Le bore est nécessaire pour le développement des plantes supérieures (structuration de la paroi végétale). Il pose cependant des problèmes (défoliation, pourriture et chute des fruits mûrs). Pour l’homme, sa toxicité se traduit par des nausées, des diarrhées, des troubles du développement intellectuel, neurologique et physique. La pénurie en eau douce conduit à dessaler l’eau de mer pour augmenter la quantité en eau destinée à la consommation humaine, l’industrie et l’agriculture. Lors de ce procédé, il faut éliminer les ions majeurs mais aussi le bore présent à des concentrations élevées (> 4,5 mg L–1, environ 0,45 mM). Son usage dans l’industrie et son rejet dans l’environnement conduisent à la pollution des eaux souterraines et de surface. Son élimination est donc indispensable, sachant que l’Organisation Mondiale de la Santé recommande une valeur guide de 0,5 mg L–1 dans l’eau potable et une valeur maximale de 0,3 mg L–1 dans l’eau utilisée pour l’irrigation. Cette thèse porte sur l’étude cinétique et thermodynamique des échanges du bore à la surface de différents matériaux en fonction de paramètres physico-chimiques (pH, concentration initiale …) à l’aide d’essais en réacteurs fermés et en colonnes. Deux types de résines commerciales ont été choisies : (i) les résines échangeuses d’anions Ambersep 900-OH et Amberlite IRA 402 Cl avec des fonctions ammonium, (ii) les résines spécifiques Amberlite IRA 743 et Diaion CRB 03 ayant des fonctions méthylglucamine. Les premières essais en réacteurs fermés montrent que les échanges liquide-solide sont rapides avec une élimination du bore > 96 % pour t < 30 min pour Amberlite IRA 743, Diaion CRB 03 et Ambersep 900-OH. Pour t > 2 h, un équilibre est observé pour toutes les résines. Le modèle du pseudosecond ordre permet de décrire la cinétique de sorption pour les 4 résines. A l’équilibre, l’adsorption est maximum d’une part dans une gamme de pH compris entre 6 et 12 pour les 2 résines sélectives Amb IRA 743 et CRB 03, et d’autre part pour un pH de 8 pour la résine Ambersep 900-OH et un pH 10 pour la résine Amberlite IRA 402 Cl. A pH 8 et pour les concentrations en bore < 20 mM, la sorption du bore est représentée par le modèle de type Langmuir pour Amberlite IRA 743, Ambersep 900-OH et Diaion CRB 03. Par contre, la rétention du bore sur Amberlite IRA 402 Cl suit une isotherme de type linéaire. A pH 8 et pour des concentrations en bore < 20 mM, les capacités de sorption sont : 1, 0,7, 0,3 et 0,05 mmol g–1 pour Diaion CRB 03, Amberlite IRA 743, Ambersep 900-OH et Amberlite IRA 402 Cl, respectivement. Les résines Ambersep 900-OH, échangeuse d’anions, et Amberlite IRA 743, sélective, ont été utilisées pour les essais en colonnes en fonction de la concentration en bore et du temps de séjour. Pour la résine spécifique, le temps de séjour dans la colonne affecte fortement le comportement du bore : lorsqu’il diminue, son élution est rapide suivie d’une longue traînée ; lorsqu’il augmente, la courbe de percée correspond à un système à l’équilibre. Pour un temps de séjour élevé, les résultats confirment la non-linéarité observée lors des essais en réacteurs fermés. Pour la résine échangeuse d’anions, la non-linéarité est aussi confirmée. Ces essais permettent de différencier le comportement du bore lors de sa désorption. La régénération est obtenue après des traitements acides et basiques pour la résine spécifique alors qu’un traitement alcalin est suffisant pour la résine anionique. Une étude plus détaillée des mécanismes est en cours et permettra de les intégrer dans un même modèle. La fixation du bore sur des pectines et sa rétention par des membranes d’ultrafiltration (membranes de seuil de coupure différent) a aussi été étudiée. Les pectines ont été caractérisées (composition en sucre et en bore présent initialement) et la viscosité des solutions pectiques mesurée. Des essais de filtration ont permis de déterminer l’efficacité de production et de rétention du bore sur ces matériaux. / Boron is an element, which is necessary as essential nutrient for living organisms, especially for plants where it is involved in cell wall composition. But boron excess can cause some problems on the development of plants (defoliation, decay and fall unripe fruits), of humans and animals such as nausea, diarrhoea, dermatitis, lethargy. Boron toxicity also changes blood composition, caused disorder in neurological, physical, intellectual development. Nowadays, due to the shortage of fresh water sources, seawater desalination has been becoming an alternative fresh water supply. However, the presence of boron in seawater is quite high (4.5 mg L–1, around 4.5 mM). Moreover, the increasing use of boron in industries and its discharge to the environment has led to the contamination of surface and ground waters. As the result, boron removal, in production of