Cette thèse, cofinancée par l'ADEME et VEOLIA, porte sur l'étude du comportement hydro-mécanique d'un déchet biodégradable déposé en Installation de Stockage de Déchets Non Dangereux (ISDND). La biodégradation induit des biogaz et le concept de bioréacteur suppose une circulation de lixiviat, d'où l'importance de l'étude des transferts des effluents dans la masse stockée. La compressibilité du déchet doit aussi être prise en compte car le tassement des différentes couches de déchets d'un casier, dû à la contrainte imposée par la colonne de matériau sus-jacente, entraîne une diminution de la perméabilité intrinsèque du milieu. De plus, les perméabilités au gaz et au liquide vont dépendre de la perméabilité intrinsèque mais aussi du degré de saturation en liquide. Trois types de cellules, oedo-perméamètre, oedo-succiomètre, transmissivimètre ont été conçus afin de mesurer l'évolution des propriétés de transfert d'un déchet sous compression. Les résultats ont notamment permis de monter le bon accord avec un modèle de double porosité. L'objectif était aussi de considérer l'évolution du matériau avec la biodégradation : quatre pilotes de méthanisation sous confinement, nommés CICLADE, simulant les conditions in situ et permettant des bilans massiques en continu, ont été mises au point. Les expériences sont, au moment de la rédaction de ce mémoire, toujours en cours.

Les systèmes bioartificiels de suppléance hépatique doivent permettre au patient d'attendre, soit une greffe, soit la régénération de l'organe, une fois les agents toxiques éliminés. Ces dispositifs reposent sur l'utilisation de cellules fonctionnelles dans un environnement adapté et placées dans un circuit extracorporel.<br />Dans ce travail, l'objectif a été de caractériser différentes géométries de foie bioartificiel en comparant les fonctionnalités de mêmes cellules (C3A):<br />1) lit fluidisé classique (la référence) avec des billes d'alginate de 1000 µm de diamètre<br />2) nouveau type de fluidisation avec des billes de diamètre plus faible (600 µm)<br />3) dispositifs à fibres creuses utilisés classiquement par des équipes concurrentes<br />4) système Air Lift doté d'un apport d'air permettant la circulation du fluide<br />Dans chaque système, les écoulements et les transferts de matière des nutriments et des métabolites ont été caractérisés en absence et en présence de cellules de façon expérimentale et à l'aide de modèles mathématiques.<br />Dans les cas 1 et 2, il s'est avéré que les transferts de masse étaient quasiment identiques pour les diamètres de billes 600 et 1000 µm. La viabilité et les fonctionnalités des cellules ont été étudiées sur 48h de culture montrant des résultats très satisfaisants et prouvant ainsi l'innocuité du dispositif. Dans le cas 3, différents types de fibres creuses ont été caractérisées, permettant de déduire que la membrane de porosité intermédiaire est la plus prometteuse en vue de l'application clinique. Dans le cas 4, le système Air Lift a pour avantage d'avoir un coefficient de transfert de masse plus important que dans le cas du lit fluidisé, en absence de cellules

Les présents travaux ont tenté de répondre à la double problématique des excès de phosphore (P) et de matières organiques (MO) présents dans les eaux du lac de Ribou à Cholet, Maine-et-Loire, France et donc 50% sont avérés être d'origine anthropique. Nos travaux ont permis dans un premier temps de diagnostiquer les conséquences de ces excès de polluants à travers la réalisation d'inventaires floristiques qui ont montré qu'un ensemble caractéristique de macrophytes et dénommé Phalaridae (comprenant notamment la baldingère encore appelée faux roseau) démontrait la forte pollution du milieu d'étude. Les inventaires nous ont aussi permis de proposer des espèces autochtones comme potentiellement intéressantes pour l'aménagement de zones humides plantées, solution de restauration pour l'épuration du milieu. Ensuite, l'étude s'est focalisée sur la composition chimique et microbiologique des biofilms épiphytiques (biofilms portés par les macrophytes inventoriés et présents au niveau de leur partie aérienne imergée) présents in situ. Cette approche a permis d'établir un diagnostic du milieu en mettant en avant le biofilm épiphytique comme procédé d'épuration des excès de P et de MO, mais aussi d'avancer, pour la première fois, le biofilm épiphytique comme bioindicateur de qualité d'une eau de retenue. Les outils mis en œuvre notamment pour l'étude de la composition chimique des biofilms furent : la fluorimétrie 3D, le COT mètre, la pyrolyse CG-SM, l'ICP-OES et le MEB/EDX. Des analyses complémentaires par ACP (analyses en composantes principales) ont permis de mieux visualiser les corrélations entre les différents paramètres physico-chimiques des eaux. Enfin des essais de dépollution en laboratoire ont permis la mise au point d'un nouveau bioréacteur à biofilm (BRB) qui sera utile dans l'avenir pour mener des études sur la biodégradabilité des micropolluants classiques des eaux naturelles : pesticides, nitrates, métaux lourds et aborder les micropolluants émergents tels les cyanotoxines, les drogues et médicaments humains et les médicaments vétérinaires.

