Ce travail traite de la réduction catalytique sélective des oxydes d’azote en utilisant du méthane comme agent réducteur sur catalyseurs bimétalliques Pd/Ce/zéolithes. Dans un premier temps, la méthode d’introduction du palladium, la teneur en palladium et cérium ainsi que l’ordre d’introduction des métaux ont été optimisés pour une formulation considérant une zéolithe MOR comme support catalytique. Puis, l'effet des différentes conditions opératoires ont été évalués. L’effet du support catalytique a été également étudié en comparant un catalyseur PdCe-BEA au catalyseur PdCe-MOR résultant de l’optimisation effectuée. Il a été montré que les deux catalyseurs possèdent différentes espèces métalliques conduisant ainsi à différentes performances catalytiques. Des Relations structure/réactivité ont été établies par différentes techniques de caractérisation et des résultats des tests catalytiques. Il a été mis en évidence un effet synergique résultant de la combinaison de ces deux catalyseurs dans le même pot catalytique (configurations lit mélangé et lit double). Un traitement thermique innovant appliqué au catalyseur PdCe-MOR, pendant sa préparation a été développé et optimisé. Dans certaines conditions, ce traitement conduit à l’amélioration de la performance catalytique, notamment, à une conversion de NOx à N2 et à une sélectivité de CH4 pour la réaction NOx RCS plus élevée. Enfin, des catalyseurs structurés ont été préparés par "washcoating" de PdCe-MOR sur des monolithes de cordiérite possédant des géométries différentes. Les paramètres de préparation ont été ainsi évalués par des techniques de caractérisations et par des tests en banc de gaz. / The selective catalytic reduction of nitrogen oxides, in lean-conditions, using methane as reductant (NOx CH4-SCR) over PdCe/zeolite-based catalysts was considered in this work. Preparation method for palladium introduction, palladium/cerium loadings and metal introduction order were optimised for a formulation considering MOR zeolite as the catalytic support. The effect of different test conditions, namely [CH4]/[NO] ratio and water presence in the reaction mixture was assessed. The effect of the zeolite support in the stabilisation of Pd/Ce species was also evaluated by preparing a similar PdCe-BEA catalyst to the optimised PdCe-MOR catalyst, considering the same metal loadings and preparation methods. Both catalysts exhibited different metal species and different catalytic performances. Structure-reactivity relationships were drawn from the comparison of several characterisation techniques and catalytic test results for both catalysts. A synergic effect resulting from the use of both catalysts in a single bed application (mixed-bed and dual-bed configuration) is reported. An innovative thermal treatment applied to PdCe-MOR catalyst during its preparation is reported. Under certain conditions, this treatment results in the enhancement of the catalytic performance, namely, in higher NOx conversion into N2 and CH4 selectivity towards NOx SCR. Structured catalysts were prepared by washcoating of PdCe-MOR onto cordierite monoliths with different geometry (cpsi). Preparation parameters were evaluated through characterisation techniques and the catalytic performance was assessed in a synthetic gas bench plant.

Au cours de la dernière décennie, l'utilisation croissante de nombreuses nouvelles technologies comme des systèmes de livraison contrôlée a incité un développement empirique coûteux de systèmes nouveaux et efficaces. Pour faciliter une conception plus raisonnable et une optimisation, faisant face à l'ensemble de possibilités existantes, n'importe quelle solution qui pourrait semi-automatiser le développement de produits apporteraient l'aide précieuse aux utilisateurs (des scientifiques de formulation et des éducateurs). Ceci faciliterait l'importance essentielle de choisir les matériels justes pour l'application correcte. Dans cette thèse, un projet à long terme concernant une génie inverse est proposé, commençant d'une propriété d'utilisation finale (libération contrôlée), la cible mondiale est de développer une méthodologie de conception de produit qui nous permet de déterminer les caractéristiques optimales d'une formulation à préparer: les phases, la composition, le type d'interface, la taille et la distribution d'objets actuels, l'équilibre de phase, la diffusion dans des phases et le caractère évolutionnaire du matériel. Dans la considération d'un exemple de commodité de système structuré et dispersé: des émulsions fortement concentrées, le problème de design a été décomposé dans un ordre hiérachique de sous-problèmes ou des boîtes, combinant les modèles constitutifs qui évaluent le transport de masse de principe actif comme une fonction de paramètres de formulation et des techniques assistées par ordinateur comme la modélisation moléculaire pour le volume/surface de molécules, ou des modèles d'UNIFAC pour des prédictions d'équilibre aussi bien que pour des évaluations de viscosités de mélange. Un ultérieur design de factoriel d'expériences virtuelles a permis d'obtenir une description quantitative de la sortie selon les