drinking water becomes very important. Therefore, the World health organization has recommended a guideline of 0.5 mg L–1 B in drinking water and a maximum limit of 0.3 mg L–1 B in fresh water used for irrigation. The objective of this thesis is to study the mechanisms of boron surface exchange on different materials versus time and at equilibrium depending on some physicochemical parameters such as pH, initial boron concentration, reaction time in order to find a new exchanger for boron removal. Boron removal was carried out by ion exchange process using 2 types of resins: Amberlite IRA 743, Diaion CRB 03 as boron selective resins with methylglucamine functions, and Ambersep 900-OH and Amberlite IRA 402 Cl as anionic exchange resins with ammonium functions. From batch studies, fast exchange between resin surface and liquid phase was observed with boron removal up to at least 96 % within 30 min for Amberlite IRA 743, Diaion CRB 03 and Ambersep 900- OH. The reaction between resin surface and boron solution reached equilibrium after 2 h for all the resins. The pseudo-second order kinetic model was used to well describe the sorption kinetic process of the resins. At equilibrium, the experimental results showed that the maximum adsorption was observed to be achieved at pH 8 for Ambersep 900- OH, pH 10 for Amberlite IRA 402 Cl and independent on pH range from 6 to 12 for the 2 boron selective resins Amberlite IRA 743 and Diaion CRB 03. At pH 8 and for boron concentrations < 20 mM, the Langmuir-type relationship was used to fit the experimental data for Amberlite IRA 743, Ambersep 900- OH and resin Diaion CRB 03. In the range of studied boron concentration, the boron sorption onto Amberlite IRA 402 Cl followed linear-type behaviour. At pH 8 and for boron concentrations < 20 mM, the sorption capacities are: 1, 0,7, 0,3 et 0,05 mmol g–1 for Diaion CRB 03, Amberlite IRA 743, Ambersep 900- OH and Amberlite IRA 402 Cl, respectively. Column experiments were performed with the anionic resin Ambersep 900-OH and the selective one Amberlite IRA 743 by studying both the influence of boron concentration and the residence time. For the selective resin, if the residence time decreases, the boron breakthrough is fast followed by a long tail. For larger residence time, local equilibrium seems to be assumed. Results are thus consistent with batch experimental data. For the anionic resin, the nonlinear behaviour is also confirmed. Moreover, column experiments showed a strong difference during desorption. To regenerate resins, acid and basic treatments are necessary for the selective resin although a basic solution is enough for the anionic resin. A more detailed study of mechanisms is in progress in order to build a exchange model for predicting boron fate. Finally, characterization of pectins was also performed. Its composition (sugar and boron content) and the viscosity of pectin solutions were quantified. Filtration experiments allowed testing the efficiency of such material to remove boron too

La séparation et la purification de biomolécules à partir de milieux bruts, végétaux ou biologiques, est un sujet vaste etcomplexe. De sa compréhension et de son développement dépendent des enjeux industriels, et notamment le completdéveloppement des procédés biotechnologiques, les procédés de séparation, ou downstream processes, constituant environ 80% des coûts totaux de ces procédés. Ce travail se veut une contribution à ces problématiques. Il a été motivé par des résultatsobtenus au préalable dans le laboratoire qui montraient qu’il est possible de récupérer une protéine de très grande taille àpartir d’un milieu réel végétal par l’application d’une seule opération chromatographique (Kerfai, 2011). Suite à ce résultat,des hypothèses ont été énoncées, auxquelles ce travail essaie de répondre : quel(s) mécanisme(s) peuvent expliquer cerésultat ? Existe-t-il une localisation spécifique pour la fixation de la molécule sur l’échangeur d’ions qui rend plus simple etefficace sa récupération lors de l’étape d’élution ? Ainsi, notre objectif a été de progresser dans la connaissance des aspectsfondamentaux de la chromatographie d’échange d’ions appliquée à la séparation des protéines à partir d’un milieu brut.Notamment, l’influence de la présence d’autres protéines dans le milieu a été analysée, et ce dans le cas particulier deprotéines de poids moléculaire très différents, comme c’était le cas dans le travail précédemment cité. Des approches variées,théoriques et expérimentales à différentes échelles sur des milieux réels ou synthétiques, ont été appliquées et parfoisdéveloppées, pour essayer de répondre à ces questions. A l’échelle du procédé, une méthode statistique d’analyse desdonnées (Analyse en Composantes Principales ou ACP) a été menée, dont l’exploitation reste délicate. A l’échelle dulaboratoire, l’étude