Le présent travail de thèse porte sur le traitement des ordures ménagères suivant trois filières : le stockage conventionnel, en Bioréacteur et le prétraitement biologique (PTB) avant enfouissement.<br />La mise en place et le suivi de pilotes semi industriels a permis l'étude de la dégradation biologique du déchet durant le prétraitement aérobie et en conditions de stockage anaérobies.<br />Le prétraitement biologique a permis une importante réduction du potentiel méthanogène du déchet à enfouir. Le suivi des émissions gazeuses a par ailleurs montré des émissions significatives de composés organiques volatils (COV).<br />La recirculation de lixiviats pratiquée sur un déchet jeune a engendré un phénomène d'accumulation de polluants. L'effet bénéfique de la recirculation sur la production de biogaz n'a pas été mis clairement en évidence.<br />La mesure qualitative et quantitative des émissions liquides et gazeuses a permis d'établir des flux émissifs de polluants, ainsi que des bilans matière (Bilan de masse, hydrique, carbone, azote) relatifs à chacune des filières étudiées. La production de gaz à effet de serre, la génération d'odeurs et le comportement géomécanique du déchet en conditions de stockage ont été intégrées à la comparaison des trois filières.<br />L'étude des données à l'émission des COV, notamment à l'aide d'outils statistiques, a contribué à une meilleure compréhension de l'origine et des processus d'émission de ces composés.

Ce manuscrit de thèse décrit en profondeur un modèle de cicatrisation osseuse qui est ensuite couplé avec un modèle de dynamique des fluides pour modéliser la croissance osseuse en bioréacteur (unité reproduisant les conditions de culture in vivo). Le modèle proposé est un modèle de dynamique des populations décrivant l'évolution spatio-temporelle des cellules souches mésenchymateuses, des ostéoblastes, de la matrice osseuse et d'un facteur de croissance. Pour ce modèle, nous avons montré à l'aide d'approximations de Faedo-Galerkin qu'il admettait au moins une solution faible physiquement admissible (concentrations positives et majorées). Le point délicat de cette démonstration réside dans l'obtention des estimations d'énergie, la difficulté provient du fait que certaines populations n'admettent pas de termes spatiaux. Nous avons ensuite proposé un schéma numérique pour des maillages admissibles. La discrétisation est classique hormis pour le terme d'haptotaxie (non linéaire) qui est discrétisé par un schéma de type décentré amont mais vérifiant en plus une propriété de monotonie. Nous avons montré l'existence et la convergence des solutions discrètes physiquement admissibles vers une solution faible physiquement admissible. Grâce à ce schéma, nous avons réalisé différentes simulations qui nous ont permis de valider le modèle. Pour modéliser la culture osseuse en bioréacteur, nous avons couplé le modèle précédent avec un modèle de dynamique des fluides en milieu poreux. Ce couplage prend en compte les effets des contraintes de cisaillement sur la différenciation ostéoblastique et le transport des populations par l'écoulement du milieu de culture.

