Dans un contexte d’augmentation des volumes de boues résiduaires produits, comprendre et optimiser les processus de déshydratation mécanique est crucial. Leurs performances conditionnent tant le fonctionnement global de la station que son bilan environnemental et économique. En effet, la siccité des boues déshydratées impacte fortement les procédés ou filières permettant leur valorisation à l’échelle des territoires (compostage, valorisation agronomique directe, incinération, …) ainsi que leur bilan environnemental direct et indirect (tonnages à transporter, ...). De plus, les filtrats devront être traités par la station, et leur composition influence significativement le fonctionnement de la filière de traitement des eaux. Les filtres-presses font partie des procédés de déshydratation mécanique les plus utilisés dans les filières boues des stations d’épuration des eaux usées. Leurs performances sont fonction à la fois de leurs paramètres de fonctionnement et des propriétés de la boue à déshydrater. Les connaissances actuelles sont cependant insuffisantes pour permettre (1) d’expliquer pourquoi certaines boues se déshydratent mieux que d’autres et (2) de relier ces phénomènes aux processus mis en oeuvre lors de la déshydratation mécanique. Le poste de déshydratation fonctionne ainsi comme une boîte noire à partir de laquelle il est difficile de prédire les performances d’un outil de déshydratation appliqué à une boue particulière et d’anticiper des dysfonctionnements. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail de thèse était de comprendre quels sont les facteurs de contrôle des performances de la déshydratation mécanique des boues d’épuration en filtre-presse et comment ces derniers impactent le fonctionnement du procédé. Dans un premier temps, l’impact des paramètres de fonctionnement des filtres-presses sur leurs performances a été étudié en cellule de filtration tangentielle (cellule de laboratoire reproduisant les processus d’un filtre presse industriel). Ce travail a permis de hiérarchiser les paramètres opératoires selon leur impact sur les performances de déshydratation. Cette étude a permis de mettre en évidence que le paramètre le plus sensible est l’épaisseur de gâteau suivi de la pression. L’impact de ces paramètres est en partie lié à celui du gradient de pression sur les équations de la filtration même si ce dernier doit être considéré en 3D pour expliquer les résultats observés. Dans un second temps l’étude de l’impact des propriétés des boues sur les performances de déshydratation a été réalisée. Pour ce faire, ce travail s’est focalisé sur l’impact d’un des procédés qui modifie le plus les propriétés des boues : la digestion anaérobie. L’objectif de ce travail était d’identifier comment le temps de séjour hydraulique (TSH) appliqué dans le digesteur influence les propriétés physicochimiques des boues et les performances de déshydratation évaluées au travers d’essais de déshydratation en cellule de filtration tangentielle. Cette phase a permis de montrer que quand le TSH augmente de 0 à un TSHcritique, la déshydratabilité de la boue diminue. Au-delà de ce TSHcritique, cette dernière s’améliore sans pour autant atteindre celle de la boue brute. Ces phénomènes ont pu être reliés à une modification des équilibres osmotiques entre les flocs et le milieu interstitiel couplée à une modification de la matrice d’exopolymères solubles des flocs. Enfin, un modèle numérique permettant de simuler la déshydratation des boues résiduaires a été implémenté sous COMSOL multiphysics®. Au travers des processus modélisés, il prend en compte les principaux facteurs de contrôle des performances identifiés auparavant. Après ajustement des paramètres sur un unique essai de déshydratation à une pression donnée, le modèle permet de prédire la siccité du gâteau pour une pression comprise entre 3 et 15 bars. / As more and more sewage sludge are generated, understanding and optimization of mechanical dewatering processes is crucial. Their performances affect both plant management and its environmental and economic impacts. Indeed, dryness of dewatered sludge strongly impacts processes for agronomic and energetic recovery (composting, direct agricultural recycling, incineration ...) and their direct and indirect environmental impacts (volumes to transport...). In addition, the filtrates have to be treated by the wastewater treatment plant, and their composition significantly affects its operating. Filter presses are one of the most common mechanical