Ce travail de thèse a pour objectif le développement et l'optimisation d'une nouvelle configuration de bioréacteur à membranes (BRM) pour l'hydroxylation efficace et sûre du méthane par la bactérie Methylosinus trichosporium OB3b. Ce BRM couple un bioréacteur à deux contacteurs membranaires gaz/liquide macroporeux qui alimentent en continu chaque substrat gazeux (méthane et air) sans générer de bulle dans la suspension bactérienne, évitant ainsi la formation d'un mélange gazeux méthane/air explosif. Dans un premier temps, la faisabilité et la reproductibilité de ce nouveau bioprocédé de conversion du méthane en méthanol ont été démontrées. D'une part, la productivité moyenne obtenue dans ce BRM (75 ± 25 mg méthanol.(g cellules sèches)-1.h-1) est près de deux fois meilleure que celle obtenue dans un réacteur fermé conduit dans les mêmes conditions que le BRM, traduisant un transfert de masse gaz-liquide accru dans le BRM. D'autre part, la productivité obtenue dans ce nouveau BRM est similaire aux meilleures productivités reportées dans la littérature pour des réacteurs alimentés avec un distributeur de gaz à bulles et près de 35 fois meilleure que celle reportée pour le seul autre BRM (à membranes denses) présent dans la littérature. Dans un second temps, le suivi cinétique de l'activité intrinsèque hydroxylante du biocatalyseur a permis de vérifier que l'arrêt de production du méthanol qui est observé après 14 h de réaction correspond à une perte quasi-totale de l'activité du biocatalyseur. Plusieurs essais ont été réalisés pour appréhender les facteurs pouvant avoir une influence sur l'activité hydroxylante de la bactérie, en vue de trouver le moyen d'augmenter le temps de production. Ces essais ont mis en évidence que l'arrêt de production est dû à la fin de vie du biocatalyseur. En parallèle à ces études, dans l'objectif de régénérer le cofacteur NAD nécessaire à la réaction d'hydroxylation de manière économique et in situ, des essais ont été conduits avec un système bio-électrochimique innovant (biocathode) visant à remplacer les électrons d'un donneur d'électrons (formiate) par ceux d'un métal faiblement polarisé. Ces essais ont montré l'incapacité de ces bactéries à utiliser les électrons d'une électrode dans les conditions de la réaction. / This work aimed to develop and optimize a new configuration of membrane bioreactor (MBR) for an efficient and safe methane hydroxylation by the Methylosinus trichosporium OB3b bacterium. This BRM couples a bioreactor with two gas/liquid macroporous membrane contactors supplying continuously each gaseous substrate (methane and air) without generating any bubble in the bacterial suspension, avoiding thus the formation of an explosive methane/air gas mixture. In the first step, the feasibility and the reproducibility of this new bioprocess for the conversion of methane into methanol was demonstrated. In the one hand, the average productivity achieved in the MBR (75 ± 25 mg methanol.(g dry cell)-1.h-1) is twice higher than that obtained in a batch reactor operated with the same conditions, highlighting an increased mass transfer in the MBR. In the other hand, productivity obtained in this MBR is similar to the best productivities reported in the literature for reactors (either fed-batch or continuous) using gas bubble spargers and about 35-times better than the one reported for the only other MBR (with dense membranes) present in the literature. Secondly, a kinetic monitoring of the intrinsic hydroxylating activity of the biocatalyst confirmed that the methanol production stop observed after 14 hours of reaction matched a quasi-total loss of the biocatalyst activity. Several trials were conducted to understand the factors which may influence the bacterial hydroxylating activity, in order to find a way to increase the production time. These trials put in evidence that the production stop is caused by the end of life of the biocatalyst. In parallel to these studies, aiming to regenerate the NAD cofactor required for the reaction by a cheap and in situ way, several tests were conducted with an innovative bio-electrochemical device (biocathode) to replace the electrons from an electron donor (formate) by those from a weakly polarized metal. These trials showed the inability of this bacterium strain to use electrons from an electrode in the conditions of the reaction.