paramètres modèles et une analyse composante principale a évalué l'importance des variables. En utilisant une cartographie basée sur trois tensio-actifs (pour SPAN 80, PGPR et BRIJ 93), quatre huiles (dodecane, hexadecane, isopropyl myristate et isopropyl palmitate) et l'acide mandelic comme le principe actif, le modèle ab initio physicochimique a été expérimentalement validé. Les résultats montrent que le modèle mécaniste systématiquement prévoit la diffusion du principe actif d'émulsions à un moyen récepteur dans des parfaites 'sink' conditions. Cette approche de génie inverse a montré pour être d'intérêt très élevé dans le domaine de formulation en permettant des études préliminaires examinantes rapides et robustes sur une large gamme de composants aussi bien que des outils de prédiction précis et rigoureux optimiser la sortie contrôlée d'un système identifié. Il est souhaitable de mettre en œuvre ces extensions à d'autre systèmes semblables / In the past decade, the growing use of numerous novel technologies as controlled-delivery systems has prompted a costly trial-and-error development of new and effective systems. In order to facilitate a more rational design and optimization, facing the set of existing possibilities, any solution that could semiautomate the product development would bring precious help to the users (formulation scientists and educators). This would facilitate the essential importance of choosing the right materials for the correct application. In this thesis, a long-term project concerning a reverse engineering is proposed, starting from a final usage property (controlled release), the global target is to develop a product design methodology which allows us to determine the optimal features of a formulation to prepare: phases in presence, composition, interface type, size and distribution of current objects, phase equilibrium, diffusion within phases and evolutionary character of the material. Considering a convenience example of structured-dispersed system: highly concentrated emulsions, the design problem has been decomposed into a hierarchical sequence of subproblems or boxes, combining constitutive models that estimate the active ingredient mass transport as a function of formulation parameters and computer-aided techniques such as molecular modeling for volume/area of molecules, or UNIFAC models for equilibria predictions as well as for mixture viscosities estimations. A subsequent full factorial design of virtual experiments has allowed to obtain a quantitative description of the release depending on the model parameters, and a principal component analysis has assessed the importance of the variables. Using a cartography focused on three surfactants (SPAN 80, PGPR and BRIJ 93), four oils (dodecane, hexadecane, isopropyl myristate and isopropyl palmitate) and mandelic acid as an active ingredient, the ab-initio physicochemical model has been experimentally validated. Results show that the mechanistic model consistently predicts the diffusion of the active ingredient from emulsions to a release medium in perfect sink conditions. This reverse engineering approach is showing to be of very high interest in the domain of formulation by allowing fast and robust screening preliminary studies on a broad range of components as well as precise and rigorous prediction tools to optimize controlled release from an identified system. It is fully recommended to implement its extensions to other similar disperse systems

En raison de la compétitivité dans le marché des produits chimiques et la demande croissante pour les produits de qualité, l'industrie et l'académie sont à la recherche de nouvelles méthodes pour la conception des produits chimiques. Par conséquent, cette étude propose une approche méthodologique pour faciliter la prise de décisions dans la conception de produits de type émulsion. Les caractéristiques de la méthodologie proposée sont les suivantes: elle propose des méthodes pour l’analyse des besoins de consommateurs, la génération d'idées pour la conception du produit et la sélection du meilleur produit, en prenant en compte la nature multi-variée du problème de conception avec l'intégration de la notion de durabilité dans le processus de conception. La méthodologie comporte trois étapes de conception: Étape de besoins, étape de génération d'idées et étape de sélection d'idées. Dans la première étape, les besoins sont analysés et classifiés en fonction de leur impact sur la satisfaction du client. Ensuite, ils sont traduits aux spécifications du produit avec l’aide des experts et des clients. Les informations de saisie correspondent aux besoins des clients et celles de sortie correspondent aux spécifications du produit, c'est-à-dire des caractéristiques du produit qui peuvent être évaluées. Également, deux méthodes sont utilisées: le modèle de kano et la méthode QFD (Déploiement des Fonctions Qualités). Dans la seconde étape, les produits répondant aux spécifications sont conçus en suivant une démarche en trois phases: 1) le problème de conception est divisé selon un groupe défini de sous-problèmes généraux. 