Depuis quelques années, les réacteurs intensifiés et les réacteurs microstructurés sont une alternative aux réacteurs en cuve agitée. Grâce à leurs performances élevées en termes de transfert de matière et transfert de chaleur, il est possible de mieux maîtriser les conditions opératoires et donc d'atteindre des meilleures qualités de produit. Cependant, il est difficile de prédire quantitativement l'intérêt réel des réacteurs intensifiés ou du passage batch/continu, pour un système chimique donné, sans un effort expérimental important. Ainsi, réduire cette phase expérimentale coûteuse en temps et en moyen est une priorité. Pour cela, une stratégie itérative basée sur la planification d'expérience et la modélisation a été développée. elle permet de profiter pleinement de l'élargissement des fenêtres opératoires liées aux nouvelles technologies, tout en minimisant le nombre d'expériences. Cette stratégie utilise un modèle phénoménologique qui décrit les réactions et les transferts de masse et de chaleur dans chacun des réacteurs proposés. À chaque itération, la stratégie planifie l'expérience qui permet d'acquérir le plus d'information en s'aidant de critères statistique tel que le critère d-optimal. Puis, si la précision des paramètres est jugée suffisante, elle prédit quel réacteur atteint la meilleur performance et propose de valider expérimentalement la prédiction. L'estimation de la performance passe par une fonction de coût basée sur plusieurs critères qui peuvent être le rendement, le temps d'opération, la consommation énergétique,... Si la validation expérimentale échoue, la stratégie propose de continuer la phase d'acquisition après que l'utilisateur ait apporté des modifications au modèle. Le bienfondé de la stratégie et l'intérêt de prendre en compte plusieurs technologies pour les performances, mais aussi et surtout pour l'acquisition de données, a d'abord été démontré en utilisant des systèmes chimiques virtuels. Puis dans un second temps, une réaction classique de type parallèle/consécutive a été utilisée. Pour cela, un banc expérimental spécifique a été mise en oeuvre permettant l'utilisation de trois types de réacteurs : batch, semi-batch et piston. Enfin, Solvay, notre partenaire industriel, nous a fourni un cas d'étude réel portant sur la synthèse de surfactant ayant des applications cosmétiques. Ces travaux ont permis de mettre en évidence l'intérêt d'utiliser plusieurs réacteurs pour l'acquisition de données, de démontrer l'importance des phases d'acquisition de données pour l'optimisation du procédé et de souligner la supériorité des modèles phénoménologiques par rapport aux modèles de tendances, qui sont utilisés dans les plans d'expériences « classique » / Since a few years, intensified and microstructured reactors are an alternative to stirred tank reactors. Thanks to their high heat and mass-transfer rates, a better control of operating conditions is possible leading to a better product quality. However, it is difficult to predict quantitatively the real interest of intensified reactors and also to transpose a priori a batch process to a continuous process, without an extensive experimental work aiming at selecting the best reactor technology and optimal operating conditions. The acceleration of this exploratory step, costly in time and money, is therefore a challenging task. Hence, an iterative strategy based on the combination of experimental design and modeling has been developed to take advantage of new extended experimental windows offered by intensified reactors and minimize the number of experiments. This method considers a predictive phenomenological model which describes reactions, heat and mass-transfer processes in various reactors. The iterative method alternates experimental steps and prediction steps. During the prediction step, used for data acquisition, the model proposes, using the D-optimal criterion, the optimal experiments which give the maximal information on the model parameters. After each experiment, the strategy decides whether a new iteration is required. If the parameters accuracy is judged sufficient, then the strategy looks for optimal operating conditions in the available reactors, which maximize several process performance criteria (e.g. yield, cost, operation time, etc.), and proposes optimal operating conditions. If the new experimental results are not validated, a new global iterative step is performed to improve the accuracy of the model and propose better operating conditions. To demonstrate its performance, the strategy has been applied to a classical parallel-consecutive reaction scheme. A specific experimental set-up based on three different reactors (batch, semi-batch and plug-flow reactors) has been developed. This work highlights the interest of using several reactors for data acquisition, demonstrates the importance of data acquisition for process performance optimization and emphasizes the superiority of mechanistic models on black-box models for the choice of reactor technologies while minimizing experimentation step.Keywords: Intensification, Modelisation, Experimental strategy, Process performance