Avloppsreningsverk är en viktig del av vattnets kretslopp och skyddar mottagande miljö från föroreningar i avloppsvattnet. Det finns olika tekniker att rena avloppsvattnet på och denna studie jämför den potentiella miljöpåverkan från MBR och aktivslammetoden ur ett livscykelperspektiv. Utformningen av reningsverken baserar sig på ett inledande designförslag i ett tidigt skede för en framtida utbyggnad av ett avloppsreningsverk på Öland. Reningsverken är designade för biologisk kväve- och fosforrening i kombination med kemisk fosforfällning. Livscykelfaserna som inkluderas är driften samt material för konstruktion och utrustningar. Inventeringsdata har baserats på information från designförslaget, beräkningar, leverantörsinformation, miljövarudeklarationer, erfarenhetsuppskattningar samt litteraturvärden. Resultatet visade att emissioner av lustgas och metan från reningsverkens driftsfas potentiellt är avgörande för jämförelsen av miljöpåverkan. I studien har emissionsfaktorer från IPCC (2019) använts för emissionerna av metan och lustgas. Påverkan från emissioner av dessa växthusgaser utgjorde cirka 80% av påverkan på global uppvärmning samt cirka 99% av påverkan på ozonförlust. Ett viktat värde togs fram för den potentiella miljöpåverkan som visade att emissioner av metan och lustgas från driftsfasen utgör över 50% av påverkan på det viktade singelresultatet, där huvuddelen av påverkan kom från lustgasen. Även små skillnader av dessa utsläpp kan därför påverka jämförelsen. När emissionerna av metan och lustgas antas vara samma för bägge systemen visar resultatet att MBR har högre potentiell påverkan i 15 av 18 miljökategorier till följd av en högre elanvändning vid driften samt användning av kemikalier för membranrengöring. Skillnaden var dock låg för många miljökategorier och det viktade slutpunktsresultatet visade att singelpoängen var relativt lika för bägge systemen. Resultatet var därför känsligt för antaganden och modelleringsval och modellering med membranrengöringskemikalien citronsyra tillverkat i Europa i stället för ett globalt medelvärde för tillverkningsorter, resulterade i att MBR fick lägre potentiell miljöpåverkan i ytterligare 5 kategorier, bland annat global uppvärmning. En användning av kompaktare membran eller inköp av citronsyra från Europa ledde även till att MBR i stället fick ett lägre viktat singelpoäng än aktivslammetoden och därmed en lägre potentiell miljöpåverkan. Bidrager från konstruktionsfasen var relativt hög i de flesta miljökategorier och bidrog med mellan 10–15 % i det viktade singelresultatet. Påverkan från grundläggning och eventuella utomhusbyggnader var inte med i analysen vilket gör att inkludering av dessa kan öka bidraget från konstruktionen ytterligare. Vidare så var inte eventuella reningsskillnader av substanser så som kväve, organiska ämnen, metaller och mikroföroreningar med i analysen. Eventuella reningsskillnader kan leda till ändrade resultat i den jämförande miljöbedömningen. En mer tillförlitlig jämförelse för miljöpåverkan mellan avloppsreningsverk kräver därför närmare information gällande skillnader i reningsgrad av avloppsvattnet samt skillnader för emissioner av lustgas och metan från reningsverken för att i högre grad kunna fånga avvägningar mellan skapad kontra undviken miljöpåverkan och hur det påverkar jämförelsen mellan de studerade systemen. / Wastewater treatment plants are an essential part of the water cycle and protect the receiving environment from pollution in wastewater. There are different techniques to purify wastewater, and this study compares the potential environmental impact of the MBR and the activated sludge method from a life cycle perspective. The study bases the treatment plants' designs on an initial design proposal at an early stage for a future expansion of a sewage treatment plant on Öland. The treatment plants include biological nitrogen and phosphorus purification and chemical phosphorus precipitation. The study includes the operational phase and materials for construction and equipment. Inventory data comes from information from the design proposal, calculations, supplier information, environmental product declarations, experience estimates, and literature values. The result showed that emissions of nitrous oxide and methane from the operational phase of the treatment plants are potentially decisive for comparing environmental impact. This study uses emission factors from the IPCC (2019) for methane and nitrous oxide emissions. The impact from these greenhouse gas emissions accounted for approximately 80% of the impact of global warming and about 99% of the impact on stratospheric ozone depletion. A weighted value was produced for the potential environmental impact, which showed that methane and nitrous oxide