2) Chaque sous-problème est connecté à un groupe de stratégies de solution selon une première matrice de décision prédéfinie. 3) Les stratégies de solution sont connectées avec des ingrédients et des conditions opératoires selon une deuxième matrice de décision. Cette démarche est faite en utilisant deux matrices de décision développées dans cette recherche sur la base de la connaissance de science d'émulsion, ainsi que sur des connaissances des experts. Dans la troisième étape, les alternatives de produit sont évaluées selon le cahier de spécifications définis dans la première étape et les indicateurs de durabilité appropriés. Ces indicateurs sont utilisés pour évaluer et classer les alternatives de produit selon un indice de développement durable global. Pour développer cette étape un ensemble d'indicateurs évaluant la dimension économique, environnementale et sociale de produits est choisi et ils sont intégrés par la mise en oeuvre d’une méthode d'analyse de multi-critère. Finalement, afin d’illustrer la méthodologie, une étude de cas est développée: la conception d'une crème hydratante / Emulsion based chemical products, which belong to the category of micro-structured chemical products, have a broad range of commercial applications. Despite their importance, there is not a general methodology for their design. With the aim to contribute to the progress on this matter, this research presents a product design methodology focused on emulsion design with the following characteristics: it proposes methods for customer needs analysis, product ideas generation and selection of the best product alternative. It considers the multivariate nature of emulsion design by taking into account the multiple effects of design variables into product properties. It integrates sustainability concepts into the product design process. The methodology comprises three design stages: needs stage, ideas generation stage and ideas selection stage. In the needs stage, customer needs are first analyzed and classified according to their effect on customer satisfaction and second translated into product specifications with the aid of experts and customers. The input is customer needs, i.e., statements expressing customers’ desires about the product, and the output corresponds to product specifications, i.e., product characteristics that can be measured. To perform this stage two methods are used: Kano model and Quality Functional Deployment. In ideas generation stage, product concepts accomplishing product specifications are generated in three sub-steps: First, problem specifications are classified into a predefined group of design sub-problems. Second, each sub-problem is connected with one or more pre-defined solution strategies through a prefilled relational matrix. Third, compatible solution strategies are selected and connected to ingredients and processing conditions through a second relational matrix. As result, a set of product concepts is generated. Thisprocedure is developed by the implementation of two relational matrices proposed in this research based on emulsion science and expert knowledge. The first connects sub-problems with solution strategies and the second connects solution strategies with ingredients and processing conditions. In the selection stage, generated product concepts are evaluated according to product specifications. In addition, appropriated sustainability indicators are included to assess and rank product alternatives according to a global sustainability index. To perform this stage, a set of indicators are selected and integrated by the implementation of multi-criteria analysis methods. The application of the methodology is exposed with a case study: the design of a moisturizing cream

Le remplacement de monomères d'origine pétrosourcée par des analogues biosourcés améliore la durabilité et diminue la dépendance aux ressources fossiles. De plus, de nouvelles caractéristiques et propriétés sont souvent découvertes. Les polyesters aliphatiques biosourcés ont déjà partiellement remplacé les produits traditionnels. Dans le contexte du projet Sorago, une résine entièrement biosourcée pour les revêtements de prélaquage des produits intérieurs a déjà été introduite sur le marché (Estetic® bio Air, Arcelor Mittal). Pour permettre l'utilisation du produit dans des applications extérieures, sa résistance à la lumière UV et à l'humidité sont à améliorer. Cela pose deux problèmes : Une disponibilité limitée de monomères pouvant introduire de la rigidité dans la résine et la relation entre la structure de la résine et sa dégradation. La vanilline a été choisie comme synthon pour la gamme des monomères rigides et biosourcées. La transformation de sa fonction aldehyde par réaction de Perkin et sa réactivité a été examinée. Dans une série des copolymerisations, l'influence des conditions de réaction sur la composition du produit final a été proposée. Une relation structure-propriétés concernant la température de la transition vitreuse et la viscoélasticité des plusieurs monomères biosourcées a été établie, et comparée avec celle des monomères petrosourcées. Une série des prototypes avec des propriétés très variées