de l’équilibre et de la cinétique d’échange d’ions a été menée sur des solutions synthétiques de deuxprotéines : la sérum albumine bovine (BSA) (en tant que protéine de référence, couramment étudiée) et la ferritine (protéinede stockage du fer) de point isoélectrique proche de celui de la BSA mais de masse molaire plus élevée. Les résultatsmontrent que des modèles relativement classiques peuvent être appliqués, y compris pour les protéines de très grandes tailles,pour expliquer les aspects cinétiques de l’échange. Le couplage des flux de matière des protéines à l’intérieur des particulesde l’échangeur est très probable, malgré des diffusivités très différentes. Interpréter les résultats d’équilibre reste bien plusardu. La concentration en sel ou la présence de la BSA n’ont que très peu d’effet sur la rétention de la ferritine à l’équilibre.En revanche, la présence de la ferritine affecte très fortement la rétention de la BSA (pourtant plus favorable). Parmi lesphénomènes suggérés dans la littérature, l’effet Vroman a été recherché, mais il n’a pas été constaté dans le système pour lesconditions de travail utilisées. Les isothermes d’adsorption en conditions compétitives n’ont pas pu être simulées par lesmodèles habituels (comme l’isotherme multi-constituants de Langmuir), alors que celles des protéines seules sont tout à faitclassiques. En outre, un blocage partiel des pores de la résine par la ferritine reste probable, empêchant la diffusion de laBSA. Afin de vérifier ce dernier point, une méthodologie a été développée afin d’observer à l’échelle microscopique lesprofils de concentration des éléments représentatifs du système (P, Fe, Cl…) dans les particules. Cette méthode qui se trouveà un stade très avancé de développement, n’a pas encore permis de conclure faute de sensibilité suffisante des sondes àdisposition. / Bioseparations from crude media, vegetable or biological, is a large and complex subject. Future industrial issues depend ontheir understanding and development, namely for biotechnological processes as downstream processes represent up to 80 %of their total cost. This work hopes to contribute to these general questions. It is justified by previous results obtained in thelaboratory showing that it is possible to recover a high molecular weight (HMW) protein from a complex vegetal juice in justone chromatographic operation. Hypotheses have been formulated, to which this work tries to answer: what mechanism couldexplain this behaviour? Is-there a specific location inside particles for the uptake of such protein, facilitating the recoveryduring elution step? Our objective has been to progress on the knowledge of fundamental questions concerning ion-exchangechromatography and their applications for proteins recovery from complex media. The effect of the other proteins in solutionhas been analysed, specifically in the situation where both proteins have a very different molecular weight, as in the previouscited work. Theoretical and experimental approaches, at various scales, have been applied or developed on real or syntheticsystems in order to answer some of these questions. At the process scale, a statistical method for data analysis (PrincipalComponent Analysis or PCA) has been applied. The complete interpretation of its results remains very hard. At thelaboratory scale, equilibrium and kinetics of ion exchange have been studied for synthetic solutions of two proteins: bovineserum albumin (BSA) (as reference protein widely studied), and ferritin (iron storage protein) having similar isoelectric pointas BSA but with higher molecular weight. Classical models for ion-exchange kinetics can explain the experimental results,even for HMW proteins. Mass transfer fluxes seem to be coupled for both proteins, even if they have usually very differentdiffusivities. The interpretation of equilibrium results is much more difficult. Equilibrium uptake of ferritin is not, or lightly,influenced by salt concentration or BSA content. Nevertheless, the presence of ferritin in the medium affects strongly BSAequilibrium uptake (however more favourable). Among the phenomena suggested in the literature, the Vroman effect hasbeen researched but it does not take place under the experimental conditions applied. Simulation of multi-componentisotherms has not been possible by classical models (such as multi-component Langmuir isotherm), while protein isothermsin single solution are standard. Besides, a partial blockage of the resin pores by ferritin is possible, preventing BSA diffusion.Therefore, a methodology has been developed at the microscopic scale, with the aim to observe concentration profiles forrepresentatives elements (P, Fe, Cl …) inside particles. The method, well developed, does not allow to conclude for themoment, because the probes used were not sensible enough.

