Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage « contour » d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister. / Curtain coating is a contactless coating process which permits a contour coating of the paper and the key parameter of this process is a perfect stable curtain. This technology is expected to spread widely for graphic paper grades and boards in the next few years. Nevertheless, many experimental works revealed some differences between stability theory and results observed on the curtain. In this work, we performed CFD simulations both for Newtonian and Non-Newtonian fluids on the internal flow in a pilot curtain coater and on the flow down the inclined plane. The CFD study of the internal flow revealed the cause of vortex creation into the coater. To maintain vortex-free operation, the Reynolds number at the inlet must remain below a critical value whatever the fluid, which is equal to 20 with the studied geometry whatever the studied fluid. Moreover, a second cavity is useful since instabilities coming from the first cavity could be filtered for low shear-thinning fluids, which is the case of the WFC coating colours. These simulation results were validated thanks to flow visualization experiments with tracers and PIV using a transparent replica of the coater. Finally CFD simulations on the inclined plane were carried out and permitted to conclude that for the range of operating conditions used on the pilot curtain coater, some issues presented in literature should not exist industrially.

Le couchage rideau est un procédé d'enduction sans contact qui permet un couchage " contour " d'une feuille de papier dont le point clé est la stabilité du rideau. Ce procédé semble devoir se développer dans les années à venir pour la production de papiers impression-écriture et de papiers et cartons d'emballages. Néanmoins, il existe aujourd'hui un écart important entre la stabilité théorique du rideau et les observations. Nous avons donc analysé par CFD l'écoulement interne dans un dispositif de couchage pilote avec différents fluides Newtoniens et Non-Newtoniens ainsi que l'écoulement externe sur le plan incliné de l'appareil. L'étude de l'écoulement interne par CFD a permis de faire ressortir la cause de vortex pouvant apparaître dans le dispositif. Pour avoir un écoulement sans vortex, le nombre de Reynolds à l'entrée doit être inférieur à une valeur critique égale à 20 pour la géométrie étudiée quel que soit le fluide utilisé. De plus la présence d'une seconde cavité permet de filtrer les perturbations pour des fluides peu rhéofluidifiants, ce qui est le cas des sauces de couchages pour des papiers WFC. Ces résultats ont été validés expérimentalement à l'aide de traceurs et de PIV en utilisant une réplique exacte en Plexiglas de la coucheuse rideau. Enfin en ce qui concerne l'étude de l'écoulement externe sur le plan incliné, l'utilisation de la CFD a permis de conclure que, pour les dispositifs de couchage utilisés et les conditions opératoires de nos industries, certains problèmes présentés dans la littérature ne devraient pas exister.

Développement de nouveaux matériaux d'emballage à base de micro- et nano-fibrilles de cellulose. Les micro- et nano-fibrilles de cellulose (MFC/NFC) sont des nanomatériaux issus de ressources renouvelables présentant un fort intérêt notamment pour le domaine de l'emballage. En plus des avantages naturels de la cellulose, ces matériaux offrent des propriétés barrières prometteuses (Oxygen, graisse), de bonnes propriétés de résistance mécanique ainsi que la possibilité de produire des films transparents. L'objectif de cette thèse était de développer par des procédés d'endution un carton barrière au gaz et aux graisses en utilisant les MFC/NFC. Différentes suspensions de MFC/NFC ont été premièrement characterisées puis utilisées pour la production de films afin de déterminer leurs propriétés intrinsèques. Des films modèles ont ensuite été développés avec la production de composites matrice/MFC. Une dernière partie était focalisée sur l'introduction de MFC/NFC dans des sauces de couchage afin de développer une couche barrière à la surface d'un carton. Un démonstrateur a ainsi été validé à l'échelle pilote. Le potentiel des MFC/NFC a été démontré comme agent de séchage et comme composant principale d'une couche barrière. Mots clès: Micro- et nano-fibrilles de cellulose, couche barrières, procédés d'enduction

