L'utilisation de souches de levures sélectionnées pour réaliser la FA est une pratique très répandue en œnologie. Après le développement de l'utilisation de levains de souche pure de Saccharomyces, l'innovation est aujourd'hui dans la mise en œuvre de levains mixtes de Saccharomyces et de non-Saccharomyces qui permettent de diversifier les produits finaux obtenus. La problématique réside dans l'existence d'interactions entre les souches rendant difficile la maîtrise de la fermentation. T. delbrueckii présente dans la flore indigène du mout de raisin est une des levures non-Saccharomyces les plus appropriées pour entrer dans la composition de ces levains mixtes. En effet, elle présente une bonne capacité fermentaire et peut permettre d'augmenter la complexité aromatique du vin ou encore de réduire son acidité volatile. L'objectif de ce travail était d'étudier les interactions pendant la FA entre des souches sélectionnées pour l'oenologie : une T. delbrueckii et une S. cerevisiae. Pour cela des expériences ont été réalisées dans des milieux synthétiques simulant le moût de raisins blancs. Le comportement des souches pures a tout d'abord été caractérisé. Il a été montré que la souche S. cerevisiae avait de meilleures performances fermentaires d'un point de vue cinétique que la souche T. delbrueckii. Toutefois, T. delbrueckii a montré des capacités acceptables pour épuiser les sucres et surtout a permis d'obtenir des profils aromatiques différents. Le comportement vis-à-vis de l'oxygénation des moûts de ces deux levures est assez semblable, T. delbrueckii étant cependant beaucoup plus sensible à ce paramètre que S. cerevisiae. L'interaction entre ces deux levures a ensuite était étudiée dans un bioréacteur à membrane sous anaérobie stricte dans différentes conditions : composition en azote assimilable du milieu et stratégie d'inoculation. Il a été clairement mis en évidence que T. delbrueckii était affectée par la présence de S. cerevisiae. Le type d'interaction soupçonné est celui d'amensalisme lié à l'excrétion par S. cerevisiae d'un constituant toxique pour T. delbrueckii. Dans ces conditions, la stratégie d'inoculation recommandée est l'ensemencement séquentiel des levures : T. delbrueckii en début de fermentation, puis l'ajout de S. cerevisiae 48 h après. Ceci permet à T. delbrueckii de se développer et d'exprimer son potentiel aromatique avant que S. cerevisiae ne soit introduit pour assurer une fin rapide de la fermentation. Toutefois, nous avons montré que même dans ces conditions, l'implantation de T. delbrueckii n'était pas garantie car, le moût n'étant pas stérile, une présence, même faible, de S. cerevisiae dans la flore naturelle peut inhiber sa croissance. Par ailleurs, il a été mis en évidence que dans les mouts à faible teneur en azote initial, ce constituant pouvait être épuisé au moment de l'inoculation de S. cerevisiae. Dans ces conditions, S. cerevisiae ne peut se développer et l'achèvement de la fermentation est alors problématique. / The use of the selected yeast strains to realize the alcoholic fermentation is very prevalent practice in vinification. After the development of utilization of the preparation of pure Saccharomyces cerevisiae strain, the innovation is now to apply the mixte starter cultures of Saccharomyces and non-Saccharomyces that allow to diversifying the obtained final products. The problem resides in the existence of interactions between the strains giving the difficulty to controle the fermentation. Torulaspora delbrueckii present in the indigenous flora of the grape must is one of the most appropriate non-Saccharomyces yeasts to enter in the composition of these multistater cultures. In fact, this strain has been presented a good fermentative capacity and could allow to increasing not only the aromatic complexity of wine, but also to reducing its volatile acidity. The objective of our work is to study the interactions during the alcoholic fermentation between the selected strains for enology: one T. delbrueckii and one S. cerevisiae. For this reason, the experiments were realized in the synthetic mediums simulated to the white grape must. The behaviours of the pure strains were firstly characterized. It was shown that the S. cerevisiae strain had the best fermentative performances, a critical point in comparaison with the T. delbrueckii strain. Nevetheless, T. delbrueckii showed the acceptable capacities to exhaust the sugars and especially to allow us to obtain the different aromatic profiles to that of S. cerevisiae. The behaviour via the oxygenation to the musts of these two yeasts is enough close, T. delbrueckii being however much more sensible to that parameter than . cerevisiae. The interactions between these two yeasts were then studied in a membrane bioreacteur under strict anaerobie in different conditions: composition in assimilable nitrogen of the medium and strategy of inoculation. It has been clearly demonstrated that T. delbrueckii has been affected by the presence of S. cerevisiae. The suspected type of this interaction is the amensalism one bound to a toxic compound excreted by S. cerevisiae. In these conditions, the recommended inoculation strategy is the sequential culture of these yeasts: T. delbrueckii at the beginning of the fermentation, then the addition of S. cerevisiae after 48 h. This allows T. delbrueckii to develop and express its potentiel of aromatic production before the S. cerevisiae is introduced to assure a rapid finish of the fermentation. However, we showed that even in these conditions, T. delbrueckii growth has been not guaranteed because of, since the must is not sterilized, a presence even small of S. cerevisiae in the natural flore can inhibite the croissance of the former. It has been also demonstrated that in the must with low intitial nitrogen content, this compound could be exhausted at the moment of the S. cerevisiae inoculation. In these conditions, S. cerevisiae can not develop and the achievement of the fermentation is yet problematic.