Le présent travail vise à étudier le couplage de l’échange d’ions et de l’électrodialyse. Cette étude est appliquée à la séparation de biomolécules. Un des objectifs est de diminuer la génération d’effluents salins produits par les étapes d’échange d’ions utilisées de façon classique dans les bioséparations. Une première approche a conduit à la conception d’une architecture avec un mode de fonctionnement cyclique en 3 étapes qui permet de purifier certaines familles de peptides sans utiliser de tampon de pH ni générer d’effluents. Le dispositif expérimental est constitué d’une cellule d’électrodialyse dans laquelle sont introduites des résines échangeuses d’anions. Les trois étapes sont les suivantes : fixation des biomolécules sur la résine initialement sous forme carbonate, élution par une solution de dioxyde de carbone dissous dans l’eau, électrorégénération de la résine sous sa forme initiale, conduisant simultanément à la régénération de la solution d’acide carbonique. L’étape d’électrorégénération a été modélisée et les simulations permettent d’améliorer la compréhension des processus couplés mis en jeu comme les équilibres d’échange d’ions, les équilibres en solution, l’électromigration. Une deuxième approche a ensuite consisté à étudier les possibilités de contrôle du pH par voie électrochimique, afin de limiter l’utilisation de solutions tampons. La dissociation de l’eau, conduisant à la formation de protons et d’ions hydroxyles, a été plus particulièrement étudiée en mettant à profit les propriétés des contacts dits « bipolaires » sous l’effet d’un champ électrique. Il s’est alors avéré que les choix du type de résine et de la densité de courant permettent de jouer sur le pH Toutefois ce travail doit être poursuivi par la recherche d’architectures et de modes opératoires qui permettent d’obtenir un pouvoir tampon adéquat / The present work aims to study the coupling of ion exchange and electrodialysis. This study is applied to the separation of biomolecules. One objective is to reduce the generation of saline wastewater produced by the ion exchange steps used conventionally in bioseparations. One approach has led to the design of architecture with a cyclic mode in 3 steps to purify some families of peptides without using a buffer pH or generate wastes. The experimental device consists of an electrodialysis cell in which are introduced anion exchange resins. The three steps are: loading of biomolecules on the resin initially in the carbonate form, elution with a solution of carbon dioxide dissolved in water, electroregeneration of the resin in its original form leading simultaneously to the regeneration of the carbonic acid solution. Using a modelling of the electroregeneration step, simulations can improve the understanding of coupled processes as the ion exchange equilibria, the equilibria in solution, the electromigration. A second approach has then been to study the possibilities of controlling the pH by electrochemical means to limit the use of buffers. The dissociation of water, leading to the formation of protons and hydroxyl ions, has been particularly studied by accounting the properties of contacts called « bipolar » as a result of an electric field. It was established that the choice of resin type and the current density can modify the pH. However this work must be pursued through research of architectures and operating procedures that deliver appropriate buffer capacity

L’industrie du nucléaire produit de grandes quantités d’effluents radioactifs de sources diverses nécessitant des traitements spécifiques en fonction de leur composition chimique. Le césium 137 fait partie, avec le strontium 90, des radioéléments majoritairement présents dans ces effluents qui doivent être extraits le plus efficacement possible en produisant un minimum de déchets secondaires. Le traitement en colonne est parmi les procédés les plus adaptés pour ce type d’extraction sur support solide. Son principe repose sur la capacité de sorption du radioélément par des hexacyanoferrates (HCF) de cuivre, des échangeurs ioniques minéraux très sélectifs du césium. Des investigations sur les HCF ont permis de mettre en avant les modifications structurales intervenant lors de l’échange avec le césium, à l’origine de leur forte affinité pour cet ion. La fonctionnalisation des HCF sur des monolithes de silice à porosité hiérarchique a mis à profit les propriétés remarquables de ces supports pour une utilisation en colonne. Les cinétiques de sorption évaluées