Cette thèse porte sur l'analyse et le contrôle optimal d'un digesteur anaérobie. L'objectif est de proposer une stratégie de commande optimale pour maximiser la quantité de biogaz produit dans un bioréacteur anaérobie sur une période de temps donnée. Plus particulièrement, à partir d'un modèle simple de bioprocédé et en considérant une classe importante de cinétiques de croissance, nous résolvons un problème de maximisation de biogaz produit par le système pendant un temps fixé, en utilisant le taux de dilution D(.) comme variable de contrôle. Dépendant des conditions initiales du système, l'analyse du problème de contrôle optimal fait apparaître des degrés de difficulté très divers. Dans une première partie, nous résolvons le problème dans le cas où le taux de dilution permettant de maximiser le débit de gaz à l'équilibre est à l'intérieur des bornes minimales et maximales du débit d'alimentation pouvant être appliqué au système : il s'agit du cas WDAC (Well Dimensioned Actuator Case). La synthèse du contrôle optimal est obtenue par une approche de comparaison de trajectoires d'un système dynamique. Une étude comparative des solutions exactes avec celle obtenues avec une approche numérique directe en utilisant le logiciel "BOCOP" est faite. Une comparaison des performances du contrôleur optimal avec celles obtenues en appliquant une loi heuristique est discutée. On montre en particulier que les deux lois de commande amènent le système vers le même point optimal. Dans une deuxième partie, dans le cas où l'actionneur est sous- (ou sur-) dimensionné, c'est-à-dire si la valeur du taux de dilution à appliquer pour obtenir le maximum de biogaz à l'équilibre est en dehors de la valeur minimale ou maximale de l'actionneur, alors nous définissons les cas UDAC (Uder dimensioned Actuator Case) et ODAC (Over Dimensioned Actuator Case) que nous résolvons en appliquant le principe du maximum de Pontryagin. / This thesis focuses on the optimal control of an anaerobic digestor for maximizing its biogas production. In particular, using a simple model of the anaerobic digestion process, we derive a control law to maximize the biogas production over a period of time using the dilution rate D(.) as the control variable. Depending on initial conditions and constraints on the actuator, the search for a solution to the optimal control problem reveals very different levels of difficulty. In the first part, we consider that there are no severe constraints on the actuator. In particular, the interval in which the input flow rate lives includes the value which allows the biogas to be maximized at equilibrium. For this case, named WDAC (Well Dimensioned Actuator Case) we solve the optimal control problem using classical tools of differential equations analysis.Numerical simulations illustrate the robustness of the control law with respect to several parameters, notably with respect to initial conditions. We use these results to show that an heuristic control law proposed in the literature is optimal in a certain sense. The optimal trajectories are then compared with those given by a purely numerical optimal control solver (i.e. the "BOCOP" toolkit) which is an open-source toolbox for solving optimal control problems. When the exact analytical solution to the optimal control problem cannot be found, we suggest that such numerical tool can be used to intuiter optimal solutions.In the second part, the problem of maximizing the biogas production is treated when the actuator is under (-over) dimensioned. These are the cases UDAC (Under Dimensioned Actuator Cases) and ODAC (Over Dimensioned Actuator Cases). Then we solve these optimal problems using the Maximum Principle of Pontryagin.

Les travaux de recherche effectués dans le cadre de ce travail de thèse ont eu pour objectif de caractériser le rôle joué par les mécanismes de sorption et de biodégradation dans l’élimination de micropolluants organiques par les boues biologiques, et notamment celles de bioréacteur à membrane. La première étape a consisté en la mise au point d’une méthode d’analyse de molécules anticancéreuses depuis les phases aqueuse et solide des boues. L’extraction des molécules contenues dans la phase aqueuse a été réalisée par une combinaison de cartouches SPE permettant la récupération sélective d’espèces acides, neutres et basiques. L’extraction depuis la phase solide a été rendue possible grâce à l’utilisation de la technique sous solvant pressurisé et à chaud PLE, suivie par une étape de purification directement inspirée de la méthode développée pour la phase aqueuse. Une procédure originale de préparation d’échantillons de boues a été proposée pour estimer rigoureusement le phénomène de sorption. Le modèle de Freundlich est celui qui a donné les corrélations les plus satisfaisantes et a été sélectionné. La détermination des paramètres du modèle a mis en évidence des comportements de sorption différents pour les molécules ciblées, mais toujours caractérisés par des aptitudes de sorption faibles. La mise en relation des propriétés physico-chimiques des molécules, des boues et des paramètres de sorption n’a pas révélé de corrélations évidentes entre ces différents paramètres et ne permet pas de proposer de modèle capable de prédire la sorption en fonction des caractéristiques des boues et des polluants. La caractérisation du comportement d’un cocktail d’anticancéreux lors du traitement par un pilote de bioréacteur à membrane externe a révélé que le mécanisme majeur à l’origine de leur élimination était la biodégradation. Les interactions entre les microorganismes et les micropolluants ciblés sont liées au cométabolisme. Une étude approfondie du mécanisme a révélé que ces mêmes interactions étaient à l’origine d’une limitation de la biodégradation et doivent être intensifiées pour améliorer les performances de traitement sur ce point. / The aim of the present work was to characterize the sorption mechanisms and biodegradation role in the removal of some organic micropollutants (i.e. anticancer drugs) by biological sludges, including those of membrane bioreactor (MBR). The first step consisted in the development of an analytical method for the trace determination of anticancer drugs from sludge aqueous and solid phases. The extraction from the aqueous matrix was performed by a combination of SPE cartridges, allowing the selective recovery of acid, neutral and basic species. The extraction from the solid matrix was possible thanks to an extractive step performed by pressurized liquid extraction, followed by a purification step whose procedure was directly inspired from the method developed for aqueous samples. An original procedure for the conditioning of sludge samples before sorption experiments has been proposed. The Freundlich isotherm gave the satisfactoriest correlations and has been selected. The determination of the model parameters highlights different trends of sorption between targeted compounds, but always characterized by low sorption affinities. Physico-chemical properties of both compounds and sludge did not show any link with sorption parameters. Consequently, it is not possible to propose a predictive model for the sorption of polar micropollutants depending on both compounds and sludge properties. The removal of a “cocktail” of anticancer drugs by treatment through a side stream pilot-scale MBR has been investigated. Biodegradation appeared as the prevailing mechanism and was explained by cometabolic interactions. However, these interactions were also responsible for the limitation of biodegradation phenomenon and must be intensify to enhance the removal of these compounds.

