Les activités d'achat dans l'industrie des pâtes et papiers représentent une part importante du coût global de la chaîne d'approvisionnement. Les décideurs prévoient l'approvisionnement en bois requis jusqu'à un an à l'avance afin de garantir le volume d'approvisionnement pour le processus de production en continu dans leur usine. Des contrats réguliers, flexibles et d'options avec des fournisseurs de différents groupes sont disponibles. Les fournisseurs sont regroupés en fonction de caractéristiques communes, telles que la propriété des terres forestières. Cependant, lors de l'exécution du plan, des risques affectent les opérations d'approvisionnement. Si les risques ne sont pas intégrés dans le processus de planification des achats, l'atténuation de leur impact sera generalement coûteuse et compliquée. Des contrats ad hoc coûteux supplémentaires pourraient être nécessaires pour compenser le manque de livraisons. Pour aborder ce problème dans cette thèse, dans un premier projet, un modèle mathématique déterministe des opérations d'approvisionnement est développé. L'objectif du modèle est de proposer un plan d'approvisionnement annuel pour minimiser le coût total des opérations relatives. Les opérations sont soumises à des contraintes telles qu’une proportion minimale de l'offre par chaque groupe de fournisseurs, des niveaux cibles des stocks, de la satisfaction de la demande, la capacité par la cour à bois et la capacité du procédé de mise en copeaux. Les décisions sont liées à la sélection des contrats d'approvisionnement, à l'ouverture de cour à bois et aux flux du bois. Dans un deuxième projet, une évaluation du plan d'approvisionnement à partir du modèle déterministe du premier projet est effectuée en utilisant une approche de simulation Monte Carlo. Trois stratégies contractuelles différentes sont comparées : fixes, flexibles et une combinaison des deux types des contrats. L'approche de simulation de ce projet évalue la performance du plan par la valeur attendue et la variabilité du coût total, lorsque le plan est exécuté pendant l'horizon de planification. Dans un troisième projet, une approche de programmation stochastique en deux étapes est utilisée pour fournir un plan d'approvisionnement fiable. L'objectif du modèle est de minimiser le coût prévu du plan d'approvisionnement en présence de différents scénarios générés en fonction des risques. Les décisions lors de la première étape sont la sélection des contrats dans la première période et l'ouverture des cours à bois. Les décisions de la deuxième étape concernent la sélection des contrats commençant après la première période, les flux, l'inventaire et la production du procédé de la mise en copeaux. iii L'étude de cas utilisée dans cette thèse est inspirée par Domtar, une entreprise des pâtes et papiers située au Québec, Canada. Les résultats des trois projets de cette thèse aident les décideurs à réduire les contraintes humaines liées à la planification complexe des achats. Les modèles mathématiques développés fournissent une base pour l'évaluation de la stratégie d'approvisionnement sélectionnée. Cette tâche est presque impossible avec les approches actuelles de l'entreprise, car les évaluations nécessitent la formulation de risques d'approvisionnement. L'approche de programmation stochastique montre de meilleurs résultats financiers par rapport à la planification déterministe, avec une faible variabilité dans l'atténuation de l'impact des risques. / Procurement activities in the pulp and paper industry account for an important part of the overall supply chain cost. Procurement decision-makers plan for the required wood supply up to one year in advance to guarantee the supply volume for the continuous production process at their mill. Regular, flexible and option contracts with suppliers in different groups are available. Suppliers are grouped based on common characteristics such as forestland ownership. However, during the execution of the plan, sourcing risks affect procurement operations. If risks are not integrated into the procurement planning process, mitigating their impact is likely to be expensive and complicated. Additional expensive ad hoc contracts might be required to compensate for the lack of deliveries. To tackle this problem, the first project of this thesis demonstrates the development of a deterministic mathematical model of procurement operations. The objective of the model is to propose an annual procurement plan to minimize the total cost of procurement operations. The operations are subject to constraints such as the minimum share of supply for each group of suppliers, inventory target levels, demand, woodyard capacity, and chipping process capacity. The decisions are related to the selection of sourcing contracts, woodyards opening, and wood supply flow. In the second project, an evaluation of the procurement plan from the deterministic model from project one is performed by using a Monte Carlo simulation approach. Three different strategies are compared as fixed, flexible, and a mix of both contracts. The simulation approach in this project evaluates the performance of the plan by