La réponse globale de cellules animales à des contraintes hydrodynamiques lors de leur culture en suspension dans des réacteurs agités a été étudiée grâce à une approche intégrative couplant les outils du génie biochimique à ceux de la mécanique des fluides numérique. En premier lieu, la description de l’hydrodynamique moyenne et locale de deux systèmes de culture agités de laboratoire, spinner et bioréacteur, a été réalisée. Puis, l'étude des cinétiques macroscopiques de cellules CHO cultivées en suspension, en milieu sans sérum et sans protéine, a été réalisée avec différentes vitesses d’agitation, pour évaluer l'impact de l'agitation sur les vitesses de croissance et de mort cellulaires, ainsi que de consommation des substrats et de production des métabolites et de l'interféron-gamma recombinant. Des caractérisations supplémentaires des cellules (apoptose, protéines intracellulaires) et de l'interféron ont également été réalisées. Les effets de l'intensification de l'agitation ont été représentés avec plusieurs corrélations globales reliant : (i) en milieu contenant du pluronic, l'intégrale des cellules viables au nombre de Reynolds, et la proportion de cellules lysées à la valeur moyenne de l'énergie de dissipation, <[epsilon]? (ii) en milieu sans pluronic, les vitesses spécifiques de croissance et de mort cellulaires à <[epsilon]. De plus, l'analyse par CFD de la distribution spatio-temporelle des contraintes indique que la lyse cellulaire, observée dans le réacteur aux conditions extrêmes d'agitation, serait plutôt liée à des valeurs locales très élevées de [epsilon], ainsi qu’à la fréquence d'exposition des cellules dans ces zones énergétiques. Un modèle hydro-cinétique original, couplant l’hydrodynamique locale aux cinétiques cellulaires de croissance et de mort, et basé sur l’intermittence de la turbulence permet la prédiction de la lyse massive observée en réacteur sous certaines conditions. Pour confirmer le fait que les effets liés à l'intensification de l'agitation sont bien le résultat d'une augmentation des contraintes hydrodynamiques, et non d'une amélioration du transfert d'oxygène, ce dernier a été mesuré et modélisé par couplage avec une simulation numérique de type Volume Of Fluid , concluant en une absence de limitation d'oxygène. Enfin, la conception, le dimensionnement et la caractérisation hydrodynamique d'un réacteur innovant de type Couette-Taylor, sont proposées pour la mise en œuvre de cultures perfusées dans un environnement hydrodynamique mieux contrôlé / The global response of animal cells to hydrodynamic stress when cultivated in suspension in stirred tank reactors was studied. To do this, an integrative approach coupling biochemical engineering and fluid mechanics tools were used. First, the description of the global and local hydrodynamics of two bench-scale agitated reactors, a spinner flask and a bioreactor, was carried out. Then, macroscopic kinetics of CHO cells cultivated in a serum and protein-free medium were obtained at various agitation rates, in order to evaluate the impact of agitation on cellular growth and death, as well as substrates consumption and metabolites and recombining IFN-[gamma] production. IFN-[gamma] and cells physiological state were more precisely characterised by glycosylation, apoptosis state and intracellular proteins measurements. The effects of the agitation increase were represented by several global correlations that related: (i) in a medium containing Pluronic F68, the Integral of the Viable Cells Density to the Reynolds number, and the proportion of lysed cells with the average value of energy dissipation rate <[epsilon]? (ii) in a medium without pluronic, specific cell growth and death rates to <[epsilon]. Moreover, CFD analysis of the stress distribution indicated that the cellular lysis observed in the bioreactor at the highest agitation rate, would be related to very high local values of [epsilon], and to the exposure frequency of the cells in these energetic zones. An original hydro-kinetic model based on the intermittency of turbulence and coupling the local hydrodynamics with cell growth and death kinetics, allowed the prediction of the massive cell lysis observed in the bioreactor under some mixing conditions. To decouple shear stress effects from oxygen transfer improvement, the oxygen transfer coefficient was experimentally measured and modelled using a Volume Of Fluid numerical simulation. Our results indicated the absence of an oxygen limitation, which confirmed that this cell response resulted from the hydrodynamic stress increase alone. Lastly, an innovative continuous and perfused Couette-Taylor reactor, allowing a better-controlled hydrodynamic environment was designed and sized. Its hydrodynamic description was carried out using CFD calculations

