Cette thèse présente les résultats de travaux visant à étudier les interactions entre les conditions hydrodynamiques et le comportement bactérien en bioréacteur. En s'intéressant plus particulièrement aux phénomènes agissant aux petites échelles, nous avons cherché à identifier, caractériser et quantifier les couplages hydro-bio à l'échelle de la cellule. Ici, la souche Lactococcus lactis a été choisie comme modèle microbiologique, alors qu’un réacteur de type Couette a été préféré afin d’engendrer des contraintes hydrodynamiques connues et définies. Il a été démontré que dans des conditions spécifiques d’écoulement (Modulated Wavy Vortex Flow), les bactéries lactiques s’agrègent au sein d’une matrice riche en polysaccharides. Le lien entre ce phénotype atypique et les contraintes locales liées à l’écoulement a été étudié { l’aide de simulation numérique directe de l’écoulement combiné { un suivi de particule. Cette approche permet d’établir les profils temporels des contraintes subies et de comparer la nature des forces disruptives subies au mécanisme d’agrégation séparation des cellules bactériennes au sein de leur matrice. Ce travail de recherche donne ainsi d’autres exemples d’interactions cellule – environement en bioréacteurs, mettant en exergue des effets mécaniques / The aim of this work is to reach a better understanding of environmental effects on bacterial behaviour in bioreactors. Particular attention has been paid to hydrodynamically-induced stresses at the cell scale, with a view to characterizing and quantifying these local interactions. As a “model experiment”, Lactococcus lactis NCDO2118 has been cultivated in a CouetteBioreactor, a device generating a known and defined flow field. Under specific flow regime (Modulated Wavy Vortex Flow), the cells end up being entrapped in a polysaccharidic matrix. The phenotype of the cells has been demonstrated to be strongly affected by the flow conditions. The stress signal encountered by the cells has been characterized, through umerical simulation (Direct Numerical Simulation) and lagrangian particle tracking, and linked to the phenotypic expression. These studies provide further examples of bacterial response to local hydrodynamic conditions

La thèse est consacrée à l’étude de l’influence de l’aération sur le colmatage demembranes fibres creuses, en application aux bioréacteurs à membranes (BAMs)traitant les eaux usées. Un pilote expérimental permet des expériences de filtrationpar plusieurs faisceaux de fibres creuses immergées, en filtration externe-interne, lacompacité des fibres est proche de la configuration de modules membranairesindustriels. Les fibres ont une surface totale de 1,2 m. Les filtrations sont menéessur une suspension synthétique complexe dont les caractéristiques rhéologiquessont comparables à celles des boues activées de BAM. Les différents paramètresde l’aération testés sont le débit d’air, le lieu d’injection des bulles, et le type debulles injectées (grosses ou fines), pour un flux de filtration constant égalementparamètre d’étude. Pour des conditions d’aération montrant des performances defiltration contrastées, il est effectué la caractérisation locale de la phase gaz parbisonde optique, à l’intérieur des faisceaux de fibres. La rétention gazeuse et lesprofils de vitesse (tant la vitesse moyenne des bulles, que les fluctuations de vitesse)sont mesurés et analysés en fonction des paramètres d’aération. La synthèse des résultats met en évidence deux mécanismes hydrodynamiqueslocaux liés à l’aération, et permettant d’expliquer les performances de filtrationconsidérées. Les perspectives de l’étude proposent des emplacements pour lesaérateurs ce qui pourrait mener à une meilleure utilisation de l’air pour la réductiondu colmatage dans les bioréacteurs à membranes. / This thesis is dedicated to better understand the role of aeration to limit fouling onsubmerged hollow fibers membrane fouling, for wastewater treatment industry. Thisstudy uses an innovative experimental setup to perform outside-in filtrationexperiments thanks to several submerged loose hollow fibers organized in confinedbundles. The total membrane area is about 1.2 m2; the configuration of the bundlesis close to the one found in Membrane Bioreactors (MBRs). A complex synthetic fluidwith rheological characteristics close to MBRs sludge is used. Different aerationconditions such as the air flowrate, the location of the air injection, the type ofbubbles injected (whether they are coarse or fine bubbles injected in the reactor)were tested and membrane performances were analysed under a low or a ratherhigh flux of filtration. In specific aeration conditions showing a different behaviour interm of fouling, local characterization of the dispersed phase in an air and watersystem was undertaken by optical probes. Gas hold up and both mean and rootmean square bubble velocity profiles were determined and analysed regarding thelocation of air injection, the air flowrate and the type of bubbles. This study helps understanding the link between local hydrodynamics and foulingmechanisms and could lead to input for aeration device design and location in orderto decrease operating costs due to aeration in Membrane Bioreactors technology.