emissions from the operational phase constitute over 50% of the impact on the weighted single score result, with the majority of the impact coming from the nitrous oxide. Even minor differences in these emissions can therefore affect the comparison. When methane and nitrous oxide emissions are assumed to be the same for both systems, the result shows that the MBR has a higher potential impact in 15 out of 18 environmental categories due to higher electricity consumption during operation and the use of chemicals for membrane cleaning. However, the difference was low for many environmental categories, and the weighted endpoint result showed that the single score values were relatively similar for both systems. The result was, therefore, sensitive to assumptions and modeling choices, and modeling with the membrane cleaning chemical citric acid manufactured in Europe instead of a global average for manufacturing locations resulted in MBR having a lower potential environmental impact in five additional categories, including global warming. Using more compact membranes or purchasing citric acid from Europe also led to MBR receiving a lower weighted single score than the activated sludge method and, thus, a lower potential environmental impact. Contributors from the construction phase were relatively high in most environmental categories, contributing 10–15% of the weighted single score result. The impact of foundation laying and any outdoor buildings was not included in the analysis, which means that including these can increase the contribution from the construction phase even further. Furthermore, the study did not include possible purification differences of substances such as nitrogen, organic substances, metals, and micropollutants. Differences in the degree of purification can lead to changed results in the comparative environmental assessment. A more reliable comparison of the environmental impact between wastewater treatment plants, therefore, requires more detailed information regarding differences in the degree of purification of the wastewater and differences in emissions of nitrous oxide and methane from the operation of the plants to be able to better capture trade-offs between created versus avoided environmental impact and how it affects the comparison between the studied systems.

Membrane bioreactors (MBRs) have proven to be an extremely effective wastewater treatment process combining ultrafiltration with biological processes to produce high-quality effluent. However, one of the major drawbacks to this technology is membrane fouling – an inevitable process that reduces permeate production and increases operating costs. The prediction of membrane fouling in MBRs is important because it can provide decision support to wastewater treatment plant (WWTP) operators. Currently, mechanistic models are often used to estimate transmembrane pressure (TMP), which is an indicator of membrane fouling, but their performance is not always satisfactory. In this research, existing mechanistic and data-driven models used for membrane fouling are investigated. Data-driven machine learning techniques consisting of random forest (RF), artificial neural network (ANN), and long-short term memory network (LSTM) are used to build models to predict transmembrane pressure (TMP) at various stages of the MBR production cycle. The models are built with 4 years of high-resolution data from a confidential full-scale municipal WWTP. The model performances are examined using statistical measures such as coefficient of determination (R2), root mean squared error, mean absolute percentage error, and mean squared error. The results show that all models provide reliable predictions while the RF models have the best predictive accuracy when compared to the ANN and LSTM models. The corresponding R2 values for RF when predicting before, during, and after back pulse TMP are 0.996, 0.927, and 0.996, respectively. Model uncertainty (including hyperparameter and algorithm uncertainty) is quantified to determine the impact of hyperparameter tuning and the variance of extreme predictions caused by algorithm choice. The ANN models are most impacted by hyperparameter tuning and have the highest variability when predicting extreme values within each model’s respective hyperparameter range. The proposed models can be useful tools in providing decision support to WWTP operators employing fouling mitigation strategies, which can potentially lead to better operation of WWTPs and reduced costs. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