Des biocarburants alternatifs, utilisant des microsystèmes microbiens, sont actuellement étudiés dans le but de limiter la consommation non raisonnée de ressources énergétiques et le rejet de gaz à effet de serre, qui modifient le climat. Dans cette thèse, nous avons considéré des bioréacteurs à base de microalgues oléagineuses, et des écosystèmes bactériens anaérobies qui décomposent des déchets et produisent du méthane . Ces travaux avaient pour objectif de mieux comprendre ces procédés et d'en améliorer les performances. Nous avons tout d'abord modélisé et étudié des cultures de microalgues en photobioréacteurs, dans lesquels les pigments algaux induisent une forte atténuation lumineuse. Pour les écosystèmes bactériens, nous avons utilisé un modèle précédemment développé. A l'aide de ces modèles et de leurs analyse mathématique rigoureuse, nous avons proposé des stratégies pour optimiser leur productivité. Ensuite, l'étude de la sélection naturelle entre plusieurs espèces de microorganismes dans ces deux écosystèmes a permis de prédire quelles espèces remportent la compétition. Et finalement nous avons montré comment il est possible, dans chaque écosystème, de contrôler la compétition pour diriger la sélection naturelle de façon à avantager des espèces ayant des caractéristiques permettant une performance accrue.

Living cells and their components play a key role within biotechnology industry. Cell cultures and their products of interest are used for the design of vaccines as well as in the agro-alimentary field. In order to ensure optimal working of such bioprocesses, the understanding of the complex mechanisms which rule them is fundamental. Mathematical models may be helpful to grasp the biological phenomena which intervene in a bioprocess. Moreover, they allow prediction of system behaviour and are frequently used within engineering tools to ensure, for instance, product quality and reproducibility.<p> <p>Mathematical models of cell cultures may come in various shapes and be phrased with varying degrees of mathematical formalism. Typically, three main model classes are available to describe the nonlinear dynamic behaviour of such biological systems. They consist of macroscopic models which only describe the main phenomena appearing in a culture. Indeed, a high model complexity may lead to long numerical computation time incompatible with engineering tools like software sensors or controllers. The first model class is composed of the first principles or white box models. They consist of the system of mass balances for the main species (biomass, substrates, and products of interest) involved in a reaction scheme, i.e. a set of irreversible reactions which represent the main biological phenomena occurring in the considered culture. Whereas transport phenomena inside and outside the cell culture are often well known, the reaction scheme and associated kinetics are usually a priori unknown, and require special care for their modelling and identification. The second kind of commonly used models belongs to black box modelling. Black boxes consider the system to be modelled in terms of its input and output characteristics. They consist of mathematical function combinations which do not allow any physical interpretation. They are usually used when no a priori information about the system is available. Finally, hybrid or grey box modelling combines the principles of white and black box models. Typically, a hybrid model uses the available prior knowledge while the reaction scheme and/or the kinetics are replaced by a black box, an Artificial Neural Network for instance.<p><p>Among these numerous models, which one has to be used to obtain the best possible representation of a bioprocess? We attempt to answer this question in the first part of this work. On the basis of two simulated bioprocesses and a real experimental one, two model kinds are analysed. First principles models whose reaction scheme and kinetics can be determined thanks to systematic procedures are compared with hybrid model structures where neural networks are used to describe the kinetics or the whole reaction term (i.e. kinetics and reaction scheme). The most common artificial neural networks, the MultiLayer Perceptron and the Radial Basis Function network, are tested. In this work, pure black box modelling is however not considered. Indeed, numerous papers already compare different neural networks with hybrid models. The results of these previous studies converge to the same conclusion: hybrid models, which combine the available prior knowledge with the neural network nonlinear mapping capabilities, provide better results.