the expected value and variability of the total cost when the plan is executed during the planning horizon. In the third project, a two-stage stochastic programming approach is used to provide a reliable procurement plan. The objective of the model is to minimize the expected cost of the procurement plan in the presence of different scenarios generated based on sourcing risks. First-stage decisions are the selection of contracts in the first period and the opening of woodyards. Second-stage decisions concern the selection of contracts starting after the first period, flow, inventory, and chipping process production. The case study used in this thesis was inspired by Domtar, which is a pulp and paper company located in Quebec, Canada. The results of three projects in this doctoral dissertation support decision-makers to reduce the human limitation in performing complicated procurement planning. The developed mathematical models provide a basis to evaluate the selected procurement strategy. This task is nearly impossible with current approaches in the company, as the evaluations require the formulation of v sourcing risks. The stochastic programming approach shows better financial results comparing to deterministic planning, with low variability in mitigating the impact of risks.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2005-2006 / L’industrie canadienne des pâtes et papiers fait face à plusieurs défis importants. Un de ces défis consiste à trouver de nouveaux moyens d’améliorer la création de valeur à travers la chaîne logistique, en fabriquant des produits de haute qualité à partir de matières premières de qualités variables. Généralement, deux stratégies parallèles sont envisagées pour relever ce défi. La première stratégie implique de gérer les flux des matériaux à travers la chaîne logistique de telle manière que les divers types de fibres soient utilisés au mieux par une sélection adaptée des processus à utiliser et des produits à fabriquer. La deuxième stratégie implique de définir la gamme de produits de telle manière qu’elle permette de profiter au mieux des opportunités d’affaires et des propriétés des fibres existantes. La première stratégie est basée sur la ressource tandis que la deuxième stratégie est basée sur les marchés. Cette thèse présente un modèle de planification stratégique qui fournit un cadre mathématique pour le développement de ces stratégies. Le modèle utilise la demande et la valeur des produits pour déterminer comment les produits peuvent être tirés à travers la chaîne logistique de façon à maximiser les revenus tout en considérant les contraintes de disponibilités de la matière et de capacité des équipements. Le modèle permet aussi de tenir compte des rapports entre les propriétés des fibres et les propriétés des produits, pour déterminer comment chaque type de fibre peut être utilisé au mieux. Le modèle est un programme mathématique en nombre entier qui a été mis en application en utilisant ILOG OPL Studio 3.7 et ILOG CPLEX 9.0. Un cas d’étude a été développé basé sur le contexte d’un producteur de pâte et papier intégré. Le modèle a été validé en utilisant une série de scénarios possible. Les résultats démontrent que le modèle est valide, qu’il peut être utilisé pour identifier des stratégies pour améliorer la création de valeur, et qu’il peut être résolu assez rapidement pour permettre son application à un réseau manufacturier. / The Canadian pulp and paper industry is facing several important challenges. One of these challenges is to find new ways of improving value creation throughout the value chain while manufacturing high quality products from raw materials with inherently variable properties. This challenge can be addressed using two parallel strategies. The first of these involves managing the flow of materials through the value chain in such a way that fibre grades are directed to the processes and end-products to which they are best suited. The second involves tailoring the end-product range to take maximum advantage of existing market conditions and fibre resource properties. Operating simultaneously, these strategies ensure the profits generated from the available fibre resources are maximized. This thesis presents a strategic planning model which provides a mathematical framework for developing these strategies. The model uses customer demand and market value to determine how strongly each end-product is pulled through the value chain, and raw material availability and cost, together with established relationships between fibre properties and pulp and paper properties, to determine how various fibre grades are utilized. The model itself is a large mixed-integer program which was implemented using ILOG OPL Studio 3.7 with ILOG CPLEX 9.0 as solver. A test case was developed based on a realistic integrated pulp and paper mill, and the model was validated using a series of example scenarios. The results show that the model is valid, that it can be used to identify strategies for significantly improving value creation, and that it can be solved quickly enough to allow its expansion to a production network environment.