Ce travail examine la potentielle mise à l'échelle industrielle des procédés de préparation des nanocristaux d'amidon (SNCs). Une caractérisation approfondie (morphologie, viscosité, stabilité thermique et propriétés en nanocomposites) de 5 SNCs différents montre une faible influence de la source botanique, contrairement aux nanocristaux de cellulose. L'analyse du procédé de préparation actuel des SNCs a conduit à 3 nouvelles stratégies d'optimisation et à la définition d'une nouvelle génération de SNCs. Une nouvelle application des SNCs, en emballage multicouche, montre également que les SNCs peuvent être utilisés en couchage et contribuer à diminuer la perméabilité à la vapeur d'eau de certains biopolymères. Une analyse du cycle de vie des SNCs dans ce type d'application est également proposée. Cette étude contribue donc à l'avancée de cette thématique et propose des perspectives prometteuses.

Développement de nouveaux matériaux d'emballage à base de micro- et nano-fibrilles de cellulose. Les micro- et nano-fibrilles de cellulose (MFC/NFC) sont des nanomatériaux issus de ressources renouvelables présentant un fort intérêt notamment pour le domaine de l'emballage. En plus des avantages naturels de la cellulose, ces matériaux offrent des propriétés barrières prometteuses (Oxygen, graisse), de bonnes propriétés de résistance mécanique ainsi que la possibilité de produire des films transparents. L'objectif de cette thèse était de développer par des procédés d'endution un carton barrière au gaz et aux graisses en utilisant les MFC/NFC. Différentes suspensions de MFC/NFC ont été premièrement characterisées puis utilisées pour la production de films afin de déterminer leurs propriétés intrinsèques. Des films modèles ont ensuite été développés avec la production de composites matrice/MFC. Une dernière partie était focalisée sur l'introduction de MFC/NFC dans des sauces de couchage afin de développer une couche barrière à la surface d'un carton. Un démonstrateur a ainsi été validé à l'échelle pilote. Le potentiel des MFC/NFC a été démontré comme agent de séchage et comme composant principale d'une couche barrière. Mots clès: Micro- et nano-fibrilles de cellulose, couche barrières, procédés d'enduction / Development of new packaging materials based on micro- and nano-fibrillated cellulose. The micro- and nanofibrillated cellulose (MFC/NFC) are nanomaterials from revewable resource with a high interest and partly for the packaging development. MFC combined both interesting properties (high tensile strength, good barrier to oxygen and grease, good transparency) and the advantages of natural cellulose source. The objective of this thesis was to develop a barrier packaging board based on MFC/NFC by coating processes. Firstly, the study focussed on the characterisation of the MFC suspensions, on the manufacturing of MFC self-standing films and on the determination of their properties. Secondly, the development of MFC based composites was studied as model films. The last part was devoted to the introduction of MFC in coating colours in order to develop a barrier layer at the board surface. Trials at pilot scale demonstrated the industrial feasibility of this product. The potential of the use of MFC/NFC was demonstrated to be used as a drying additive and a main composant of barrier layer. Keywords: Micro- and nanofibrillated cellulose, barrier layer, coating processes