a été soumise à un test de vieillissement rapide. Leur dégradation a été suivie sur la base de leur rétention de brillance, par FTIR et par des tests de µ-dureté et d'épaisseur des films. La performance des prototypes biosourcés s'est révélée inférieure à celle d'une résine standard pétrosourcée mais aucune évidence qui suggère que cela est du à la présence des monomères biosourcées n'a été détectée. Cela suggère que la création d'une résine biosourcée et suffisamment durable pour l'extérieur sera possible / Moving away from petroleum and towards biobased materials not only leads to greater sustainability and lower dependence on diminishing fossil resources, but can also catalyse the discovery of new properties. Aliphatic polyesters based on renewable resources have already started to replace traditional products. Within the Sorago project, a fully biobased resin for interior coil coatings has recently been proposed on the market (Estetic® Bio Air, Arcelor Mittal). In order to extend the possible use of the biobased product to exterior applications, an improvement of its resistance to humidity and UV radiation is crucial. This presents two challenges: The limited availability of monomers which provide rigidity in the resin structure and the relationship between the resin composition and its weatherability. Vanillin was chosen as a possible extension to the range of rigid, biobased monomers for polyesterification reactions. The transformation of its aldehyde and its reactivity was studied in terms of catalytic activation and through a series of copolymerisations which revealed the influence of the reaction conditions on the composition of the product. A structure-property relationship concerning the coating glass transition temperature and visco-elastic behaviour of the coating was furthermore established for a series of renewable monomers and contrasted with petroleum based equivalents. Series of prototypes with a wide variety of properties were then subjected to accelerated weathering tests. Their degradation was followed directly by gloss retention and different mechanisms were revealed using FTIR, µ-hardness and film thickness measurements. While the performance of the biobased coating was subpar, no evidence linking its degradation to the presence of renewable monomers was found, suggesting that the creation of a sufficiently durable and renewable exterior coating will be possible

La thérapie photodynamique (PDT) est un type de traitement du cancer qui offre de nombreux avantages. Une stratégie pour améliorer l'efficacité de la PDT est l'élaboration de photosensibilisateurs (PSs) de troisième génération, composés d’une molécule photoactivable couplée à un agent de ciblage. Les travaux de recherche de cette thèse portent sur l'amélioration de la sélectivité du traitement PDT en concevant des PSs ciblés. La première partie de la thèse est consacrée à l'étude d'un PS couplé à de l’acide folique (PS-FA). L’acide folique est une unité bien connue de ciblage qui se lie de façon efficace au récepteur de l'acide folique sur-exprimé à la surface de nombreuses cellules cancéreuses. Nous avons particulièrement vérifié la stabilité de l'acide folique sous l'influence des facteurs environnementaux. La deuxième partie est consacrée à l'étude du peptide KDKPPR conçu pour cibler neuropiline-1, un récepteur surexprimé dans les néovaisseaux. Plusieurs modifications du peptide ont été faites et les analogues ont été testés par des analyses ELISA afin d'évaluer leur capacité de liaison à la suite des modifications. La troisième partie de la thèse a consisté en la synthèse de porphyrines couplées à des blocs porteurs de 1, 2 ou 3 peptides grâce à la technique de chimie click pour former de multiples conjugués avec des nombres différents de porphyrines et peptides attachés aux plateformes / Photodynamic therapy (PDT) is a type of cancer therapy that could offer many advantages. One possible way to improve the effectiveness of PDT is the elaboration of third generation photosensitizers (PSs) which consisted of PSs coupled with targeting agents. This thesis focuses on improving the selectivity of PS delivery through designing targeted PS agents. The first part of the thesis deals with the study of a PS-folic acid (PS-FA). FA is a well-known targeting unit which bonds with high efficiency to folic acid receptor over-expressed on the surface of many cancer cells. We particularly checked the stability of folic acid under the influence of environmental factors. The second part is devoted to the study of KDKPPR peptide designed to target neuropilin-1, a receptor over-expressed in neovessels. Several modifications of the peptide were made and the analogues were tested through ELISA assays to evaluate their binding capability following the modifications. The third part of the thesis is related to the synthesis of porphyrin and peptide building blocks through click chemistry technique to form multiple conjugates with different numbers of porphyrins and peptides attached to the platforms