Le bois est un matériau à la fois naturel, renouvelable, recyclable et biodégradable. Cependant, malgré ses qualités, il présente, comme tout autre matériau, quelques inconvénients. Ce sujet de thèse porte sur une étude de faisabilité technologique d’enrichissement d’un substrat bois par des charges, aux propriétés physiques et chimiques données, incorporées par voie physique au moyen d’un procédé innovant qui est le procédé de jet d’azote à haute pression installé dans la plateforme expérimentale du CRITT-TJFU. L’innovation consiste à conférer aux particules des vitesses élevées (400-700 m/s) par la seule action de la pression hydrodynamique du flux d’azote, sans apport de chaleur. Les températures mises en jeu sont compatibles pour un usage sur bois sans altération des propriétés mécaniques et géométriques de la structure enrichie. Trois essences de bois (sapin, peuplier et hêtre) ont été traitées sous différentes conditions d’impact de deux types de particules (grenat et cuivre). Les caractérisations réalisées que ce soit par techniques d’imageries ou encore les caractérisations mécaniques, chimiques mais aussi microbiologiques ont montré que le bois traité par la technologie du jet d’azote acquière de nouvelles propriétés et s’enrichit par rapport à son état naturel / Wood is a material that is both natural, renewable, recyclable and biodegradable. However, despite its qualities, it presents, like any other material, some disadvantages. This PhD thesis deals with a technological feasibility study for the enrichment of a wood substrate by fillers, with specific physical and chemical properties, incorporated by physical means using an innovative process that is the nitrogen jet process at high pressure installed in the experimental platform of the CRITT-TJFU. The innovation consists in giving the particles high velocities (400-700 m/s) by the only action of the hydrodynamic pressure of the nitrogen flow, without any addition of heat. The temperatures are compatible for use on wood without altering the mechanical and geometrical properties of the enriched structure. Three types of wood (fir, poplar and beech) were treated under different impact conditions of two types of particles (garnet and copper). The characterizations carried out either by imaging techniques or even the mechanical, chemical but also microbiological characterizations have shown that wood treated by nitrogen jet technology acquires new properties and is enriched compared to its natural state

Dans un contexte de croissance des diagnostics préventifs, la demande en produits de contraste augmente, tandis que leur prix de revient industriel doit être revu à la baisse pour des raisons de compétitivité. La voie de synthèse d’un produit de contraste à rayons X, molécule iodée aux branchements hydrophiles, comporte plusieurs réactions : certaines sont limitées par le transfert de matière (milieu réactionnel polyphasique) ou par le transfert de chaleur (réaction exothermique) tandis que d’autres sont limitées cinétiquement. Les performances des équipements continus intensifiés permettent de favoriser les phénomènes de transfert de matière et de chaleur, tout en garantissant une bonne sélectivité et reproductibilité. La chaine de synthèse globale est repensée en vue d’un passage en mode continu intensifié et les réactions à étudier en intensification locale sont classées par ordre de priorité selon leur potentiel d’intensification. A partir d’une approche combinée alliant résultats expérimentaux et simulation, des modèles réactionnels peuvent être construits pour orienter les essais, afin de converger rapidement vers des conditions opératoires menant aux performances souhaitées. La nouvelle voie de synthèse proposée mettra ainsi en jeu une alternance entre étapes continues et discontinues, ce qui induit des difficultés en termes de gestion de procédé. Une voie de synthèse entièrement soluble permettrait de contourner les limitations d’intensification dues à la présence de solides et d’envisager la chaine de synthèse globale en continu / Preventing diagnostics are increasing and so is the demand for contrast media while its industrial cost needs to be decreased for competitiveness reasons. The synthesis route for a contrast media used in X-ray medical imaging, an iodinated molecule with hydrophilic functional groups, is made of several reactions: some of them are limited by heat transfer (exothermic reactions) or/and mass transfer (multiple-phase media) while others are kinetically limited. The use of continuous intensified equipment leads to enhanced heat and mass transfer performances while keeping good selectivity and reproducibility. The synthesis route is globally modified in the first place in order to shift from batch to continuous intensified and the reactions are classified for local intensification studies. A combined approach based on experimental measurements and simulation enables the building of reaction models which can be used as a guideline for the experiments towards finding the operating conditions that lead to the desired performances at laboratory scale. The new synthesis route production is based on an alternation between continuous and discontinuous steps, which leads to difficult production management. New prospects are created with a new hydrophilic synthesis route, where the limitations for shifting from batch to continuous due to the presence of solids are solved and the whole synthesis route can be transferred from batch to continuous mode

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

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.