Depuis trente ans, et malgré une bonne performance de la productivité totale des facteurs, les entreprises canadiennes se font dépasser par leurs concurrentes de certains pays industrialisés au chapitre de la croissance de cette productivité. Qu'est-ce qui explique ce retard par rapport aux industries les plus performantes à l'échelle mondiale? Les écrits antérieurs suggèrent deux explications : l'innovation induite par les prix des facteurs de production selon l'hypothèse suggérée par Hicks et la malédiction des ressources naturelles avancée par Sachs et Warner. Nous analysons l'évolution de la productivité totale des facteurs de production de l'industrie des pâtes et papiers en Alberta, au Québec, en Ontario, en Colombie-Britannique, au Maine, en Illinois, en Géorgie, dans l'état de Washington, en Finlande et en Suède de 1971 à 2005. Nous trouvons que les prix du capital et du matériel ont un effet négatif et significatif sur la croissance de la productivité totale des facteurs, mais peu d'évidences existent concernant l'effet des prix des intrants énergétiques. Cet ouvrage s'avère donc utile pour l'analyse de politiques liées au secteur manufacturier, notamment les industries ayant recours à des ressources naturelles du domaine publique ainsi que pour évaluer les politiques fiscales implantées dans cette industrie.

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Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / L'intégration des décisions liées à la chaîne d'approvisionnement présente des avantages considérables et constitue une forte motivation pour harmoniser et aligner les différentes fonctions au sein de la chaîne d'approvisionnement, ce qui permet d'améliorer la compétitivité et de bénéficier d'avantages économiques. Parmi ces fonctions, la coordination de la planification de la production et de la gestion des stocks revêt une importance primordiale pour permettre aux entreprises de gérer efficacement leur système de production et de stockage, de répondre aux demandes des clients et de se positionner avantageusement sur le marché. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles de prise de décision qui facilitent la coordination des activités de production, de stockage et de distribution, dans des contextes déterministes et stochastiques, et ce, dans un cadre pratique. La première phase de ce projet doctoral repose sur une revue de littérature approfondie, axée sur l'examen des mécanismes et des méthodologies développés dans la littérature existante dans le domaine de la gestion de la production et des stocks. L'objectif est d'identifier et d'analyser les stratégies utilisées pour coordonner les décisions et les opérations liées à la production et aux stocks, afin d'améliorer les performances du système de production et de stockage. Grâce à cette revue de littérature, les articles ont été soigneusement évalués afin de tirer des enseignements précieux sur les domaines spécifiques des problèmes abordés et les méthodologies mises en œuvre. Cette enquête systématique constitue la base fondamentale pour les étapes suivantes, au cours desquelles des modèles de prise de décision sont développés, en s'appuyant sur les connaissances acquises lors de la revue de littérature. La deuxième phase de cette thèse a consisté au développement d'un modèle de programmation linéaire en nombres entiers mixtes, associé à une approche de planification à horizon glissant. L'objectif était de déterminer les stratégies de production et de stockage appropriées, notamment la production sur stock (MTS), la production sur commande (MTO) et la stratégie de réapprovisionnement continu (VMI), puis de coordonner les opérations de production, de stockage et de distribution afin d'optimiser la rentabilité du système. Une étude de cas réelle issue de l'industrie canadienne des pâtes et papier a été utilisée, fournissant des informations pratiques sur l'impact des différents paramètres du problème sur la prise de décision tactique et opérationnelle. Ces résultats offrent des considérations précieuses pour une mise en œuvre dans des contextes industriels similaires. Dans la dernière étape de cette thèse, un modèle de programmation non linéaire en nombres entiers mixtes, à deux étapes et stochastique, a été développé, dans le but d'aborder la coordination des prix de vente et des politiques de production et de stockage sélectionnées afin de répondre aux demandes des clients, en tenant compte