Les bioréacteurs à membranes (BRM), combinant l’épuration biologique des eaux usées à une étape de séparation membranaire, ont montré de très bonnes performances en matière d’élimination de la pollution organique et azotée. Cependant, cette technologie présente des surcoûts de fonctionnement liés essentiellement à l’énergie dépensée pour fournir l’aération nécessaire à l’activité biologique mais utilisée aussi pour lutter contre les phénomènes de colmatage membranaire. Afin de réduire ces besoins énergétiques, un BRM dit autotrophe a été mis en place. Il est caractérisé par une alimentation à une charge organique faible, dont plus de 60% est éliminé par un traitement physico-chimique préalable. De ce fait, le BRM autotrophe assure principalement le traitement d’azote, qui peut être affecté par la limitation en carbone organique nécessaire à la réaction de dénitrification. Ce travail a pour objectif d’étudier le comportement d’un tel système et d’identifier les paramètres déterminants. L’étude a été conduite expérimentalement et par modélisation. Deux campagnes expérimentales ont été réalisées en régime permanent à des charges organiques et des âges de boues différents, suivies d’une expérimentation en régime transitoire provoqué par une montée de la charge en azote ammoniacal. Les résultats des campagnes ont montré qu’il est possible de baisser le rapport de DCO/N jusqu’à 4,5 et l’âge des boues à 40j sans pour autant perturber la dénitrification. Ces résultats ont été appuyés par une modélisation dynamique s’appuyant sur un modèle ASM3s-SMP qui a été développé ensuite calibré sur l’ensemble des résultats expérimentaux. L’analyse du phénomène du colmatage de la membrane au cours de l’expérimentation a montré une tendance au colmatage relativement faible par rapport aux BRM opérant dans des conditions usuelles (DCO/N>10). L’effet du nettoyage mécanique induit par l’ajout d’un matériau granulaire dans le module membranaire s’est avéré peu important dans les conditions étudiées. Une modélisation en régime permanent a permis de développer les expressions des grandeurs caractéristiques du fonctionnement du BRM. Après avoir été validées par des simulations conduites en utilisant le logiciel GPS-X®Hydromantis, ces équations ont permis, au moyen d’approches de modélisation différentes (modèle simple, ASM1 et ASM3), de repérer les paramètres opératoires et cinétiques les plus influents et de déterminer par des expressions analytiques le rapport DCO/N minimal requis pour une réaction de dénitrification complète. / Membrane Bioreactors (MBR) as a combination of biological wastewater treatment and a membrane separation step, showed high performances for organic and nitrogen compounds removal. However, this technology has high running costs linked to energy consumption for aeration. The latter has to be provided for the biological activity and for the membrane scouring that reduces membrane fouling phenomena. In order to decrease these expenses, an MBR called autotrophic was set. It is marked by low organic loading rates due to a physicochemical treatment removing more than 60% of the initial organic matter amount. Mainly, the autotrophic MBR is dedicated to nitrogen removal that can be influenced by the shortage of the organic substrate, needed to achieve the denitrification process. The aim of this work is the investigation of the behavior of such system and the identification of most determining parameters. Experimental and modeling studies were carried out. Two steady state experimental campaigns were performed at different organic loading rates and solid retention times. They were followed by an experiment at transient state induced by the nitrogen loading rate rise. Obtained results proved that operation at a COD/N ratio as low as 4.5 did not hamper the denitrification efficiency. Those results were reinforced by a dynamic modeling study based on a model called ASM3s-SMP that was developed and calibrated using the experimental results. Membrane fouling analysis during experimental campaigns showed low fouling propensities compared to MBR operating at more common conditions (COD/N>10). The mechanical cleaning effect due to the addition of a granular material to the membrane module was found insignificant in the case of these operating conditions.A steady state modeling study helped determining mathematical expressions of different variables, yields and rates describing the system operation. After a validation step based on simulations with the use of the GPS-X®Hydromantis software, these expressions associated to different modeling approaches (simple model, ASM1 and ASM3) allowed pointing out the critical operating and kinetic criteria in addition to the minimum COD/N ratio required for a complete denitrification reaction.

