An important principle in Lean manufacturing, value stream mapping (VSM) can be helpful in understanding how process flow and information flow affect each other. A VSM is a static picture of a process that allows the user to see where value is added into the value stream. Simulation is used to evaluate the behavioral issues of processes. In a manufacturing realm this means simulation shows how each operation affects other operations so determinations can be made about where bottlenecks or other problems exist in the process. Theoretically, the integration of VSM and Simulation can aide in process improvement by showing both the static and behavioral characteristics of a process. Determining the feasibility of such an integration is the basis for this thesis. Using research performed by Jack McClellan at BullFrog Spa, a comparative study was conducted by two test groups. One used the traditional simulation approach and the other the integrated simulation approach. The test groups were formed from nine students taking the Manufacturing Systems course fall semester 2004. The traditional simulation approach used the ProModel simulation software to perform a test using a paper form of a VSM. The integrated simulation approach used Process Simulator simulation software, which created a simulation from a VSM created in Microsoft Visio. After completion of the tests, the students filled out surveys comparing their results with McClellan's results for verification of their simulations. The results from the study indicated that the students were able to create a working simulation using both approaches and there was no significant difference between times that it took to create the simulations. It was also discovered that a VSM helps increase understanding of a process, but cannot be the sole source of information to create a simulation. More behavioral information about the process is needed.

Dans un contexte de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) et de forte volatilité du prix des énergies, les investissements en efficacité énergétique des sites industriels résultent souvent d'un processus de décision complexe. L'industriel doit pouvoir disposer d'outils lui permettant d'élaborer les solutions d'efficacité énergétique envisageables sur son site. Outre la recherche des sources d'énergie alternatives, que sont les énergies renouvelables, qui n'atteindront leur maturité technologique que sur le long terme, une solution à court terme consiste plutôt à favoriser une utilisation plus rationnelle de l'énergie. Pour relever ce défi, l'analyse exergétique apparaît comme un outil très efficace, car elle permet d'identifier précisément les sources d'inefficacité d'un procédé donné et de proposer des solutions technologiques visant à y remédier. Malheureusement, contrairement au concept d'enthalpie traditionnellement utilisé pour réaliser des bilans énergétiques sur un procédé, ce concept demeure assez difficile à appréhender et n'est que très rarement implémenté dans les simulateurs de procédés. Les travaux présentés dans ce document visent d'abordà rendre l'analyse exergétique plus accessible en l'intégrant dans un simulateur de procédés, puis à démontrer la pertinence d'une telle analyse pour l'amélioration de l'efficacité des procédés et des utilités associées. Dans un premier temps, une formulation générique et indépendante du choix du modèle thermodynamique pour l'évaluation de l'exergie des flux de matière est introduite. Une méthode de calcul des différentes contributions de l'exergie (contributions thermique, mécanique et chimique) est développée et un nouveau concept visant à évaluer les potentiels de récupérations thermique et mécanique maximales est introduit. Par la suite, la notion de bilan exergétique sur un système donné (opération unitaire ou procédé complet) est introduite. Pour l'évaluation des exergies des flux de travail et de chaleur, deux cas de figure sont étudiés : le cas de l'amélioration de procédés existants (« retrofitting ») et le cas de la conception de nouveaux procédés (« design»). Dans le cas de l'amélioration de procédés existants et afin d'aider au diagnostic énergétique de ces systèmes, des tableaux synthétiques proposant des solutions technologiques visant à réduire les irréversibilités ou les pertes exergétiques externes du procédé sont proposés. Par ailleurs, après une analyse comparative des différentes formulations d'efficacité exergétiques existant dans la littérature, la notion d'efficacité intrinsèque est retenue comme le critère le plus adapté pour une optimisation de l'efficacité exergétique d'un procédé complexe. Enfin, une nouvelle méthodologie structurée dédiée à l'analyse exergétique et permettant de pallier les lacunes des méthodologies existantes est présentée. L'ensemble de ces concepts est implémenté dans un premier prototype logiciel écrit en langage VBScript et intégré au simulateur de procédés ProSimPlus. Enfin, l'efficacité de la procédure est démontrée à travers une étude de cas portant sur la production de gaz naturel. / Energy issue is becoming increasingly crucial for industrial sector that consumes large quantities of utilities. Although the scientific world should continue to look for alternate sources of energy, a short-term solution would rather rely on a more rational use of energy. To face this challenge, exergy analysis appears a very efficient tool as it would enable to increase efficiency and reduce environmental impact of industrial processes. Unfortunately, contrary to enthalpy, this concept is rather difficult to handle and exergy analysis is rarely implemented in process simulators. In this context, the major objective of the study presented in this dissertation is to make exergy analysis more understandable by coupling it with the use of a process simulator and also to demonstrate the value of this approach for analysis of energy efficiency of processes and utilities. This dissertation presents a generic formulation for exergy of material streams that does not depend on the thermodynamic model, so that it could be easily implemented in a process simulator. The different contributions of exergy (thermal, mechanical and chemical) have been developed and new concept such as the maximal thermal and mechanical recovery potential has been introduced in order to pave the way for exergy analysis. The formulations of exergy balances on a real process are presented. For that purpose, the formulation of exergy for heat and work flux is developed. The formulation of exergy balances has been introduced for both design and retrofit situations and then a set of hints for the interpretation of this exergy balance has been given. Synthetic tables providing solutions to reduce irreversibilities and external losses have been introduced. Moreover, different kinds of exergy efficiency have been defined to provide a new criterion for the optimization of the process. A new structured methodology for exergy analysis is developed to overcome the limitations of existing methodologies. To make exergy analysis easier for any engineer, a first prototype has been developed to implement the calculation of exergy for the material streams in a process flowsheet modeled in ProSimPlus. Thanks to this prototype, exergy of each material stream appears in a synthesis table next to the traditional thermodynamic values such as the enthalpy. Finally, a case study on Natural Gas Liquids recovery process is presented to demonstrate the benefit of the exergy analysis for the improvement of existing processes. First, the exergy analysis permits to make an energy diagnosis of the process: it pinpoints the inefficiencies of the process which relies not only on irreversibilities but also on external exergy losses. Then, based upon respective values of internal and external losses and also thanks to the breaking down of exergy into it thermal, mechanical and chemical contributions, some technological solutions are suggested to propose a retrofit process. Finally, the exergy efficiency criteria enable to optimize the operating parameters of the process in order to improve its energy efficiency.