de la nature incertaine et sensible aux prix de la demande. La première étape du modèle consiste à prendre des décisions concernant la sélection des stratégies de production et de stockage, ainsi que la tarification, dans le but de maximiser le profit attendu. La deuxième étape englobe les décisions liées à la production, au stockage et à la distribution, qui sont utilisées pour évaluer les décisions de la première étape dans différents scénarios avec différents niveaux de précision. De plus, un algorithme basé sur le recuit simulé a été proposé comme moyen de résoudre le modèle. Dans l'ensemble, les modèles de prise de décision et les approches présentés dans cette thèse sont innovants et applicables aux environnements de production multi-produits qui servent des clients diversifiés avec différentes stratégies de production et de stockage. Ces modèles offrent des solutions pratiques pouvant être mises en œuvre dans des contextes réels pour améliorer l'efficacité opérationnelle et bien répondre aux demandes des clients. / The integration of supply chain decisions presents significant advantages and serves as astrong motivation to harmonize and align various functions within the supply chain, leading to improved competitiveness and economic benefits. Among these functions, the coordination of production and inventory planning holds utmost importance in enabling companies to efficiently manage their production and inventory systems, meet customers' demand, and gain a competitive advantage. Therefore, the primary objective of this thesis is to develop decision-making models that facilitate the coordination of production, inventory, and distribution activities, in both deterministic and stochastic settings within a practical context. The initial phase of this doctoral project involves a comprehensive literature review that focuses on examining the mechanisms and methodologies developed within the existing literature in the field of production-inventory management. The aim is to identify and analyze the strategies employed to coordinate production-inventory decisions and operations, ultimately enhancing the performance of the production-inventory system. Through this literature review, the articles were carefully evaluated to extract valuable insights regarding the specific problem domains addressed and the methodologies implemented. This systematic investigation serves as the fundamental groundwork for the subsequent steps, where decision-making models are developed based on the knowledge gained from the literature review. The second phase of this thesis involves the development of a mixed integer linear programming model, coupled with a rolling horizon planning approach. The objective is to determine appropriate production-inventory strategies, including make-to-stock (MTS), make-to-order (MTO), and vendor-managed-inventory (VMI), and subsequently coordinate production, inventory, and distribution operations to optimize system profitability. A real-case study from the Canadian pulp and paper industry is utilized, providing practical insights into the impact of different problem parameters on tactical and operational decision-making. These findings offer valuable considerations for practical implementation in similar industry settings. In the final stage of this thesis, a two-stage stochastic mixed integer nonlinear programming model is developed to address the coordination of sales price and selected production-inventory policies in meeting customers' demands, taking into account the uncertain and price-sensitive nature of demand. The first stage of the model involves making decisions pertaining to the selection of production-inventory strategies and pricing, with the objective of maximizing expected profit. The second stage encompasses decisions related to production, inventory, and distribution, which are utilized to evaluate the first-stage decisions across various scenarios with different levels of accuracy. Additionally, a simulated annealing-based algorithm is proposed to solve the model. Overall, the decision-making models and approaches presented in this doctoral project are innovative and applicable to multi-product production environments that serve diverse customers with different production-inventory strategies. These models offer practical solutions that can be implemented in real-world settings to improve operational efficiency and meet customer demands effectively.