<p><p>From this model comparison and the fact that a physical kinetic model structure may be viewed as a combination of basis functions such as a neural network, kinetic model structures allowing biological interpretation should be preferred. This is why the second part of this work is dedicated to the improvement of the general kinetic model structure used in the previous study. Indeed, in spite of its good performance (largely due to the associated systematic identification procedure), this kinetic model which represents activation and/or inhibition effects by every culture component suffers from some limitations: it does not explicitely address saturation by a culture component. The structure models this kind of behaviour by an inhibition which compensates a strong activation. Note that the generalization of this kinetic model is a challenging task as physical interpretation has to be improved while a systematic identification procedure has to be maintained.<p><p>The last part of this work is devoted to another kind of biological systems: proteins. Such macromolecules, which are essential parts of all living organisms and consist of combinations of only 20 different basis molecules called amino acids, are currently used in the industrial world. In order to allow their functioning in non-physiological conditions, industrials are open to modify protein amino acid sequence. However, substitutions of an amino acid by another involve thermodynamic stability changes which may lead to the loss of the biological protein functionality. Among several theoretical methods predicting stability changes caused by mutations, the PoPMuSiC (Prediction Of Proteins Mutations Stability Changes) program has been developed within the Genomic and Structural Bioinformatics Group of the Université Libre de Bruxelles. This software allows to predict, in silico, changes in thermodynamic stability of a given protein under all possible single-site mutations, either in the whole sequence or in a region specified by the user. However, PoPMuSiC suffers from limitations and should be improved thanks to recently developed techniques of protein stability evaluation like the statistical mean force potentials of Dehouck et al. (2006). Our work proposes to enhance the performances of PoPMuSiC by the combination of the new energy functions of Dehouck et al. (2006) and the well known artificial neural networks, MultiLayer Perceptron or Radial Basis Function network. This time, we attempt to obtain models physically interpretable thanks to an appropriate use of the neural networks.<p> / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires. Une classe de systèmes multi-entrées/multi-sorties non uniformément observables a tout d’abord été considérée et un observateur dont le gain est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de Lyapunov a été proposé. La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente a été établie sous une condition d’excitation persistante bien appropriée. La synthèse de l’observateur proposé a été ensuite reconsidérée pour prendre en compte l’échantillonnage et la présence de retard sur la sortie. L’observateur résultant de la resynthèse a une structure en cascade avec des systèmes en chaîne où le premier système de la cascade estime l’état retardé tandis que l’état du dernier système est une estimation de l’état instantané du système. La deuxième classe de systèmes considérée dans cette thèse est une forme normale observable multi-sorties comportant des incertitudes et dont la sortie est échantillonnée et retardée. Un observateur en cascade a été proposé pour l’estimation de l’état instantané du système. Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers plusieurs exemples en simulation tout au long de de la thèse. / The results given in this thesis deal with the design of high gain observers forsome classes on nonlinear systems. A class of multi-inputs/multi-output non uniformlyobservable systems has been first considered and an observer the gain of which is issuedfrom the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation has been proposed. Theexponential convergence of the underlying observation error has been established underan appropriate persistent excitation condition. The design of the proposed observerhas then been reconsidered in order to account for the sampling and delay processeswhich may occur on the output. The redesigned observer assumes a cascade structurewith chained systems where the head of the cascade is an observer for the delayedstate while the state of the last system in the cascade constitutes an estimation ofthe system actual state. The second class of systems considered in this thesis is amulti-outputs observable normal form involving some uncertainties and with a delayedsampled output. A cascade observer allowing the estimation of the system actual statehas been proposed. The performance and main properties of the proposed observershave been illustrated in simulation by considering many examples throughout thisthesis.