This present thesis comprise two major parts both experimental and numerical study which have been conducted in four distinct steps as following: (1) Design, construction, and evaluation of control and hydrodynamic of a bioreactor system. (2) Visualization of fluid flow perfusion in the hollow fibre membrane bioreactor (HFMB) using a biomedical noninvasive imaging technique, i.e. positron emission tomography (PET). (3) Development of a mathematical model for analyzing a hybrid hollow fibre membrane bioreactor (hHFMB) and (4) Development of a dynamic and two-porous media model for analyzing the HFMB with the aid of computational fluid dynamics (CFD), specifically for bone tissue engineering application. The experimental part includes the steps 1 and 2. In the step 1, the flow perfusion bioreactor system has been designed and constructed. The experimental evaluations of hydrodynamic, and control were performed. In this system, mean pressure, mean flow rate, frequency and waveform of the pulsatile pressure and flow rate can be modulated and controlled over the time to simulate both physiological and non-physiological conditions. The temperature, dissolved oxygen, and pH can be controlled.This bioreactor system can be applied to a variety of scaffold configurations, geometries, and sizes as the cell/tissue culture chamber is adjustable in length.This system is autoclavable, and compatible with noninvasive medical imaging techniques. Designing of the inlet and outlet manifold of the bioreactor were performed according to data obtained from CFD simulation of the flow distribution to achieve high efficiencies in the uniformity of flow perfusion. In the second step, PET was proposed for the very first time and a small animal PET system was used to obtain new information about steady and pulsatile flow patterns in the HFMB for tissue engineering applications. The non-homogeneous tracer distribution, as found with PET imaging, implies the occurrence of non-efficient regions with respect to mass transfer. In steady inlet flow condition, a non-uniform distribution of radioactive tracer was obtained. In contrast, the pulsatile inlet flow generated more uniform perfusion than that of steady flow. Further, it was found that in the case of pulsatile flow, the accumulation of the tracer within the bioreactor was efficiently less than that of steady inlet flow at the same condition. Therefore, in one hand these findings have the potential to improve bioreactor design and in the other hand can explore a very important rout to employ PET in developing bioreactors for tissue engineering applications. The numerical part includes the step 3 and 4 in which the numerical study has been performed for 3-D bone tissue growth in HFMB as a case study for large-scale tissue culture. In the step 3, the feasibility of utilizing newly proposed hHFMB for the growth of mesenchymal stem cells (MSCs) to form bone tissue was investigated using numerical simulations. To this aim, a mathematical model using a CFD code was developed to optimize the design and operation parameters of hHFMB for the growth of MSCs. The volume averaging method was used to formulate mass balance for the nutrients and the cells in the porous extracapillary space (ECS) of the hHFMB. The cell-scaffold construct in the ECS of the hollow fibres and membrane wall were treated as porous medium. Cell volume fraction dependent porosity, permeability, and diffusivity of mass were used in the model. The simulations allowed the simultaneous prediction of nutrient distribution and nutrient-dependent cell volume fraction. In addition, this model was used to study the effects of the operating and design parameters on the nutrient distribution and cell growth within the bioreactor. The modeling results demonstrated that the fluid dynamics within the ECS and transport properties and uptake rates in hHFMB were sufficient to support MSCs required for clinical-scale bone tissue growth in vitro and enabled to solve nutrition difficulties because of high cell density and scaffold size. In the step 4, the new dynamic and two-porous media model has been used for analyzing the nutrient-dependent MSCs growth in order to form the bone tissue in the HFMB. In the present model, hollow fibre scaffold within the bioreactor was treated as a porous domain. The domain consists of the porous lumen region available for fluid flow and the porous ECS region, filled with collagen gel containing cells, for growing tissue mass. Furthermore, the contributions of several design and process parameters, which enhance the performance of the bioreactor, were studied. In addition, the dynamic evaluation of cell growth, oxygen and glucose distributions were quantitatively analyzed. The obtained information can be used for better designing of the bioreactor, determining of suitable operational conditions and scale up of the bioreactor for engineering of clinical-scale bone tissue.--Résumé abrégé par UMI.