Les lignines sont des polymères naturels et renouvelables. C’est le polymère le plus abondant sur la terre après la cellulose. De nos jours, les lignines sont sous-exploitées et seulement 2 % de la lignine est valorisée par an, leur application capital restant comme combustible dans les industries papetières pour la production d'énergie. Au Québec, 130 000 tonnes de liqueur noire contenant de la lignine pourraient être extraites par an afin de les valoriser, sans perturber la production dans ces industries papetières. Sa valorisation pourrait contribuer à créer de nouveaux produits à valeur ajoutée tels que les biocomposites avec une matrice de polyéthylène, polystyrène recyclé ou encore le bois. Ces nouveaux produits de ces industries pourraient améliorer la situation économique dans ce domaine, mais aussi pourraient apporter de nouvelles connaissances dans le domaine des écomatériaux tout en contribuant à la diminution des gaz à effet de serre en favorisant le produit naturel contre le produit de synthèse. Les structures des lignines diffèrent selon certains paramètres (origine, le processus d'isolation ...). Dans ce projet, deux lignines Kraft seront précipitées à partir de liqueur noire de deux industries papetières québécoises en utilisant du dioxyde de carbone comme réactif. Ces lignines seront purifiées et comparées analytiquement à d’autres lignines; une lignine Kraft commerciale, une lignine pyrolytique et une lignine Protobind Soda 2400. Connaissant la structure des lignines, il sera plus facile de les modifier. Les lignines Kraft ont été estérifiées avec l'anhydride maléique et l'anhydride succinique et comparée aux lignines non modifiées par plusieurs techniques d'analyse telles que FT-IR, TGA, DSC, RMN. Les lignines Wayagamack maléatées et non maléatées ont été incorporées dans un biocomposite de polystyrène recyclé et les propriétés mécaniques et thermiques ainsi que la morphologie ont été étudiées. Les composites avec la lignine non modifié ont montré de bonnes propriétés mécaniques et thermiques par rapport au composite avec la lignine maléate où la lignine maléatée était pourtant compatible avec le polystyrène recyclé. Les lignines Windsor non estérifiée et succinate ont été utilisées en tant que liant dans un panneau de bois et leurs propriétés mécaniques ont également été étudiées. Les résultats ont montré les meilleures propriétés mécaniques pour le panneau de bois contenant de la lignine Kraft non modifié. Les réactions de condensation de la lignine Kraft au cours de la compression à chaud du panneau améliorerait la solidité du panneau contrairement à des réactions d'estérification qui pourraient avoir lieu entre la lignine estérifié et les hydroxyles de bois. Mots clés : Liqueur noire, Lignine, Procédé Kraft, Estérification, Caractérisation, Composite, Valorisation, polystyrène, bois. / Lignins are renewable and natural polymers. It is the most abundant polymer on the earth after cellulose. Nowadays, lignins are not fully exploited and only 2% of lignin is valorised per year, their principal application remaining as a combustible in pulp industries for energy production. In Quebec, 130000 tons of black liquor containing lignin could be available from Kraft industry, per year, in order to valorise them, without disturbing the mill production. Its valorisation could contribute to create new value added products like bio composites with a matrix of polyethylene, recycled polystyrene or even wood. These new products of these industries could improve the economic situation in this field, but also could bring new knowledge in the eco materials field, in contributing of the decrease of greenhouse gases in favoring the natural product against the synthetic product. Lignin structure is different depending on several parameters (origin, isolation process…). In this project, two Kraft lignins will be precipitated from black liquor of two Quebecoise paper industries using carbon dioxide as the reagent. These lignins will be purified and compared analytically to others lignins; one Kraft softwood commercial lignin, one pyrolytic lignin and one Soda lignin Protobind 2400. With the knowledge of the Kraft lignin structure, it will be easier to modify these lignins. The esterified Kraft lignins with maleic anhydride and succinic anhydride will be compared to the unmodified lignin according to several analytical technical as FT-IR, TGA, DSC, NMR. Maleated and non modified Wayagamack lignins were incorporated in biocomposite of recycled polystyrene and the mechanical and thermal properties and the morphology were studied. The composite with non modified lignin showed good mechanical and thermal properties compared to the composite with maleated lignin where the maleated lignin was still compatible with the recycled polystyrene The Windsor succinated and non modified lignin were used as a binder in a wood panel and their properties were also studied. The results showed the best mechanical properties for the wood panel containing non modified Kraft lignin. Condensation reactions of Kraft lignin during the hot-pressing of the panel improve the solidity of the panel unlike esterification reactions that could take place between esterified lignin and the wood hydroxyls. Key words: Black liquor, Lignin, Kraft process, Characterisation, Esterification, Composite, Valorization, Polystyrene, Wood.