dewatering processes operated for sludge treatment in wastewater treatment plant. Their performance depends on their operating parameters and sludge properties. However, current knowledge is insufficient (1) to explain why some sludges are easier or harder to dewater than others, and (2) to link these phenomena to processes that carry out during the mechanical dewatering. Hence, dewatering works like a black box from which it is difficult to predict the efficiency of a dewatering tool performed with a particular sludge and to anticipate operating problems. In this context, the objective of this thesis was to understand witch factors drive the efficiency of mechanical dewatering of sewage sludge in the filter press and how they impact the process. First, the impact of operating parameters of filter presses on their efficiency was investigated in cross-flow filtration cell (lab-scale cross-flow filtration cell reproducing processes that occur in an industrial filter press). This work allowed the classification of the operating parameters according to their impact on the dewatering performances. This study highlighted that the most sensitive parameter is the cake thickness followed by pressure. The impact of these parameters is partially linked with their influence on the pressure gradient even if it should be considered in 3D to explain the results. Secondly, the study of the impact of sludge properties on dewatering performances was carried out. In this thesis, this work focuses on the impact of one of the processes which modifies most significantly sludge properties: anaerobic digestion. The objective of this work was to identify how hydraulic retention time (HRT) in the digester affects physicochemical properties of sludge and dewatering performance. Results demonstrated that when the HRT increases from 0 to a critical HRT (HRTcritical), sludge dewaterability decreases. Beyond this HRTcritical, it increases without reaching cake dryness of the raw sludge. These phenomena could be linked to a change in osmotic balance between the flocs and the bulk solution, combined with a modification of the soluble exopolymer matrix of flocs. Finally, a numerical model, allowing the simulation of sludge dewatering was implemented with COMSOL multiphysics®. Equation system takes into account the main factors that affect performances previously identified. After parameter calibration on a single dewatering experiment at 8 bars, the model allows the prediction of cake dryness for any pressure between 3 and 15 bars.

Les anticorps monoclonaux sont une classe de bio médicaments en plein essor. Leur production est largement étudiée afin d’obtenir des rendements de plus en plus élevés et de réduire les coûts. Cette thèse décrit le développement d’un procédé complet en continu, de la production d’anticorps recombinants par des cellules mammifères jusqu’à leur purification. L’objectif est de coupler la culture cellulaire en mode perfusion à la purification par chromatographie semi-continue. Le développement du procédé se fait en bioréacteur avec une lignée de cellules d’ovaires de hamster chinois (CHO-DP12) transformée pour produire un anticorps anti-Interleukine 8 utilisée, comme modèle. Après adaptation, les cellules ont été cultivées en mode batch afin de connaitre le comportement de la lignée en environnement contrôlé. Ensuite, un procédé de perfusion de 2L de culture avec recyclage cellulaire a été mis en place. Le principal enjeu est de maintenir un état stationnaire avec une concentration cellulaire constante et déterminer le débit optimal d’alimentation spécifique par cellule (CSPR). Plusieurs méthodes ont été testées et comparées pour la détermination de ce CSPR optimal. Le procédé de culture en perfusion a ensuite été maintenu pendant 24 jours à des concentrations cellulaires de 10, 20 et 40 millions de cellules par mililitres. Les anticorps produit par différents modes de culture ont été caractérisés (batch, fed-batch et perfusion). Les N-glycosylations, les variants de charge ainsi que la thermo-stabilité des anticorps ont été étudiés. Les résultats montrent que les anticorps produits présentent des caractéristiques similaires quel que soit le mode de production.Pour la purification, une étude préliminaire a permis de caractériser le comportement du filtrat sur la résine chromatographique d’affinité MabSelect Sure LX en chromatographie classique. Un procédé semi-continu a été simulé grâce au logiciel BioSC® Predict puis testé et optimisé sur le chromatographe BioSC®. Il