jusqu’aux concentrations traces ont montré une capture rapide du césium qui justifie l’intérêt de ce matériau pour un emploi en colonne. Par ailleurs, la compétitivité des monolithes fonctionnalisés par rapport à des lits particulaires a été démontrée. Ces matériaux ont enfin été mis en œuvre pour la décontamination simultanée du césium et du strontium par des mécanismes couplés d’échange d’ions et de coprécipitation du sulfate de baryum, rendue possible par la grande perméabilité des monolithes. Un modèle simplifié du transport réactif basé sur la morphologie du monolithe a été développé avec le code HYTEC en supposant un écoulement dispersif dans les canaux du squelette et la diffusion dans les parois du squelette et les agrégats de HCF. / The nuclear industry produces high amounts of contaminated water from various sources that require specific treatments depending on their chemical composition. Cesium-137 and strontium-90 are among the most abundant radionuclides in those effluents, which have to be removed as efficiently as possible in order to generate the lowest amount of waste. The column process is one of the most suitable processes to achieve this solid-phase extraction. Its principle is based on the sorption capacity of the radionuclide by copper hexacyanoferrates (HCF), highly cesium-selective mineral ion-exchangers. Investigations on HCF pointed out the structural effects of the cesium insertion within the crystal, which were linked to the high affinity of HCF for this ion. The functionalization of HCF on silica monolith with hierarchical pore structure was carried out in order to benefit the remarkable properties of these supports used as a column. Sorption kinetics evaluated down to trace concentrations have shown a fast capture of the cesium, which proves the interest of this material for a column process purpose. In addition, the performances of functionalized silica monolith have been highlighted in comparison with those made of particulate fixed beds. Finally, those materials were implemented for a simultaneous decontamination of cesium and strontium by a double extraction mechanism of ion exchange and coprecipitation of barium sulfate, allowed by the high permeability of the monolith. A simplified model of reactive transport was built with the HYTEC code, based on the actual morphology of the monolith. To do so, a dispersive flow in the macroporous intraskeletal channels and a diffusive flow inside the walls of the structure and the HCF aggregates were assumed.

Ce travail vise à étudier le couplage entre écoulement et interactions physico-chimiques dans les sols, dans différentes conditions de saturation en eau, afin d’améliorer la prédiction du devenir des polluants. Il s’agit de comprendre en quoi le taux de saturation du milieu affecte la réactivité du sol vis-à-vis des polluants, et d’évaluer le pouvoir prédictif du transport de solutés réactifs étudié en milieu saturé sur la réactivité en conditions non saturées. Différents processus sont considérés : l’échange de cations calcium-zinc sur un milieu poreux modèle (sable-kaolinite), la sorption et désorption d’un composé organique sur une terre non contaminée, le transport de polluants prioritaires tels que les HAP sur une terre de friche industrielle. Dans chaque cas, des expériences en colonne de laboratoire ont été conduites en conditions d’écoulement saturé et non saturé permanent, permettant tout d’abord la caractérisation de l’hydrodynamique, puis l’étude du couplage avec la réactivité. Les courbes de percée obtenues ont été ensuite modélisées avec des codes tels que CXTFIT. On a montré l’influence de la teneur en eau du milieu sur le transport réactif, variable suivant le type de réaction considéré, la structure des milieux jouant également un rôle important. L’échange d’ions sur le milieu modèle n’est globalement pas affecté par la teneur en eau, dans une gamme proche de la saturation. En revanche, une plus forte sorption et une plus faible mobilisation des polluants organiques ont été observées en conditions non saturées. Le transport réactif de ces composés ne peut donc pas être prédit en conditions non saturées à partir de mesures en milieu saturé, qui peuvent surestimer le transport / The aim of this work was to study the link between water flow and physical and chemical interactions in soils under variably water flow conditions, in order to improve the prediction of contaminants fate. It deals with understanding how the porous media water content can modify soil