Les biopiles microbiennes sont des sources d’énergies renouvelables utilisant des bactéries qui convertissent une énergie chimique en électricité. Pour cela, l’anode doit collecter les électrons issus des microorganismes. La sélection d’un matériau d’anode possédant de grandes performances est d’une importance cruciale dans la construction d’une biopile microbienne. Le graphène est considéré comme un matériau prometteur avec de grandes possibilités d’application dans de nombreux domaines tels que les batteries Li-ion, les cellules photovoltaïques et les super condensateurs électrochimiques en raison de sa structure nanométrique. Ainsi, la modification de surface par de l’oxyde de graphène réduit a été appliquée à la construction d’anodes pour biopiles microbiennes. La cathode abiotique a aussi été étudiée puisqu’elle présente souvent une limitation cinétique vis-à-vis de la réduction de l’oxygène. Les potentialités des complexes organométalliques, et en particulier les phthalocyanines de nickel, ont été étudiés et appliquées à la construction d’une cathode pour biopile. Ainsi, une biopile hybride à deux compartiments a été construite en combinant une bioanode en mousse d’acier inoxydable modifiée par de l’oxyde de graphène réduite et une cathode en feutre de carbone modifiée avec de la phthalocyanine de nickel. La biopile microbienne ainsi construite utilise du lixiviat de terreau, comme source de microorganismes, pour le développement d’un biofilm électroactif à l’anode et présente une bonne stabilité dans le temps. Le graphène a permis d’obtenir une densité de puissance stable pendant une période 40 jours (24.8 mW/m² en présence d’oxygène pur). La cathode présentée dans ce travail a permis d’obtenir une densité de puissance supérieure à une cathode de platine (7.5 fois supérieur). Par ailleurs, un nouveau design de biopile à deux compartiments a été construit, afin de produire de l’électricité à partir d’une souche pure : Pseudomonas aeruginosa qui est connu pour la formation de biofilm électroactive. Un nouveau design a été proposé, permettant de travailler à alimentation constante et non plus en batch comme cela se fait de manière classique. Cette configuration permet de ne plus avoir de diminution de courant liée à un manque d’apport en carburant. Différents paramètres ont ainsi été explorés tel que le débit d’alimentation, la consommation en glucose dans le compartiment anodique, la variation de pH au cours du temps ainsi que l’évolution de la biomasse. Une première approche d’étude de corrélation de ces différents paramètres est proposée. / Microbial fuel cell (MFC) has been considered as a renewable energy source which uses bacteria to convert chemical energy into electricity. Since the anode, as the electron acceptor for the electroactive bacteria, directly interacts with microorganisms, the selection of high performance anode materials is of crucial importance in the design of a MFC. Recently, graphene has been considered as the intriguing material, attracting strong scientific and technological interest with great application potentials in various fields, such as lithium ion batteries, solar cells and electrochemical super-capacitors, for its unique nanostructure and extraordinary properties. Therefore, surface modification using reduced graphene oxide has been investigated for the construction of anodes. An abiotic cathode has also been investigated since it often has a kinetic limitation regarding the oxygen reduction reaction. The potential of the use of organometallics complexes, and more particularly nickel phthalocyanines (poly-NiTSPc), has been studied and applied to the fabrication of cathodes for biofuel cells applications. Thereby, a dual chamber hybrid MFC has been constructed combining a reduced graphene oxide modified bioanode with a chemical poly-NiTSPc modified carbon felt. This MFC uses compost garden leachate, as source of microorganisms, for the growth of an electroactive biofilm onto the anode and presents an excellent lifetime. Indeed, graphene allowed to obtain a power density stable for 40 fays (24.8 mW/m² with pure oxygen). When the modified carbon felt was used as cathode, the power densities obtained were 7.5 higher than the use of platinum cathode. Furthermore, a new design of a dual chamber MFC has been built up in order to work with a constant flow, to supply continuously substrates to the biofilm formed onto the anode from a pure strain, Pseudomonas aeruginosa, and to avoid to work in a batch as it is usually done. The interest of this configuration is to prevent any current loss due to a lack in supply of substrates. Using this bioreactor as a MFC, different parameters have been explored such as the feed rate and the glucose consumption in the anodic compartment, the evolution of the pH as well as the biomass between the entrance and the exit of the chamber. A first study of the correlation between all these parameters has been proposed.

