intensity of light propagating through a fiber.