reactivity towards contaminants, and assessing the possibility to predict reactivity under unsaturated conditions with reactive solute transport studied in saturated porous media. Various processes were considered: cations exchange calcium-zinc on a model porous media (sand-kaolinite), sorption and desorption of an organic compound on a non polluted soil, transport of priority contaminants such as PAHs on an industrial contaminated soil. In each case, experiments were carried out with soil columns at the laboratory scale under saturated and unsaturated steady-state flow conditions, in order to characterize at first hydrodynamics and then to study the link with reactivity. Modeling of the breakthrough curves was then performed with codes such as CXTFIT. We showed an influence of porous media water content on reactive transport which was different as a function of the interaction. Porous media structure must also be taken into account. Ions exchange on a model porous media was not globally modified by the water content varying in a range close to saturation. On the contrary, higher sorption and lower migration of organic contaminants were observed under unsaturated conditions. Reactive transport of these compounds cannot therefore be predicted under unsaturated conditions with tests performed on saturated porous media which may overestimate transport

Le présent travail est dédié à l’étude d’un procédé hybride couplant l’électrodialyse à membrane bipolaire et l’échange d’ions. Cette étude est appliquée au traitement de solutions diluées d’acide acétique. L’objectif est double : acquérir une compréhension théorique des processus de transfert et des mécanismes qui impactent la consommation énergétique de ce système hybride et, de façon plus appliquée, proposer une configuration de cellule qui permette d’éliminer l’acide de la solution traitée en la transférant vers un compartiment de concentration. Cette configuration doit permettre d’obtenir le taux de purification le plus élevé possible tout en minimisant la consommation d’énergie. Des critères visant à optimiser le choix des résines échangeuses d’ions (fortes ou faibles) dans les compartiments de dilution sont proposés. L’intérêt de l’utilisation d’une résine cationique forte sous forme H+ dans le compartiment de concentration est par ailleurs mise en évidence, conduisant à une diminution de la résistance du compartiment et de ce fait de la consommation d’énergie. Une étude réalisée sur des systèmes « couplés » et « découplés » a permis d’identifier les contributions résistives des différents éléments de l’empilement. Cette approche a conduit à la détermination des paramètres d’un modèle qui permet de prévoir la résistance électrique d’un lit de résine dans une solution donnée. Les consommations spécifiques d’énergie (kWh/kg d’acide transféré) ont été évaluées en fonction du taux de purification souhaité. L’ensemble de l’étude a permis d’établir des recommandations pour la conception de la cellule et pour le choix des paramètres opératoires. / This work is dedicated to the study of a hybrid separation process involving bipolar membrane electrodialysis and ion exchange. This study is applied to the treatment of diluted effluents. The aim is first to acquire a theoretical understanding of transfer processes and mechanisms that affect energy consumption of this hybrid system. Then, in a more applied way, the objective is to be able to propose a cell configuration that allows to remove the acid from the treated solution by transferring it to a concentration compartment. This configuration must allow to obtain the highest purification rates as possible while minimizing energy consumption. Criteria aiming at optimizing ion exchange resins (strong or weak) in dilution compartment are proposed. The interest of the introduction of strong cationic resin under H+ form in the concentrated compartment is highlighted, as it enables reducing compartment resistance and hence energy consumption. Furthermore, experimental measurements successively conducted with “decoupled” and “coupled” systems identified resistive contributions of the different elements of the stack. This approach led to the determination of parameters of a model which predicts the resin bed electrical resistance in a given solution. Specific energy consumption (kWh/Kg transferred acid) was evaluated as a function of the desired purification rate. All the work led to recommendations for the cell design and for the choice of operating parameters.