L'ingénierie tissulaire représente une solution prometteuse pour la production de substituts osseux. L'utilisation de bioréacteurs à perfusion pour cultiver des cellules ostéo-compétentes sur des matrices poreuses, permet de résoudre les limitations dues au transfert de masse, et d'apporter des stimuli physiques améliorant la prolifération et la différenciation cellulaire. Malgré les récents et importants développements des bioréacteurs en ingénierie tissulaire, les mécanismes menant à la production de substituts osseux en bioréacteurs restent mal compris.Le but de cette thèse est d'améliorer la compréhension de l'influence des phénomènes de transport, sur la croissance cellulaire et tissulaire dans un bioréacteur à perfusion. Dans cet objectif, une approche combinant modélisation et expérimentation est proposée.Dans un premier temps, un cadre théorique rigoureux est développé afin d'étudier les propriétés de transport du bioréacteur. Etant donné la nature hiérarchique du système, l'aspect multi-échelle du problème doit être pris en compte. En se basant sur la méthode de prise de moyenne volumique avec fermeture, les processus de transport d'espèce et de quantité de mouvement sont homogénéisés à partir de l'échelle de la matrice extracellulaire, jusqu'à l'échelle du bioréacteur. Les propriétés effectives des différentes structures rencontrées sont évaluées, et l'influence des dépendances inter-échelles sont mises en valeur. Le model macroscopique obtenu inclus des termes non-conventionnels, dont les contributions sont évaluées pour les conditions de fonctionnement du bioréacteur.Dans un second temps, la prolifération cellulaire et la production de tissu sont étudiées d'un point de vue expérimentale et théorique. Premièrement, des cellules de type fibroblaste, sont cultivées jusqu'à trois semaines sur des billes de verre, dans un bioréacteur perfusé à 10mL/min. Un protocole combinant des techniques d'histologie et d'analyse d'image, permet de quantifier la croissance de cellules et de tissu en fonction du temps et de l'espace. Deuxièmement, une cinétique de production de tissu est introduite dans le modèle de transport multiéchelle développé plus tôt. Finalement, la résolution à l'échelle du bioréacteur permet de discuter les résultats expérimentaux et théoriques au regard des phénomènes de transport ayant lieux dans le bioréacteur à perfusion. / Tissue engineering represents a promising approach for the production of bone substitutes. The use of perfusion bioreactors for the culture of bone-forming cells on a three-dimensional porous scaffold material, resolves mass transport limitations and provides physical stimuli, increasing the overall proliferation and differentiation of cells. Despite the recent and important development of bioreactors for tissue engineering, the underlying mechanisms leading to the production of bone substitutes remain poorly understood. The aim of this thesis is to gain insight on the influence of transport phenomena, on cell and tissue growth within a perfusion bioreactor. To this purpose, a combined modeling and experimental approach is followed.To start with, a rigorous theoretical framework is developed in order to study the transport properties of the bioreactor. Given the hierarchical nature of the system, the multiscale aspect of the problem must be taken into account. Based on the volume averaging theory with closure, mass and momentum transport processes are upscaled from the extracellular matrix scale, to the bioreactor scale. The effective properties of the encountered structures are evaluated, and the influence of the interscale dependencies are emphasized. The resulting macroscopic model includes non-conventional terms, which contributions are evaluated in the case of the bioreactor culture conditions.Then, cell proliferation and tissue growth are studied both, from an experimental and modeling point of view. First, fibroblast cells are cultured on glass beads in a bioreactor, perfused with culture medium at 10mL/min, for up to three weeks. A protocol combining histological techniques and image analysis allows the quantification of cell and tissue growth as a function of space and time. Second, a theoretical tissue production kinetic is introduced in the multiscale transport model previously developed. Finally, the resolution at the bioreactor scale allows to discuss the theoretical and experimental results in regard to the transport phenomena taking place in the perfusion bioreactor.