Les S-nitrosothiols (RSNO) comme le S-nitrosoglutathion (GSNO) sont des donneurs de monoxyde d’azote (NO) prometteurs pour le traitement des maladies cardiovasculaires. Cependant, ce sont des candidats médicaments peu stables. Précédemment, des nanoparticules chargées en GSNO (GSNO-NP) ont été incluses dans une matrice d’alginate/chitosan. Les particules composites ainsi produites avaient une bonne encapsulation et une libération prolongée de GSNO. De plus, leur administration orale à des rats produisait un stock de NO au niveau de la paroi de l’aorte. Elles avaient cependant plusieurs limitations : préparation et caractérisation longues, manque de stabilité et de reproductibilité. Ce travail avait donc trois objectifs : (1) déterminer le mécanisme d’absorption intestinale des RSNO non formulés ; (2) évaluer la capacité des RSNO non formulés à créer un stock vasculaire de NO ; 3) optimiser la formulation de GSNO. Nous avons montré, dans un modèle in vitro de barrière intestinale, que la perméabilité intestinale de GSNO, S-nitroso-N-acétylcystéine (NACNO) et S-nitroso-N-acetylpénicillamine (SNAP) se fait par un mécanisme passif, principalement par voie transcellulaire (également paracellulaire pour SNAP), avec une perméabilité moyenne. Après avoir traversé la barrière intestinale, les RSNO atteindront les vaisseaux sanguins. Pour comparer leur capacité à former un stock vasculaire de NO dans des aortes (avec endothélium intact ou retiré), nous avons quantifié le stock, vérifié sa biodisponibilité pour la vasorelaxation et évalué son impact sur une vasoconstriction induite par la phénylephrine (PHE). L’incubation des aortes avec les RSNO augmente le stock basal de NO par un facteur trois à cinq. Ce stock est mobilisable pour induire la vasorelaxation et efficace pour diminuer la réactivité vasculaire à la PHE (NACNO>GSNO = SNAP), seulement dans les aortes dont l’endothélium a été retiré. Comme la perméabilité intestinale des RSNO est moyenne, l’intégration du GSNO dans une formulation appropriée est nécessaire. Vu l’impossibilité de résoudre les problèmes liés aux particules composites, le protocole de production des GSNO-NP a été modifié pour produire des microparticules (deux types selon l’état liquide ou solide de GSNO dans la phase interne de l’émulsion). Les deux types de microparticules avaient une libération de GSNO ralentie par rapport aux GSNO-NP. Les nano- comme les micro-particules ont pu être stabilisées par lyophilisation, et amélioraient la perméabilité intestinale de GSNO (jusqu’à une forte perméabilité avec les microparticules). Par conséquent, une administration orale de nano/microparticules chargées en GSNO/RSNO pourrait représenter une nouvelle approche thérapeutique pour les maladies cardiovasculaires. / S-nitrosothiols (RSNOs) such as S-nitrosoglutathione (GSNO) are promising nitric oxide (NO) donors for cardiovascular diseases treatment. However, they are poorly stable drug candidates. In previous studies, GSNO-loaded nanoparticles (GSNO-NP) were embedded into an alginate/chitosan matrix. Resulting nanocomposite particles showed high encapsulation and sustained release of GSNO, and led to the formation of a NO store in the wall of aorta after a single oral administration to rats. However, these nanocomposite particles have several limitations such as time-consuming preparation, lack of both stability and reproducibility. This thesis work aimed at: 1) Elucidate the mechanism of free RSNOs intestinal absorption; 2) Evaluate ability of free RSNOs to form a vascular NO store; 3) Optimize the GSNO formulation. In this study, we showed that the intestinal permeability (in vitro model of intestinal barrier) of GSNO, S-nitroso-N-acetylcysteine (NACNO) and S-nitroso-N-acetylpenicillamine (SNAP) was a passive diffusion, following the transcellular pathway (and also the paracellular way for SNAP) and belonging to the medium permeability class. After crossing the intestinal barrier, RSNOs will reach the vasculature. In order to compare the ability of free RSNOs to form a vascular store of NO either in endothelium-intact or endothelium-removed aortae, we quantified the store, verified its bioavailability for vasorelaxation and evaluated its impact on phenylephrine (PHE)-induced vasoconstriction. Incubation with RSNOs increased the basal NO store three to five times. This store is still bioavailable to induce vasorelaxation and efficient to induce vascular hyporeactivity to PHE (NACNO> GSNO = SNAP) only in endothelium-removed aortae. As intestinal permeability of RSNOs was in the medium class, the integration of GSNO into an appropriate delivery system is essential. Limitations of previously developed nanocomposites particles were impossible to bypass so the production process of GSNO-NP was modified (liquid or solid GSNO in the internal phase of the emulsion) to produce microparticles. Both kinds of microparticles exhibited a slower release of GSNO than GSNO-NP. Nano-and micro-particles were stable after lyophilization and presented an enhancement of GSNO intestinal permeability (up to high permeability class for microparticles). Thus, oral administration of GSNO/RSNO loaded nano/micro particles seems to be a promising avenue for the treatment of cardiovascular diseases.