L'acide succinique est une molécule linéaire, bi-fonctionnelle qui possède de nombreuses applications alimentaires, chimiques et pharmaceutiques etc. Les connaissances de la régulation des voies métaboliques d’organismes d’intérêt industriel, le génie génétique et le génie des procédés ont permis à des microorganismes recombinants (C. glutamicum) de produire jusqu'à 100 g.L-1 de succinate avec des rendements intéressants. C. glutamicum est largement connu comme l'un des meilleurs producteurs industriels de nombreux acides aminés (glutamate, lysine etc.). Cependant, des études de C. glutamicum ont démontré sa capacité à produire plusieurs acides organiques (succinate, lactate, acétate, etc.). Au cours de ce travail, nous avons supprimé le gène ldhA de C. glutamicum en utilisant le plasmide pk19mobsacBΔldhA. Nous avons démontré que la délétion de ce gène n’avait pas d’incidence sur la capacité de croissance de la bactérie. Par ailleurs, nous avons étudié les effets de l’oxygénation sur la réponse physiologique de C. glutamicum 2262ΔldhA à travers des expériences de cultures en fioles en verre lisses en imposant différentes conditions de kLa. Les résultats ont montré que des faibles kLa (<33 h-1) favorisaient la production d’acides organiques tandis que les kLa élevés amélioraient surtout l’accumulation de la biomasse. Nous avons également mis en œuvre un procédé de production très efficace avec une phase de transition aérobiose-anaérobiose basée sur la régulation de la concentration en oxygène dissous. Avec ce procédé, 327 mM de succinate avec un rendement de 0,94 mole par mole de glucose ont pu être produits avec le mutant ΔldhA. En outre, nous avons vérifié l’efficacité de ce nouveau procédé en l’appliquant à la souche sauvage qui normalement produit 10 fois plus de lactate que de succinate. Ces résultats ont montré une production de 793 mM (94 g.L-1) de succinate et 785 mM (71 g.L-1) de lactate. Ils soulignent ainsi, l'importance de la phase de transition aérobiose-anaérobiose lors des procédés de production de succinate par des bactéries aérobie facultatif. Enfin, des expériences en système bi-étagé ont montré que C. glutamicum 2262 pouvait s’adapter très facilement aux gradients et hétérogénéités en oxygène dissous dans les cultures à grande échelle / Succinic acid is a linear and bi-functional molecule that has several practical applications including food, chemical and pharmaceutical industries. Thanks to increased knowledge on metabolism and pathway regulation of industrially relevant organisms, to the development of performant genetic tools and process engineering, recombinants strains (Escherichia coli, Corynebacterium glutamicum etc.) have been reported to be able to produce up to 100 g.L-1 with interesting yields (> 1.5 mole per mole glucose). C. glutamicum is well known as one of the best industrial producers of numerous amino acids (glutamate, lysine etc.). However, recent studies of C. glutamicum revealed its capability to produce several organic acids (succinate, lactate, acetate, etc.). In this work, we have deleted the ldhA gene of C. glutamicum by using a plasmid vector pk19mobsacBΔldhA. We demonstrated that the mutant and the wild type presented similar growth kinetics with maximal growth rate of about 0.7 h-1. We studied also the effects of oxygenation on C. glutamicum 2262 ΔldhA through cultures at different kLa and it appeared that lower kLa (<33 h-1) favored organic acids production wile higher favored bacterial growth. Furthermore, we designed a tri-phasic process with transition phase by regulation of dissolved oxygen concentration which resulted in the production of 327 mM of succinic acid with a yield of 0.94 mole per mole glucose. The application of the designed process to C. glutamicum 2262 wild type that normally produces lactate with a lactate to succinate production ratio up to 13.3 mol.mol-1, resulted in succinate concentration up to 793 mM (94 g.L-1) and 785 mM (71 g.L-1) of lactate. The succinate production yield was 1.1 mole per mole glucose and acetate production was negligible. These results underlined the importance of aerobic to anaerobic transition in succinate production processes of facultative aerobes and the necessity to engineer not only the microorganism but also the process. Finally, scale-down study have demonstrated the robustness of C. glutamicum against the oxygen gradients in bioreactor