Les milieux biologiques bruts, provenant des opérations de transformation de biomasse sont souvent caractérisés à la fois par leur caractère polluant et par un potentiel de valorisation important. Le développement de procédés adaptés au traitement de tels milieux complexes présente ainsi beaucoup d’intérêt. Les jus verts générés par la déshydratation de la luzerne (Medicago Sativa) sont caractérisés par une forte teneur en protéines. Outre leur valeur nutritionnelle importante, ces protéines ont des applications potentielles dans plusieurs domaines, notamment environnemental de part leur teneur élevée en Ribulose 1,5 Bisphosphate Carboxylase Oxydase (Rubisco), enzyme responsable de la fixation du CO2 chez les plantes. Dans ce travail la séparation sélective de la Rubisco à partir du jus de luzerne industriel centrifugé par chromatographie d’échange d’ions a été étudiée. Dans un premier temps une méthode d’analyse qualitative et quantitative a été mise au point pour la détection et la quantification de la Rubisco en solution et ainsi le suivi du procédé de séparation. Dans un deuxième temps, le procédé de séparation a été étudié en colonne, en lit fixe et en lit expansé, en utilisant le support échangeur d’anions Q Hyper Z et l’effet de la dilution du milieu sur la capacité dynamique du procédé a été analysé dans les deux cas. Les résultats obtenus ont montré que les deux modes de contact permettent d’avoir des capacités dynamiques de rétention du même ordre de grandeur que celles de la littérature. Après élution, la Rubisco a été concentrée jusqu’à 21 fois et les fractions produites étaient caractérisées par un grand degré de pureté. Par ailleurs, des études d’équilibre et cinétique d’échange ont été initiées dans ce travail et ont démontré que malgré la taille importante de la protéine d’intérêt (560 kDa) les limitations stériques à son transfert ne sont pas plus importantes que dans le cas de protéines plus simples et plus petites et que le support Q Hyper Z présente effectivement une grande affinité pour la protéine. Enfin une première approche théorique a été conduite pour la compréhension des interactions entre la protéine et l’échangeur dans ce milieu complexe. Elle a permis de confirmer l’importance de la prise en compte de la présence d’autres biomolécules dans le milieu sur la rétention de la Rubisco, peut être même plus que celle des sels / Biological raw material derived from bio-refinery processes, is often considered a source of pollution but it seems also to be a promising alternative to potential material recovery. The development of suitable processes for handling such complex biological material has so many concerns. Green juice produced from mechanical dehydration of Alfalfa (Medicago sativa) is an excellent source of protein with high nutritional quality. Ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase oxygenase (Rubisco) is the most abundant protein in the green juice, with potential applications in many fields, such as human nutrition, pharmaceuticals, environmental… The aim of this study is to isolate and recover Rubisco produced from an industrial alfalfa green juice, by ion exchange chromatography process. First of all, a qualitative and quantitative analytical method was developed to provide reliable information about Rubisco content monitoring in the separation process. In a second step, the separation process was performed in fixed and expanded bed, using the anion exchanger Q Hyper Z. In both cases, the effect of the dilution of the green juice on the dynamic capacity of the columns was studied. The results showed that the dynamic capacity retention was similar in both columns to those reported in literature. After elution step, Rubisco was concentrated 21 times and produced with high level of purity. Furthermore, kinetic of ion exchange study was initiated. Despite the large size of the protein (560 kDa), steric limitations to mass transfer were not very significant when compared to those of conventional small proteins. The support Q Hyper Z showed an excellent affinity for the protein recovery. Finally, a first theoretical investigation has been conducted for understanding the retention mechanism between the protein and the separation column. This study shows the importance of taking into account the presence of other bio-molecules in order to perform the retention of Rubisco, perhaps even more than that of salts

La chromatographie membranaire est une alternative à la chromatographie classique sur résine basée sur le transport convectif des solutés à travers une membrane microporeuse plutôt que par le transport diffusif des solutés dans les particules de résines. Cette technique présente les avantages de diminuer les phénomènes de diffusion, de réduire les temps de séjour et les pertes de charge, et de permettre la purification rapide de quantités importantes de molécules. La chromatographie membranaire connaît un fort succès commercial. Une gamme importante de membranes chromatographiques mettant en jeu différents mécanismes de rétention (échange d’ions, affinité, etc.) et différentes géométries (feuille, spirale, etc.) est actuellement commercialisée. Malgré ce succès, différents aspects relatifs à la chromatographie membranaire restent mal connus. Cette thèse de doctorat se propose de répondre à certaines questions relatives à cette technique / Membrane chromatography (MC) is an alternative to traditional resin packed columns chromatography. The solute mass transport in the membrane occurs in convective through-pores rather than in stagnant fluid inside the pores of the resins particles, which is limited by the slow diffusive transport. MC offers the main advantage of reducing diffusion phenomena, shorter residence time and lowered pressures drops, and thus, facilitates rapid purification of large quantities of molecules. A wide range of chromatographic membranes involving different molecules retention mechanisms (ion exchange, affinity, etc...) is now commercialized. Despite their success, the influence of the geometry of the membrane chromatography devices remains relatively unexplored from a theoretical point of view. This doctoral thesis is aimed to clarify some ambiguous points related to this technique