Les cheminées et sédiments hydrothermaux actifs du Bassin de Guaymas (Mexique) hébergent diverses communautés microbiennes présentant différents métabolismes, y compris ceux impliqués dans les cycles biogéochimiques du soufre et du fer. Il est établi, que, dans ces écosystèmes dynamiques, les micro-organismes qui dépendent pour leur croissance des substrats présents dans leur environnement pourraient à leur tour, affecter localement la composition du fluide hydrothermal et la minéralogie des cheminées, la composition des sédiments, en favorisant la dissolution et/ou la précipitation de certaines phases minérales. Pour étudier ces interactions procaryotes-biotopes, et établir des liens entre la structure, l’activité et les signatures isotopiques des communautés microbiennes et les caractéristiques physico-chimiques des systèmes hydrothermaux du Bassin de Guaymas, une approche pluridisciplinaire mettant en oeuvre des techniques de microbiologie, de géochimie et d’isotopie, lors des cultures d’enrichissements en bioréacteur et des études de colonisation de substrats basaltiques a été réalisée. Ces travaux ont permis : 1) de caractériser la diversité des micro-organismes de différents compartiments de l’écosystème hydrothermal (cheminée et sédiments) du Bassin de Guaymas par des approches culturales et moléculaires ; 2) de décrypter le fonctionnement des cycles biogéochimiques du soufre et du fer en mettant en évidence la présence simultanée, à haute température et en anaérobiose, de micro-organismes sulfo-réducteurs, sulfato-réducteurs, sulfo-oxydants mais également ferri-réducteurs et ferro-oxydants ; et 3) de mieux comprendre les interactions procaryotes-minéraux-fluide en soulignant le rôle des microorganismes dans la modification des conditions environnementales, la formation de minéraux ainsi que leur rôle direct ou indirect dans les fractionnements des isotopes du Fer et Soufre. Ces études ont donc permis de montrer l’importance des interactions croisées entre les différents composantes : communautés microbiennes, le fluide (fluide hydrothermal, eaux interstitielles des sédiments, eau de mer) et les structures minérales des écosystèmes hydrothermaux. / Active hydrothermal chimney and sediments of the Guaymas Basin (Mexico) host various microbial communities with different metabolisms, including those involved in biogeochemical cycles of sulfur and iron. It is established that, in these dynamic ecosystems, microbial activity depends on the availability of substrates in their environment and that prokaryotes could, in return locally affect the composition of the hydrothermal fluid and mineralogical composition of the chimney or sediment, by mediating the dissolution and / or precipitation of some mineral phases. In order to study these prokaryotes-biotope interactions, and establish links between the structure, the activity and the isotopic signatures of microbial communities with the physico-chemical characteristics of hydrothermal systems of Guaymas Basin, a multidisciplinary approach based on the implementation of microbiology, geochemistry and isotope technics was performed using enrichment cultures in bioreactors and the study of the colonization of basaltic substrates. This work led to: 1) characterize the diversity of microorganisms in different hydrothermal compartments (chimney and sediments) of the Guaymas Basin using both cultural and molecular approaches; 2) to decrypt the functioning of sulfur and iron biogeochemical cycles, by highlighting the occurrence, at high temperature and anaerobic condition, of sulfur-reducing, sulfate-reducing, sulfur-oxidizing and also iron-reducing and iron-oxidizing prokaryotes ; and 3) to better understand the prokaryote-mineral-fluid interactions by pointing out the role of microorganisms in environmental condition changes, mineral precipitation and their direct or indirect role in iron and sulfur isotope fractionation. Thus these studies have demonstrated the importance of the cross-interactions between the different hydrothermal components: microbial communities, fluids (hydrothermal fluid, sediment pore water, sea water) and mineral structures.