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG. / The main objective of this research is the development of a commercial biosensor immobilized on paper surfaces, able to produce a colorimetric signal detected by human sensorial limits. This kind of biosensor could be used, for example, in the detection of toxic substances or pathogens. To achieve this objective, microencapsulated enzymes fixed on paper are proposed. Enzymes are biological catalysts with a high selectivity that can accelerate the speed of some chemical reactions up to a million times. However, the enzymes are very sensitive substances that lose their functionality easily; it is therefore necessary to protect them from conditions that could damage them. Microencapsulation is a technique that protects the enzymes without totally isolating them from their environment. In fact, microencapsulation entraps the enzymes into a micron size sphere, made of a porous polymer which prevents the enzyme to be released but allows the diffusion of its substrate inside. The microencapsulation process consists in making an emulsion containing a polymer dissolved in an aqueous phase with the desired enzyme, and the wall of the microcapsule is formed by adding a crosslinking agent that forms a polymer network at the interface of the emulsion. The crosslinked polymer solidifies and it encloses the enzyme in the interior of the capsule. Thereafter, this kind of microcapsules are used to give biosensor properties to the paper. Blade coating technique is used in order to immobilize the enzyme capsules on paper because it is the most widely used method in the paper industry. The microcapsules are mixed with a coating suspension and applied on sheets of paper. The viscosity parameters of the suspension and those of the coating are optimized to obtain a uniform coating in order to meet the industry standards. Bioactive paper obtained is first studied to assess whether the enzymes are still active or not after all the treatments because, as described above, enzymes are iii very sensitive substances. An enzyme known as laccase is used, which allows an easy evaluation of its activity. Enzymatic activity was evaluated through existing analytical techniques or new analysis techniques developed in the Rochefort lab. The results demonstrate the possibility to transfer microencapsulated enzyme systems onto paper by blade coating, by using large scale settings, with paper surfaces of 0.75 x 3 m2 modified at speeds ranging up to 800 m/min. Biosensors retained their activity, despite a drying process by evaporation of water using an IR lamp of 36 kW. The microencapsulation technique proposed here is an effective technique to increase the storage stability of the biosensor and its resistance to exposure to NaN3, which is a known inhibitor of this biosensor. This research is part of a national effort in order to develop a commercial device called bioactive paper; it is supported by the NSERC research network Sentinel.

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L’industrie produit de grandes quantités d’effluents aqueux qu’il convient de traiter. Des traitements alternatifs aux procédés biologiques doivent être développés pour certains effluents toxiques et/ou non biodégradables. L’oxydation en voie humide catalytique repose sur l’action de l’oxygène sur les polluants en phase aqueuse à haute température et haute pression. Préalablement à cette étude, des catalyseurs au Ru ou Pt supportés sur ZrO2 ou TiO2très actifs et très stables pour l’OVHC de polluants modèles et de quelques effluents réels ont été développés. Ce travail a examiné ces catalyseurs sur d’autres effluents réels : un effluent provenant d’une unité de production de membranes contenant du glycérol et du DMF, uneffluent de sauce de couchage provenant de l’industrie papetière et un concentrât de lixiviatde décharge. Les catalyseurs se sont révélés très actifs et stables pour la minéralisation du glycérol, mais une forte lixiviation a été observée lors de l’OVHC du DMF du fait de la présence d’amines. L’oxydation de l’effluent de sauce de couchage permet de minéraliser la charge organique, facilitant le recyclage de la charge minérale, avec une amélioration accrue de la biodégradabilité du surnageant en présence des catalyseurs. Enfin, l’ajout de catalyseurs lors de l’OVH du concentrât de lixiviat de décharge permet d’améliorer sa minéralisation et d’éliminer totalement les ions ammonium / Industries produce huge volumes of effluents which need to be treated before disposal.Alternative treatments to the more classical biological techniques are required in the case oftoxic and/or non biodegradable effluents. The wet air oxidation (WAO) and catalytic wet airoxidation (CWAO) are based on the reaction of an oxidant (oxygen) with the pollutants in aqueous phase at high temperature and pressure. Ru or Pt catalysts supported on zirconium and titanium oxides were previously shown to be highly active and stable in the CWAO of awide range of model compounds and real complex effluents. These catalysts were evaluated in the CWAO of problematic effluents: one containing glycerol and DMF, one paper coatingslip effluent and one concentrated landfill leachate. The catalysts showed high activity and stability in the CWAO of glycerol, while the metal leached upon DMF CWAO due to the presence of amines. WAO leads to the partial mineralization of the organic load in paper coating slip, allowing an easy separation recycling of mineral pigments, with an improved biodegradability of the supernatant with the use of a catalyst. The use of a catalyst upon landfill leachate WAO leads higher COT conversion and complete ammonia elimination