comprend la purification de l’anticorps mais aussi les étapes de nettoyages et de sanitisation. Un premier essai de couplage production/purification a pu être réalisé avec succès pendant 32h et a permis d’obtenir un niveau de pureté similaire à la chromatographie classique. La productivité a été augmentée de 23% (en grammes d’anticorps purifié par litre de résine et par jour) et le volume de tampon utilisé a été réduit de 25%. De plus, le couplage production/purification a permis de s’affranchir du stockage de volumes importants de filtrat (7,2L de filtrat par jour de production en perfusion). Enfin, une étude de coût de production, à l’échelle « laboratoire », a été réalisée afin de déterminer, en fonction de la productivité du clone et de la quantité d’anticorps à produire, la différence de rentabilité entre une production en batch ou en perfusion à différents CSPR. / Monoclonal antibodies are a biopharmaceuticals class of growing interest. Their production is widely studied to obtain higher yields and to reduce costs. This thesis describes the development of a complete continuous process, from the production of recombinant antibodies by mammalian cells until their purification. The objective is to connect cell culture in perfusion mode to a semi-continuous chromatographic purification. The development of the process was done in a bioreactor with a Chinese hamster ovary cell line (CHO-DP12) transformed to produce an anti-interleukin-8 antibody used as a cell model. After adaptation, the cells were cultured in batch mode in order to study the behavior of the cell line in controlled environment. Then, a 2L culture perfusion process with cell recycling was set up. The main challenge is to maintain a steady state with constant cell concentration and to determine the optimal cell-specific perfusion rate (CSPR). Several methods were tested and compared for the determination of this optimal CSPR. The perfusion process was maintained for 24 days at cell concentrations of 10, 20 and 40 million cells per mililiters. The antibody produced by different culture methods was compared (batch, fed-batch and perfusion). The N-glycosylations, the charge variants as well as the thermo-stability of the antibody were studied. The results show that the produced antibody have similar characteristics whatever the chosen production mode. For purification process, we performed a preliminary study to characterize the behavior of the supernatant on the chromatographic affinity resin MabSelect Sure LX. A semi-continuous process was simulated through BioSC® Predict software and then tested and optimized on the BioSC® chromatograph. It includes antibody purification but also cleaning and sanitizing steps. A first production/purification coupling test was successfully carried out for 32 h. It provides antibodies at a purity level similar to that of the conventional chromatography. Productivity was increased by 23% (in grams of purified antibody per liter of resin per day) and the volume of buffer used was reduced by 25%. In addition, production/purification coupling prevented storage of large volumes of supernatant (7,2L of supernatant per production day in perfusion mode). Finally, a cost-of-production study, at research scale, was carried out to determine, depending on the productivity of the clone and the antibodies amount, the difference of costs between batch or perfusion production according to different CSPRs.

Le fruit de gac (Momordica cochinchinensis Spreng.) est un fruit traditionnel au Vietnam, lequel est extrêmement bénéfique pour la santé. L’arille de gac est une excellente source de caroténoïdes naturels, particulièrement le lycopène et le β-carotène. Ces composés antioxydants sont capables de neutraliser les radicaux libres et offrent des applications multiples, allant des effets généraux sur la santé à la prévention de certaines maladies chroniques. Ce travail a contribué au développement d’un procédé visant à la valorisation d’extraits du fruit de gac au Vietnam. Ce travail contient quatre parties principales: effet du semi-séchage sur les propriétés d’antioxydantes du fruit de gac; extraction de l’huile du fruit de gac assistée par enzymes; concentration des caroténoïdes de l’huile de gac par la filtration tangentielle; purification et cristallisation des caroténoïdes.