L'efficacité globale du procédé de vaporeformage du gaz naturel est affectée par la limitation au transfert thermique au sein du lit catalytique et la génération d'un excès de vapeur d'eau non valorisable. Une des clés possibles pour le rentabiliser davantage consiste à optimiser les transferts thermiques en faisant évoluer le design du réacteur. Un échangeur-réacteur microstructuré a ainsi été retenu. Cet appareil de par la taille submillimétrique de ses canaux permet d'intensifier les transferts de chaleur et de matière. Cependant, la modification de l'architecture traditionnelle oblige à développer de nouveaux catalyseurs (MgAl2O4) déposables dans les microcanaux et permettant d'atteindre conversion élevées (80%, 20 bar, 850°C) à faibles temps de passage (150 ms). La faisabilité du concept et la performance des catalyseurs ont été validées sur un canal dans les conditions industrielles du procédé. Un modèle de réacteur piston hétérogène a été utilisé pour estimer la cinétique de la réaction de reformage. Pour le design de l'échangeur-réacteur, deux approches de modélisation ont été développées en considérant l'équilibre thermodynamique à la surface du catalyseur ou en tenant compte du couplage entre la réaction et les transferts de chaleur et de matière. La simulation de ces modèles a permis de proposer la géométrie des canaux qui correspond au design optimal. Deux méthodologies de design ont été développées ainsi qu'un modèle permettant d'interpréter les résultats expérimentaux en tenant compte de la possibilité du bouchage des canaux. L'échangeur-réacteur fabriqué permet de réduire le coût de production pour une unité fonctionnant sans export de vapeur / Steam Methane Reforming (SMR) of natural gas is characterized by generation of an excess of steam and their low thermal efficiency resulting in a very large device with important heat losses. One of the possible keys to make this process more profitable is to optimize heat transfer by changing the reactor design. A microstructured heat exchanger reactor has been retained. It enables to have fast heat and mass transfers and therefore allow increasing catalytic activity. However, this change in production technology must be accompanied by the development of highly active catalysts (MgAl2O4) that enable to reach high methane conversion (80%, 20 bar, 850°C) at low residence time (150 ms). The concept feasibility and catalysts performance have been validated on one channel in industrial process conditions. Then, a detailed model for acquisition of reaction kinetics has been developed and validated from experimental catalytic tests. For heat exchanger reactor design, two modeling approaches have been developed: by considering that the catalyst is highly active and enables to reach instantaneous equilibrium conversion on the coated catalytic walls of the reactor and by tacking the measured kinetics. Simulation of these models by considering technical constraints on the design enabled to find channel characteristic dimensions, heat power needed and the optimum number of channel which determine the heat exchanger reactor volume. Two fast methods for preliminary design of heat-exchanger reactors have been developed. By using heat exchanger reactor, it is possible to suppress steam excess generation and to reduce syngas production cost

D'une manière schématique, l'optimisation dynamique de procédés consiste en trois étapes de base : (i) la modélisation, dans laquelle un modèle (phénoménologique) du procédé est construit, (ii) la formulation du problème, dans laquelle le critère de performance, les contraintes et les variables de décision sont définis, (iii) et la résolution, dans laquelle les profils optimaux des variables de décision sont déterminés. Il est important de souligner que ces profils optimaux garantissent l'optimalité pour le modèle mathématique utilisé. Lorsqu'ils sont appliqués au procédé, ces profils ne sont optimaux que lorsque le modèle décrit parfaitement le comportement du procédé, ce qui est très rarement le cas dans la pratique. En effet, les incertitudes sur les paramètres du modèle, les perturbations du procédé, et les erreurs structurelles du modèle font que les profils optimaux des variables de décision basés sur le modèle ne seront probablement pas optimaux pour le procédé. L'application de ces profils au procédé conduit généralement à la violation de certaines contraintes et/ou à des performances sous-optimales. Pour faire face à ces problèmes, l'optimisation dynamique en temps-réel constitue une approche tout à fait intéressante. L'idée générale de cette approche est d'utiliser les mesures expérimentales associées au modèle du procédé pour améliorer les profils des variables de décision de sorte que les conditions d'optimalité soient vérifiées sur le procédé (maximisation des performances et satisfaction des contraintes). En effet, pour un problème d'optimisation sous contraintes, les conditions d'optimalité possèdent deux parties : la faisabilité et la sensibilité. Ces deux parties nécessitent différents types de mesures expérimentales, à savoir les valeurs du critère et des contraintes, et les gradients du critère et des contraintes par rapport aux variables de décision. L'objectif de cette thèse est de développer une stratégie conceptuelle d'utilisation de ces mesures expérimentales en ligne de sorte que le procédé vérifie non seulement les conditions