L'idée de base est de permettre à deux microorganismes de partager le même environnement tout en les maintenant séparées à l'aide d'une membrane perméable les retenant sélectivement. La principale contrainte résulte du transfert des composées d'intérêts limité par l'écoulement dans et autour des fibres ainsi que dans module et par le colmatage. Le double bioréacteur a membrane étudié dans cette thèse, de par son fonctionnement, alterne les cycles de filtration et rétrofiltration (ou rétrolavage), limitant ainsi en partie le colmatage. Ce travail de thèse s'est donc attaché à approfondir la connaissance des mécanismes de limitation au transfert mis en jeu lors de la filtration de fluide biologique complexes et évolutifs en fonction des conditions opératoires et des caractéristiques géométriques du module de filtration à fibres creuses. Dans cet objectif, sur la base des choix de configuration de module membranaire proposés dans cette étude, et afin de tendre vers une optimisation rationnelle de l'utilisation de ce dispositif, l'étude s'appuya sur l'utilisation d'outils de mécanique des fluides numériques, complétée par une approche expérimentale menée dans des conditions modèles. Les simulations réalisées par cette approche ont ainsi mis en évidence de grandes variations des vitesses de filtration le long de la fibre et ceci en lien direct avec une augmentation de la perte de charge à l'extérieur des fibres due au confinement induisant une baisse des performances de filtration. De manière similaire, un modèle numérique de formation de dépôt nous a permis d'évaluer l'effet du confinement de fibres. Il entraine une augmentation de pression dans la partie fluide externe induisant une forte variation de pertes de charges entrainant une répartition du dépôt le long de la fibre beaucoup plus inhomogène. Le retour du numérique à l'expérimental réalisé s'est attaché à décrire l'influence des conditions de mise oeuvre sur les performances de filtration du pilote. L'analyse méthodique de l'influence du sens de filtration et de la compacité dans le cas de fluides modèles (suspension de différents microorganismes / solutions de protéines modèles) et dans le cas de fluides biologiques évolutifs (milieux de fermentation + micro organismes) fut réalisée. L'ensemble de ces résultats nous permettent de donner des recommandations aux futurs utilisateurs du double bioréacteur à membranes. / This work presents a specific bioreactor previously designed to study microbial interactions. In this process, the microbial species in two tanks are physically separated by a microfiltration membrane. In order to give to the microorganisms a molecular environment in each compartment similar to the one that would be obtained if the microbial cells were cultivated in the same reactor, two criteria have to be considered: (i) the flow rates between compartments have to be sufficient with respect to the microbial kinetics and (ii) all the molecular compounds of the medium that have an effect on the microorganism behaviour must pass through the membrane. The main constrain is due to transfer of component limited by the fluid flow in and around the fiber of the filtration module. This thesis has therefore committed to deepening the understanding of the mechanisms limiting the transfer involved during the filtration of biological fluid complex according to operating conditions and geometric characteristics of the hollow fiber module of filtration. For this purpose, based on the choice of membrane module configuration proposed in this study, and to strive for a rational optimization of the use of this device, the study relied on the use of CFD tools, supplemented by an experimental approach conducted under models conditions. The numerical simulations of fluid flow have shown a modification of the axial filtration velocity profile with packing density. Similarly, a numerical model of cake deposit was developed and show difference of cake growth along the fiber with packing density. Two experimental hollow fiber modules with two packing densities were tested with clean water and biological fluid, and showed good agreement with the numerical data. These results underline the variations of filtration velocity along the fiber that will allow some predictions on fouling deposit to be done.

Les bioréacteurs à membranes (BAM) sont de plus en plus utilisés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limité ou qu’un traitement épuratoire poussé est requis. Néanmoins, la gestion de ces installations et plus particulièrement du colmatage des membranes reste difficile et constitue toujours une source de problèmes pour les exploitants. La modélisation est un outil efficace et déjà éprouvé sur les procédés conventionnels à boues activées pour l’aide à la conduite et à la compréhension de procédé avec les modèles de boues activées de type ASM. Le traitement biologique donc, et aussi les capacités de filtration des membranes (colmatage) sont deux aspects qui peuvent être modélisés sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations réelles ont été étudiées et l’une d’entre elles a été choisie pour le calage du modèle ASM1. La méthodologie a été adaptée aux spécificités des bioréacteurs à membranes et de l’installation modélisée en particulier (fractionnement des eaux usées, calage de l’aération) et un nouveau jeu de paramètres de l’ASM1 a pu être constitué. L’influence des propriétés des boues activées et des conditions d’opération sur les capacités de filtration des membranes reste encore l’objet de nombreuses recherches, généralement sur installations pilotes, et la modélisation dans ce domaine n’en est qu’à ses débuts. L’objectif de ce travail concernant la filtration membranaire a été de caractériser le système « membrane/boues » à travers l’étude des interactions entre les propriétés des boues, les conditions d’opération et les paramètres de la filtration (perméabilité membranaire et vitesse de colmatage) à comparer avec les résultats de la littérature scientifique. Les deux BAM étudiés ont montré des comportements et relations entre paramètres assez différents confirmant la complexité des interactions entre membrane, boues et conditions opératoires. / Membrane bioreactors (MBRs) are becoming increasingly popular for the treatment of municipal wastewater especially when land is limited or when the treatment requirements are high. Nevertheless, the operation of these plants and in particular the fouling of the membrane are still difficult to manage for the operators. Modelling is an efficient tool, which has already been successfully used on conventional activated sludge processes, for the operation and the understanding of the process using Activated Sludge Models (ASM). Biological treatment and membranes filtration capacity (fouling) are two aspects that can be modeled on MBRs. In this work, three full-scale plants were investigated and one of them was chosen for the ASM1 calibration. The usual methodology was adapted to the MBR specificities and to the modeled wastewater treatment plant in particular (wastewater fractionation, oxygen calibration) and a new set of ASM1 parameters was estimated. The influence of the sludge properties and the operating conditions on the membrane filtration capacity is still the subject of numerous studies, generally on pilot-scale MBRs, and modelling is in its early stages. The objective of this work regarding membrane filtration was to characterize the “membrane/sludge” system by studying the interactions between the sludge properties, the operating conditions and the filtration parameters (membrane permeability and fouling rate) and to compare them with the results from the literature. The two studied MBRs showed quite different behaviors and correlations between parameters, validating the statement that the interactions between membranes, sludge and operating conditions are very complex.