<p>Dans la première partie, une étude du semi-séchage de l´arille de gac à différentes températures (40°C, 50°C, 60°C, 70°C et 80°C) et à trois modes de séchage (séchage à l’air, séchage sous vide et lyophilisation) a été effectuée pour déterminer l’effet de la mode, de la température et de l’humidité finale de séchage sur la couleur, la teneur en caroténoïdes totaux (TCC) et l’activité d’antioxydante totale (TAA) de l’arille de gac. Les résultats montrent que la lyophilisation permet une meilleure conservation permettant une valorisation ultérieure de la couleur, la TCC et la TAA de l’arille de gac. Le séchage sous vide donne les meilleurs résultats que le séchage à l’air. Une température entre 50°C et 60°C est optimale pour conserver la couleur, la TCC et la TAA de l’arille. Ces propriétés sont mieux conservées à l’issue d’un séchage permettant une humidité finale du produit de 15 à 18% (base sèche (db)) (semi-séchage) par rapport à 6% db. Le produit semi-séché peut être conservé pendant quelques mois. <p>Dans la deuxième partie, une étude d’optimisation d’extraction de l’huile de l’arille de gac assisté par des enzymes a été menée en utilisant la méthodologie de la surface de réponse. Un plan expérimental du type «design composite central» avec quatre variables indépendantes - la concentration en enzymes, le temps, la température et la vitesse d'agitation - a été réalisé. Les résultats montrent que ces quatre variables ont un effet significatif sur le rendement d’extraction de l’huile. Il n'y a pas d'interaction significative entre ces variables. Dans les conditions optimales obtenues (14,6% d’enzyme, 127 minutes, 58°C et 162 rpm), le rendement maximal de l’huile et la TCC obtenus sont de 79,5% et 5,3 mg/g de matière sèche, respectivement. Il existe une forte corrélation entre le rendement de l’huile obtenue et la TCC. Les propriétés physico-chimiques de l'huile extraite ont été déterminées. Enfin, les résultats du test Schaal montrent que le temps de conservation de l'huile extraite est comparable à d’autres huiles alimentaires, présentant le même type de profil en acides gras.<p>Dans la troisième partie, les caroténoïdes de l'huile ont étés concentrés à l'aide d'une filtration tangentielle, en utilisant une membrane céramique, selon deux modes de fonctionnement (recyclage total et batch). Dans les expériences en mode recyclage total, l'effet de la taille des pores de la membrane, la température et la pression transmembranaire sur le flux de perméat et le coefficient de rétention a été exploité. Les résultats montrent que ces facteurs ont un effet sur flux de perméat et le coefficient de rétention de la TCC, des phospholipides et des acides gras libres. La résistance intrinsèque de la membrane, la résistance de polarisation et la résistance liée au colmatage ont été estimées. Les conditions optimales déterminées sont 5 nm, 2 bars et 40°C, pour la taille des pores, la pression transmembranaire et la température, respectivement. En mode batch, le rétentat a été caractérisé en mesurant l'acidité, les phospholipides, la TCC, la TAA, des solides solubles totaux, la teneur en matières solides, la couleur et la viscosité de la solution. La TCC dans le rétentat est de 65,28 mg/ml (8,65 fois supérieure à celle dans l'huile d'alimentation). Les analyses de la TAA montrent que la contribution antioxydante principale de l'huile gac est lipophile. Après la filtration, la TAA lipophile du rétentat est 6,8 fois supérieur à celle de l’huile d’alimentation. L’analyse de la résistance indique que la résistance intrinsèque de la membrane représente 24% de la résistance totale. La majeure partie de la résistance est la résistance de polarisation (55%) tandis que la résistance de colmatage contribue pour 30%. <p>Dans la quatrième partie, les caroténoïdes provenant de l’huile du fruit de gac ont étés purifiés et cristallisés par une saponification combinée à l'utilisation de propylène glycol (un solvant moins toxique que les solvants organiques généralement utilisés). Ce processus est compatible à une consommation humaine, aux applications cosmétiques et plus respectueux de l'environnement que les procédés existants. Les résultats indiquent que l'utilisation de Tween 80 (0,05 ml/g d’huile) comme émulsifiant peut aider à augmenter la récupération des cristaux de caroténoïdes. La combinaison de 0,4 ml/g d'hydroxyde de potassium et 0,8 ml/g de propylène glycol donne un meilleur rendement de caroténoïdes. Une étude d’optimisation du processus de purification a été réalisée en utilisant la méthodologie de surface de réponse. Un plan expérimental du type «design composite central» avec trois variables indépendantes- la vitesse d'agitation, la température et le temps de réaction - a été effectué. Les résultats montrent que ces trois variables ont un effet significatif sur la récupération des caroténoïdes par cristallisation. Les interactions entre la vitesse d'agitation et la température ainsi qu’entre la température et le temps de réaction sont significatives. Dans les conditions optimales (1094 rpm; 46°C et 228 min), le rendement de caroténoïdes estimé est de 93,5%. Les cristaux de caroténoïdes contiennent 57,34% de lycopène et 36,67% de β-carotène. Ces résultats montrent que environ 85% et 78% du lycopène et du β-carotène, respectivement, ont étés récupérés.