nécessaires, mais également les conditions suffisantes d'optimalité. Ce développement conceptuel va notamment s'appuyer sur les récents progrès en optimisation déterministe (les méthodes stochastiques ne seront pas abordées dans ce travail) de procédés basés principalement sur l'estimation des variables d'état non mesurées à l'aide d'un observateur à horizon glissant. Une méthodologie d'optimisation dynamique en temps réel (D-RTO) a été développée et appliquée à un réacteur batch dans lequel une réaction de polymérisation par greffage a lieu. L'objectif est de déterminer le profil temporel de température du réacteur qui minimise le temps opératoire tout en respectant des contraintes terminales sur le taux de conversion et l'efficacité de greffage / In a schematic way, process optimization consists of three basic steps: (i) modeling, in which a (phenomenological) model of the process is developed, (ii) problem formulation, in which the criterion of Performance, constraints and decision variables are defined, (iii) the resolution of the optimal problem, in which the optimal profiles of the decision variables are determined. It is important to emphasize that these optimal profiles guarantee the optimality for the model used. When applied to the process, these profiles are optimal only when the model perfectly describes the behavior of the process, which is very rarely the case in practice. Indeed, uncertainties about model parameters, process disturbances, and structural model errors mean that the optimal profiles of the model-based decision variables will probably not be optimal for the process. The objective of this thesis is to develop a conceptual strategy for using experimental measurements online so that the process not only satisfies the necessary conditions, but also the optimal conditions. This conceptual development will in particular be based on recent advances in deterministic optimization (the stochastic methods will not be dealt with in this work) of processes based on the estimation of the state variables that are not measured by a moving horizon observer. A dynamic real-time optimization (D-RTO) methodology has been developed and applied to a batch reactor where polymer grafting reactions take place. The objective is to determine the on-line reactor temperature profile that minimizes the batch time while meeting terminal constraints on the overall conversion rate and grafting efficiency

Les polymères de spécialité en solution dans l’eau sont typiquement produits en réacteur agité dans des ateliers multi-produit, offrant la possibilité de produire une large gamme de produits. Cependant, les limites inhérentes au réacteur batch se concrétisent dans ce type de production par une variation de la qualité de polymère d’une synthèse à l’autre, d’une phase de développement difficile de l’échelle laboratoire à la production industrielle, et d’une technologie offrant des échanges de chaleur limité. Des conditions diluées sont requises ce qui implique des cycles de production longs. Le passage vers un procédé continu pourrait être une bonne alternative s’il permet d’accélérer les temps de réaction mais aussi de garantir une qualité de polymère constante dans le temps. Cela signifie dans notre cas un polymère avec une masse molaire élevée et un indice de polymolécularité faible. Inscrit dans le cadre du projet européen F3Factory, l’étude a consisté à la conception d’un pilote de laboratoire destiné à la polymérisation en continu puis à l’étude d’un procédé industriel batch dans ce pilote. Il s’agit de la polymérisation radicalaire d’un copolymère de l’acide acrylique qui comporte deux problématiques principales, une réaction exothermique couplée à une viscosité élevée. Le pilote de laboratoire est équipé d’un réacteur tubulaire contenant des mélangeurs statiques de marque Fluitec avec un débit de 1 à 2kg.hr-1 et offrant un excellent transfert de chaleur, un bon mélange avec un écoulement à caractère piston. Une méthodologie de passage au continu a été développée. Une étude préliminaire a notamment été menée en couplant rhéologie et spectroscopie Raman. Cela nous a permis d'acquérir des données pertinentes à petite échelle (étude rhéocinétique), données clés pour le passage au continu. Ce travail démontre la faisabilité de la production en continu de polymère d’acide acrylique. L’impact des différents paramètres tel que les concentrations en monomères et amorceur et la température a été étudié. Finalement, notre travail s’est attaché à caractériser les polymères produits en batch et en continu et à déterminer les avantages et les limitations offerts par le procédé continu / Water soluble polymers are typically produced batchwise in multi-product plants, providing the ability to produce a wide range of products. However, some limitations due to the use of batch reactor remain which are the variation of the quality of a synthetic polymer from one run to another run, a non-obvious scale-up step from the laboratory scale to the industrial production, and a technology with limited heat exchange . Dilute conditions are required which implies long cycle production times. A transition from discontinuous to continuous production could be a good alternative if it can accelerate the reaction time but also to ensure a consistent quality of polymer over time. This means in our case a polymer with a high molecular weight and a low polydispersity index. In the