Cette thèse porte sur la modélisation des réacteurs membranaires anaérobies. Dans une première partie, nous proposons une analyse mathématique générique d'un modèle de digestion anaérobie en deux étapes appelé AM2. La principale limitation du développement des réacteurs membranaires étant le risque de colmatage, nous proposons, dans une seconde partie, d'étendre le modèle AM2 en incorporant une nouvelle variable d'état modélisant la dynamique des Produits Microbiens Solubles (SMP) dont le rôle dans le colmatage des membranes a été démontré. Une étude mathématique exhaustive de ce nouveau modèle appelé AM2b est réalisée pour comprendre et comparer les comportements qualitatifs des deux modèles. Dépendant des conditions de fonctionnement et des valeurs des paramètres biologiques utilisées, nous montrons que ce nouveau modèle peut se comporter comme le modèle initial AM2, ou, au contraire, présenter un comportement qualitatif très différent. L'étape suivante sera d'utiliser ce modèle pour la synthèse de régulateurs. Toutefois, le manque de capteurs en-ligne nous a amené, dans une troisième partie, à procéder à la synthèse d'un certain nombre d'observateurs d'état classiques. Au regard des caractéristiques spécifiques des bioprocédés, cette dernière partie se termine par la proposition de nouvelles pistes pour l'estimation d'état et de paramètres par des méthodes stochastiques, notamment les filtres particulaires dont nous présentons brièvement le principe. / This thesis focuses on the modeling of anaerobic membrane reactors. In the first part, we propose a generic mathematical analysis of a two-step model of the anaerobic digestion called AM2. The main limitation in the development of membrane reactors being the risk of clogging, we propose in a second part, to extend the AM2 model by incorporating a new state variable modeling the dynamics of the so-called Soluble Microbial Products (SMP) whose role in the clogging of the membranes has been demonstrated. A complete mathematical study of this new model called AM2b is realized to understand and compare the behavior of both models. Depending on operating conditions and on the model parameters values, we show that this new model can behave as the initial model AM2, or, conversely, have a completely different qualitative behavior. The next step is to use this model for the synthesis of controllers. However, the lack of online sensors led us to a third part where we carry out the synthesis of several state observers. In view of the specific characteristics of bioprocesses, this last part ends by proposing new ways to estimate both state and parameters using stochastic methods, including particulate filters which the concepts are briefly reviewed.