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Résumé non communiqué par le doctorant. / Résumé non communiqué par le doctorant.

Dans les procédés classiques d'extraction de la cellulose pour la fabrication de la pâte à papier à partir de bois, les hémicelluloses sont dégradées et sont brûlées pour alimenter l'usine en énergie. En incluant une étape préalable d'extraction de ces polysaccharides, ils pourraient alors être réintroduits en aval du procédé, après cationisation, en tant qu'agent de renfort dans la pâte à papier. Dans ce travail, la cationisation de deux hémicelluloses modèles commerciales de type galactomannane et xylane a été effectuée par éthérification avec un époxyde cationique en solution aqueuse basique, avec des degrés de substitution de 0,1 à 1,3. Les paramètres prépondérants de la réaction sont la concentration des espèces et la quantité d'agent éthérifiant, tandis que la température et le temps de réaction influent principalement sur le rendement massique. Un plan d'expérience a permis de modéliser l'interaction entre les quantités de soude et d'époxyde et d'optimiser les conditions en fonction du DS avec une efficacité de réaction de 50%. La cationisation a également été appliquée à deux hémicelluloses extraites au FCBA. La mise en oeuvre de la réaction en absence de solvant a permis d'atteindre une efficacité de réaction de 70 à 90% et de réduire considérablement les quantités de réactif utilisées et d'effluents à traiter. Parmi la gamme de DS, les dérivés cationiques de DS 0,3 ont donné les meilleures propriétés après ajout dans la pâte à papier, le galactomannane étant plus efficace que le xylane. Enfin, la réticulation des chaînes du xylane extrait a permis d'augmenter les propriétés physiques du papier de 15% supplémentaires / With current paper pulp processes, hemicelluloses are decomposed during the extraction of cellulose fibres. By including a previous step of hemicellulose extraction, these compounds could be reused as additives in the paper pulp, instead of cationic starch. In this work, two model galactomannan and xylan hemicelluloses were cationized in aqueous solution under basic conditions by etherification with a cationic epoxide. Degrees of substitution from 0.1 to 1.3 were obtained. Species concentration and epoxide amount appeared as preponderant parameters of the reaction. With an experimental design, the interaction between sodium hydroxide and epoxide amounts was modelized, and reactional conditions were optimized depending on the desired DS with a reaction efficiency of 50%. Then, cationisation was applied to two hemicelluloses extracted in FCBA. The reaction was also carried out in absence of solvent with a reaction efficiency of 70-90%, by minimising reagents consumption and effluents. Cationic derivatives with DS 0.3 gave the best performance to increase the paper resistance when they were added in paper pulp, galactomannan being more efficient than xylan. Chain reticulation allowed increasing mechanical properties of paper of 15% for the extracted xylan

Ce mémoire cherche à élucider de combien variera les parts de marché des sources d'énergie consommées par l'industrie des pâtes et papier suite à l'implantation du programme proposé dans le cadre réglementaire fédéral sur les émissions atmosphériques rendu public en avril 2007. Pour ce faire, nous utilisons un modèle économétrique basé sur la fonction Translog. L'implantation de la réglementation fédérale est simulée en considérant différents scénarios de prix pour une tonne d'émissions de gaz à effet de serre (GES). À partir de notre modèle estimé, nous calculons les élasticité-prix de la demande des sources d'énergie considérées et évaluons de combien variera la consommation et les émissions de ces sources d'énergie suite à l'imposition d'un prix sur la tonne de GES