frame of the European project F3Factory, a continuous laboratory-scale pilot of 1 to 2kg.hr-1 flowrate for the production of water soluble polymers was designed. The chosen intensified reactor was a tubular reactor containing static mixers. Providing excellent heat transfer, a good mixing with a piston flow character, this technology was also flexible thanks to the presence of standardized flanges and well instrumented for data acquisition in terms of temperature, pressure but also conversion with in-line Raman analysis. Free radical polymerization of acrylic acid was carried out in a continuous way. Two main challenges were faced: an exothermic reaction coupled to a high viscosity. A methodology relative to the transposition from bath to continuous process was developed. A preliminary study coupling rheology and Raman spectroscopy allowed us to acquire relevant data at small-scale (rheokinetic study). This work demonstrates the feasibility of the continuous production of acrylic acid polymer. The impact of various parameters such as the concentrations of monomer and initiator and the temperature was investigated. Finally, our work has focused on characterizing the polymers produced in batch and continuous and to determine the advantages and limitations offered by the continuous process

La vinasse de distillerie, co-produit de l’industrie canne-sucre-alcool-énergie, contient de 5 à 7 g/L d’un acide d’intérêt, l’acide aconitique, au sein d’un milieu complexe comportant d’autres acides organiques, des acides aminés, mais surtout des sels minéraux (chlorures et sulfates) et des colorants, rendant sa purification complexe. Afin d’améliorer les performances du procédé d’échange d’ions, au coeur de cette purification, la résine anionique faible Lewatit S4528 a été caractérisée. Le dosage de la résine et des mesures d’isothermes d’échange d’ions ont permis de définir : la capacité totale du support, l’ordre d’affinité des principaux anions de la vinasse et les coefficients d’échange d’ions associés, de même que la capacité pour l’acide d’intérêt dans cette matrice complexe. L’effet du pH, de la forme du support (sulfate, chlorure et base libre) et de l’éluant ont été étudiés en colonne pour différentes solutions (acide seul, vinasse « modèle », vinasse réelle), permettant de préciser les mécanismes de la purification.Les meilleures conditions (vinasse à pH 4,5, résine sous forme chlorure et élution par HCl 0,5 N) ont abouti à un éluat d’une pureté de 28 %MS avec un rendement global de 61 %. Pour éliminer les principales impuretés qui persistent dans l’éluat (ions chlorure et sulfate et des colorants), l’électrodialyse s’est avérée un procédé très performant en ce qui concerne l’élimination des ions chlorure (proche de 100 %) tandis qu’une étape d’adsorption sur résine polystyrénique XAD16 permet l’élimination de 80 % de la charge colorante de l’éluat acide. Le couplage le plus intéressant associe microfiltration, échange d’ions, électrodialyse et adsorption. Il permet d’obtenir une pureté estimée à 37 % MS, avec un facteur de purification de 3,6 par rapport à la vinasse initiale. Ces travaux ont permis d’améliorer d’un facteur 2,6 la pureté de l’acide par rapport à des études antérieures et de mieux comprendre les mécanismes de sa purification sur résine anionique faible. / Cane stillage or vinasse, a byproduct of cane industry, contains from 5 to 7 g/L of aconitic acid, a valuable trivalent carboxylic acid belonging to the second class of building block chemicals. Vinasse also contains a variety of organic compounds (organic acids, amino-acids, colouring matters) and minerals (chlorides, sulphates), which makes purification not straightforward. The objective of this work is to develop the extraction of aconitic acid from stillage, with anion exchange as the heart of the process. In order to improve performances, the main characteristics of the selected anion-exchange resin (Lewatit S4528) are studied. Acid-base dosage and ion-exchange equilibrium experiments allow the total capacity of this support and the ion-exchange coefficients for the major competing anions (aconitate, chloride and sulfate) to be obtained. Separation performances in column are studied for different pH, different solutions (aconitic acid alone, synthetic and industrial stillage) and different resin forms (sulfate, chloride and free- base) in order to elucidate the separation mechanisms.Elution step is also investigated. Best conditions are for stillage at its natural pH (pH 4.5) on the resin under chloride form and HCl 0,5N as the eluant. A 28% DM purity and a 61% global recovery are achieved for aconitic acid in the eluate. Main impurities still remaining are chlorides or sulfates and coloring matter. Homopolar electrodialysis proves successful for removing nearly 100% chlorides from aconitic acid with a limited loss of the acid (< 15%). Adsorption step on a polystyrenic resin (XAD16) of an acidic eluate leads to the retention of 80% of the colorants, with only 12% of the acid lost. At last, the most interesting process combination associates microfiltration, anion-exchange, electrodialysis and adsorption. Purity is 37% MS, namely 3.6 higher than the original vinasse. This work enables aconitic acid purity to be improved by a factor of 2.6 compared with prior studies and to have a better comprehension of the mechanisms involved in its purification on weak anionic resin.