La Fermentation Malo-Lactique (FML) réalisée par OEnococcus oeni est une étape importante de la vinification qui doit être maîtrisée. Bien que les vinificateurs aient à leur disposition des souches OE. oeni selectionnees la FML n’est pas toujours réussie. Les conditions physico-chimiques (pH, éthanol, température), la composition du vin et les facteurs biologiques influencent l’activite de cette bacterie ; parmi ces dernières les interactions entre micro-organismes sont primordiales. Souvent, après la fermentation alcoolique par la levure, des souches indigenes d’OE. oeni sont naturellement présentes dans le vin. Des interactions négatives peuvent alors se produire entre les souches autochtones et les souches sélectionnées apportées. Des connaissances sur ces interactions sont donc necessaires. L’objectif de ce travail etait d’etudier les interactions pendant la FML entre 5 souches d’OEnococcus oeni issues de différentes niches écologiques. Pour cela, des expériences ont été effectuées dans du milieu MRS modifié et dans des conditions proches à celles du vin (20 °C ; pH 3,5 et 10 % d’ethanol). Nous avons tout d’abord caracterise le comportement des souches en cultures pures à la fois dans les conditions de micro-aerobie et d’anaerobiose. Une grande variabilité a été retrouvée entre les souches dans les 2 conditions : trois des 5 souches sont favorisées en conditions d’anaerobiose tandis que les deux autres se sont mieux développées en conditions de micro-aérobie. La présence de 4 g.L-1 d’acide L-malique dans le milieu permet de produire, pour toutes les souches, une biomasse environ 2 fois plus élevée que celle obtenue dans le milieu sans acide L-malique. La totalite de l’acide malique est consommee par les 5 souches mais avec des vitesses différentes. Pour une souche donnée la vitesse spécifique de consommation d’acide L-malique (ν) et la vitesse specifique de croissance (μ) presentent des profils similaires au cours de la FML. Elles ont été reliées par un modèle mathématique qui a permis de quantifier ce lien pour chaque souche. Les interactions lors des cultures mixtes des 10 couples formés par les 5 souches ont ensuite été étudiées dans un Bio-Réacteur à Membrane (BRM) en anaérobiose. Trois catégories ont été mises en évidence: interactions à effets négatifs réciproques sur la croissance des 2 souches en culture mixte ; interactions à effet négatif sur la croissance de la souche la plus rapide en culture pure et à effet positif sur la croissance de la souche la plus lente en culture pure et interactions à effets positifs sur la souche la plus rapide en culture pure. La comparaison des cultures pures et mixtes a révélé que l’activite specifique de croissance des souches est affectee en culture mixte, ce qui provoque le prolongement de la phase de la latence dans le cas de l’inhibition et son raccourcissement dans le cas de la stimulation. La modelisation de la consommation d’acide L-malique a révélé pour certains couples une activation de la consommation de cet acide bien que la croissance soit fortement inhibée. Ces interactions, qui affectent le déroulement de la FML, ne peuvent etre dues qu’a l’effet de metabolite(s) extracellulaire(s) excretee(s) dans le milieu de fermentation. Ces métabolites restent à identifier. / In winemaking, the control of malolactic fermentation (MLF) by OEnococcus oeni is an essential step for this process. Although winemakers have the availability for selected OE.oeni strains, the MLF is not always successful. The physical-chemical conditions (pH, ethanol, and temperature), the composition of wine, and biological factors, all together influence the activity of this bacterium; regarding biological factors, the interactions between microorganisms are essential. Often, after alcoholic fermentation by yeast, indigenous strains of OE.oeni are naturally present in wine, negative interactions can then occur between the indigenous strains and selected strains; therefore, knowledge on these interactions is needed. The goal of the present work was to study the interactions during MLF between five strains of OE.oeni from different origins. Experiments were performed in the modified MRS medium to be in nearly conditions to those of wine (20 °C, pH 3.5, and 10% ethanol). The characterization of the behavior of strains in pure cultures was done under both, micro-aerobic and anaerobic conditions; a large variability was found between the strains in the two conditions: three out of five strains were favored under anaerobic conditions while the two others were better developed in micro-aerobic conditions. The presence of 4 g.L-1 of L-malic acid in the culture medium increased the biomass produced, about two-fold higher than that obtained in medium without L-malic acid. All of the L-malic acid is consumed by the five strains but at different specific rates. A mathematical model allowed to quantifying the relationship between the specific consumption rate of L-malic acid (ν) and the specific growth rate two specific rates for each strain; for a given strain, both rates have similar profiles during the MLF. Interactions in mixed cultures of 10 couples formed by the five strains were then examined in a Membrane Bioreactor (BRM) under anaerobic conditions. Three different interaction types were identified: 1) negative reciprocal interactions of the both strains in mixture culture, 2) interaction that affect negatively the favored strain in pure culture and positively the slowest one, and 3) interaction with positive effect on the fastest strain in pure culture. Comparison of pure and mixed culture showed that the specific activity of strains was affected in mixture culture causing the extension of the lag phase in the case of inhibition and its shortcut in the case of stimulation. Modeling of the consumption of the L-malic acid revealed activation of the consumption of this acid for some couples however, growth is strongly affected. The interactions affecting the course of the MLF are due solely to the effect of excreted extracellular metabolite(s); these metabolites remain to be identified