<p>Dans l’ensemble, cette thèse a contribué à la valorisation du fruit de gac au Vietnam, par une procédure de fabrication qui est économique et utilisant moins de produits chimiques. La recherche a permis de trouver les conditions optimales pour chaque étape de fabrication. Un nouvel axe de recherche pour valoriser le fruit de gac a été ouvert; il porte sur l’étude de l’application tant de l’huile de gac concentrée et riche en caroténoïdes naturels que des cristaux de caroténoïdes dans l’industrie alimentaire, pharmaceutique ou cosmétique.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

L'accumulation du soluté à la surface d'une membrane entraîne le phénomène de polarisation de concentration. Ceci est un problème qui affecte tous les systèmes de filtration membranaire car il a pour effet une augmentation de la pression osmotique et par conséquence une réduction substantielle du flux de perméat. Afin de comprendre ce phénomène, nous avons d'abord mené une étude analytique de la filtration tangentielle en solvant pur prenant en compte de l'influence de la pression motrice locale sur le taux de perméation. Lors de cette étude, des solutions analytiques qui augmentent en précision avec l'ordre développé ont ete dérivées. Ensuite nous avons développé une approche analytique qui couple l'hydrodynamique aux transferts de matière pour le cas d'un système de filtration qui opère sous haute pression avec un taux de récupération faible. Dans le but d'intégrer à la fois la dépendance de la pression transmembranaire locale sur le flux de perméat et l'influence de la polarisation de concentration à travers leurs effets osmotiques sur la pression effective, nous avons développé un modèle numérique qui résout l'équation de conservation du soluté couplée aux équations de Navier-Stokes en régime stationnaire dans l'approximation de Prandtl. Nous avons validé cette approche grâce aux solutions analytiques précédemment dérivées. Ensuite, nous avons testé l'influence des principaux paramètres de fonctionnement sur la performance du système et comparé nos résultats avec ceux d'autres modèles numériques. Finalement, la pertinence du modèle a été quantitativement vérifiée grâce à des données tirées des expériences bien documentées en osmose inverse. / Concentration polarization of solute at the membrane surface, because of osmotic pressure effects, is an important phenomenon that can cause substantial reductions in permeation. To understand these phenomena: we first analyze the filtration process for a pure solvent, imposing the influence of the driving pressure on permeation at the membrane. We obtain accurate analytical solutions for the flow fields. We then derive an analytical solution that coupled hydrodynamics to mass transfer for filtration systems working in a situation of High Pressure and Low Recovery. Second, we develop a numerical model that incorporates both physical aspects: the dependency of pressure on permeation and the influence of concentration polarization and their related osmotic effects in the effective pressure at the membrane. For that, the numerical approach solves the solute conservation equation coupled with the Navier-Stokes equations under the steady Prandtl approximation. The solution of the system is performed using a finite difference method of order 2. The validity of this approach is successfully demonstrated with the previous analytical solutions for hydrodynamics, as well as for the coupling with mass transfer. We then test the influence of the main operating parameters (inlet concentration, axial flow rate, operating pressure and membrane permeability) on the performance of the filtration system and compare the results with other numerical models that takes into account concentration polarization phenomenon. Finally, the validity of this model is quantitatively well-proved when using the reported data resulting from reverse osmosis experiments.