Du fait de problèmes de santé publique, l’industrie agroalimentaire doit réduire la quantité de sel (chlorure de sodium) dans les aliments, et donc dans les charcuteries. Lors de la fabrication des jambons secs, une diminution du taux de sel pourrait se traduire par des problèmes de texture dus à une protéolyse excessive pouvant nuire à l’étape de tranchage industriel, et aussi par des problèmes de stabilité microbiologique. Dans ce contexte, les objectifs de cette thèse sont : (1) d’étudier le lien entre l’évolution de la protéolyse, de la texture et de la structure, tout au long des différentes étapes de fabrication de jambons secs et (2) de développer un modèle de « jambon numérique » afin de prédire spatialement les dynamiques d’évolution des teneurs en eau, en sel et celle de l’activité de l’eau (a w ), et de coupler ces évolutions à celle de la protéolyse. Ce travail combine études expérimentales et modélisation/simulation numérique. Tout d’abord, une méthode de quantification de la protéolyse utilisant la « Fluorescamine » a été développée et validée sur des échantillons de viande de porc et des échantillons extraits de jambons industriels ; un nouvel indice de protéolyse (IP) a été défini. Sur la base d’un plan d’expériences, l’évolution de la protéolyse au sein d’échantillons différemment salés et séchés et préparés à partir de 5 muscles différents d’un jambon de porc, a été quantifiée. Suite à l’application d’une régression linéaire multiple, des lois phénoménologiques ont été construites permettant de calculer la vitesse de protéolyse, pour un muscle donné, en fonction de la température et des teneurs en eau et en sel. Ensuite, au moyen du logiciel Comsol ® Multiphysics, ces lois ont été combinées avec des modèles de transferts de matière (eau, sel), de chaleur (température), et de calcul de l’a w , constituant ainsi un modèle de « jambon numérique ». Enfin, la dynamique d’évolution de l’IP, de 5 paramètres texturaux (dureté, fragilité, cohésion, élasticité et adhésion) et de 4 paramètres structuraux (nombre des fibres, espaces extracellulaires, taille des fibres et surface de tissu conjonctif) a été mesurée sur des échantillons prélevés dans deux muscles extraits de jambons industriels pris à cinq stades de fabrication différents. L’application d’une régression polynômiale multiple à ces données expérimentales a conduit à l’établissement de corrélations permettent de calculer certains paramètres texturaux et structuraux à partir de l’IP et des teneurs en eau et en sel. A court terme, ces lois seront incorporées dans le modèle numérique afin de constituer un vrai simulateur de procédé. A moyen terme, le modèle de « jambon numérique » devra être amélioré afin de tenir compte (1) de la diminution du volume du jambon, du fait du séchage et (2) de la diminution de la vitesse de protéolyse en fonction du temps, du fait de la réduction de la quantité de protéines hydrolysables dans le jambon. Une fois complété et amélioré, le simulateur de procédé pourra aider les professionnels à tester des scénarios visant à réduire la quantité de sodium dans les jambons secs, sans altérer leur qualité finale. / Because of public health problems, the food industry must lower sodium content in all food products, therefore in cured meat products. During the dry-cured ham elaboration process, decreasing salt content may induce microbial safety problems and texture defects due to an excessive proteolysis that could affect later the industrial stage of slicing. On account of that, this work of thesis aims at (1) studying the relationship between proteolysis, structure and texture during the various stages of dry-cured ham manufacture, and (2) building a “numerical ham” model to predict spatially the time course of water and salt content, and thus water activity (a w ), and to couple these variations with proteolysis. This work combines experimental studies and numerical modelling and simulation. Firstly, a new and powerful technique for quantifying proteolysis that uses “Fluorescamine” was developed and validated on pork meat samples and samples extracted from industrial dry-cured hams; a new proteolysis index (PI) was defined. Based on an experimental design, the time course of proteolysis was quantified in laboratory-salted and dried pork meat samples prepared from five different types of pork muscle. Applying multiple linear regression enabled us to build phenomenological models relating, for each pork muscle, PI velocity to temperature, and to water and salt content. Using Comsol ® Multiphysics software, these phenomenological models were then combined with heat and mass transfer models and associated with calculation of a w , thus constituting the “numerical ham” model. In addition, the time course of PI, five textural parameters (hardness, fragility, cohesiveness, springiness and adhesiveness), and four structural parameters (fiber number, extracellular spaces, cross section area, and connective tissue area) was quantified on samples extracted from two different muscles of industrial dry-cured hams removed from the process at five different processing times. Multiple polynomial regression was applied to build phenomenological models relating PI, salt and water content to some textural and structural parameters investigated. These last models could be rapidly incorporated in the “numerical ham” model to constitute a real process simulator. In the future, the “numerical ham” model should be improved in order to take into account (1) the strong decrease in ham volume due to drying and also (2) the decrease in proteolysis velocity with time as a result of the reduction in the amount of protein that can be hydrolysed in the ham. Once completed and improved, the process simulator will be available to professionals to test scenarios allowing sodium content to be reduced in dry-cured hams without altering their final quality.