Cette étude présente les travaux réalisés pour comprendre l'effet de l'aération sur le milieu biologique et sur la filtration dans les bioréacteurs à membranes immergées pour une gamme de paramètres opératoires proche de celles utilisées sur stations réelles. Notre démarche fait le lien entre paramètres opératoires (débit d'aération), hydrodynamique à l'échelle macroscopique (tailles et vitesses de bulles), hydrodynamique à l'échelle locale (contraintes de cisaillement) et propriétés du milieu biologique (taille de flocs et substances polymériques extracellulaires solubles). De moins bonnes performances de filtration à plus forte aération pourraient être expliquées par une plus grande déstructuration des boues sur le court terme. Par ailleurs tout effet d'évolution des boues sur le long terme en fonction des conditions d'aération a été écarté. / This work contributes to the knowledge on aeration for fouling prevention in submerged membrane bioreactors, which represents a great part of energy consumption of the process. More precisely it aims at estimating the impact of aeration on mixed liquor properties for operational parameters range close to those used in full scale plants. Our study links operational parameters (airflow rate), hydrodynamics at macroscopic scale (bubble sizeand velocity), hydrodynamics at local scale (shear stresses), biological media properties (floc size and soluble extracellular polymeric substances), and filtration performance (transmembrane pressure variations). Hydrodynamics characterisation of two phase flow in membrane module enabled to highlight differences between air/water and air/sludge hydrodynamics with 15-25 % lower bubble velocities in sludge but one order of magnitude higher shear stress (maximal values of 10 Pa). Controlled breakdown of biological media was performed by imposing constant shear stress (range 0,1-10 Pa) to mixed liquor samples. Increase of shear induced a decrease of floc size, and soluble extracellular polymeric substances release. The comparison with shear value obtained by simulation showed that stresses induced by aeration were in the range of mixed liquor destructuration. A pilot campaign showed that wastewater had a stronger impact on the long term on mixed liquor properties, and thus filtration performances, than aeration. However higher transmembrane pressure increase rate observed on pilot for higher airflow at similar wastewater quality could be explained by stronger breakage of biological agregates on short term

Particles and macromolecular components, including biopolymers (protein and carbohydrate), are viewed as the main foulants in the complex feed submerged membrane filtration systems such as membrane bioreactor (MBR). This work focused on two aspects of fouling in complex fluids: 1- Assessing fouling propensity and mechanisms for various model solutions. 2- Using of two specific solutions modelling biomass found in MBR for a better understanding of the fouling mechanisms in submerged MBR processes. Filtrations were carried out with 0.22 ??m PVDF hollow fibre membrane. Alginate was used as a model for polysaccharide, bovine serum albumin (BSA) as a model for protein, (un)washed yeast and bentonite were representing suspended solid contents. According to the data obtained during this study the fouling propensity of each model solution was classified as follow in a decreasing order: Alginate &gt unwashed yeast &gt washed yeast &gt BSA &gt bentonite for one-component solutions; and Alginate-washed yeast &gt Alginate-BSA &gt Alginate-bentonite &gt Alginate-unwashed yeast for two-component solutions. Introducing the alginate increased the reversible fouling (except BSA). Passive adsorption had a significant effect on fouling of alginate even before the beginning of the filtration. Washed yeast and a mixture of washed yeast + BSA were then used as model solutions to simulate the activated sludge found in MBR. The concentration of washed yeast and BSA used in this study were calculated in order for the characterisations of the two model solution to match (in terms of biopolymer contents) those of MBR biomasses reported in the literature. By rinsing, backwashing and chemical cleaning of the membrane, three fouling layers of upper, intermediate and lower were defined respectively. Results obtained from the analysis of the biopolymers found in the cleaning solutions allow a better understanding of the fouling mechanisms occurring for the two model solutions used in this study: for washed yeast, the lower layer and for washed yeast + BSA , the upper and intermediate layers were found to have relatively high biopolymeric composition. This was explained by higher concentration of solids on the membrane surface and by higher biopolymer interactions when washed yeast was mixed with BSA.