Dans le cadre du projet européen « Optimized Products for Elderly Populations (OPTIFEL) » (ou « produits optimisés pour des gens âgés »), des produits alimentaires sont conçus pour les besoins particuliers des personnes âgées. Puisque cette population est souvent mal-nourrie, l’objectif du projet consistait à produire des aliments riches en nutriments et appétants. Ce but a été mis en œuvre en enrichissant des produits à base de fruits et légumes avec des protéines, des minéraux et vitamines, dont la vitamine C et les folates. Cependant, les deux dernières vitamines sont connues pour être fragiles et pour être rapidement perdues lors du chauffage. Pour atteindre le but de la supplémentation, c’est-à-dire augmenter l’absorption des nutriments, l’étude de leur stabilité est d’une grande importance. Ce travail, en particulier, a été dédié à l’étude de la stabilité de la vitamine C et des folates lors du réchauffage des aliments. Le réchauffage des aliments nécessite de respecter une température minimum de 60°C afin d’éviter la croissance des bactéries sporulées. Une deuxième contrainte, qui se démarque des méthodes de cuisson, est la durée du maintien en température. Selon que le réchauffage se déroule à la maison ou dans un système de restauration collective en liaison chaude, le temps de réchauffage est de courte durée ou peut atteindre quelques heures. La pomme et la carotte ont été choisies en tant qu’exemple d’un fruit et un légume pour le projet OPTIFEL et aussi pour le travail présent. La pomme et la carotte sont des produits qui sont appréciés à travers l’Europe et contiennent des quantités naturelles négligeables en vitamine C et folates. La stabilité de la vitamine C a fait objet de nombreuses études dans la littérature. Cependant, les facteurs qui impactent sa stabilité ont été principalement examinés en solution modèle et leur importance respective dans un vrai aliment manque d’études. Bien que la disponibilité de l’oxygène ait un impact primordial, et qu’il soit connu que l’oxygène est soluble jusqu’à 100°C, sa disponibilité dans le milieu alimentaire est très mal connue pendant le chauffage à des températures intermédiaires. L’acide folique est un vitamère synthétique, qui est habituellement utilisé pour la supplémentation mais qui a l’inconvénient de pouvoir masquer un déficit en vitamine B12. C’est pourquoi le vitamère naturellement abondant, l’acide 5-méthyltétrahydrofolate, a été proposé comme alternative pour l’enrichissement. Son inconvénient majeur, outre le prix, est qu’il est fragile et se dégrade rapidement en l’absence de réducteurs. L’objectif de cette thèse de doctorat consistait à comprendre la stabilité de la vitamine C et de l’acide 5-méthyltétrafolique à des températures intermédiaires. Une attention particulière a été portée à la stabilité dans des matrices alimentaires et à la disponibilité de l’oxygène. Dans un premier temps, la stabilité de la vitamine C et de l’acide 5-méthyltétrahydrofolique a été étudiée à une échelle laboratoire. Ensuite, l’impact des différentes méthodes de réchauffage a été examiné. Le travail a été divisé en quatre chapitres. Le premier chapitre a été consacré à l’étude de la stabilité de la vitamine C. Dans le deuxième chapitre, la disponibilité de l’oxygène a été étudiée. La troisième étude a été dédiée à la stabilité de l’acide 5-méthyltétrahydrofolique. Et dans le quatrième chapitre, trois méthodes de réchauffage ont été comparées. / The European project « Optimized Products for Elderly Populations (OPTIFEL) » was launched to ameliorate elderlies’ nutritional status. Since this population often suffers from malnutrition, it was envisaged to conceive food products based on fruit and vegetables, with a dense nutritive value. Therefore, products were enriched with important nutrients, among vitamin C and folates. To comply with the intention of supplementations consisting in an increased intake of nutrients, the study of their stability, especially of easy degradable molecules, is of utmost importance. The present work in particular, was dedicated to the stability of vitamin C and 5-methyltetrahydrofolate when food is warmed-up that is heated at an intermediate temperature range (60-80°C). It turned out that the deterioration pace of vitamin C is principally influenced by the filling volume of recipients on a lab-scale. A negligible effect was found for the food matrix meaning that products based on apples and carrots can interchangeably be used for fortifications. Concentration adaptions are easy to control as the degradation loss per time in the concentration range 2-5 mmol/kg, is independent of the initial concentration. Increasing temperature in the range 60-80°C, does not have an impact in a real food matrix either. The latter indicates that another factor, probably oxygen, becomes limiting as enhancing the supply of energy does not increase degradation rates anymore. Thus, by heating products at 80°C, the microbial safety margin can be increased while the nutritional value is kept as if heated at 60°C. From literature it is known that degradation at this temperature range only proceeds via the aerobic degradation pathway. It has been shown in the present work that in food products, the oxygen availability decreases down to anaerobic conditions, also near the surface, during heat treatments at 80°C while oxygen in model solutions stays abundant. Hence, the headspace gains in importance during long warm holding of real food products and dynamics of oxygen and ascorbic acid might determine degradation paces. However, oxygen is not alone responsible for the degradation initiation since ascorbic acid in ultrapure water does not degrade at 80°C during 8 h, even if oxygen is abundant during the whole length of time. An additional trigger, as Fe3+ ions or maybe also other constituents in food matrices, must be present. An interaction between oxygen and the trigger might result in the generation of reactive oxygen species that finally deteriorate the vitamin. For complete stabilization of 5-methyltetrahydrofolate, the amount of ascorbic acid is crucial in contrast to the food matrix that is used for supplementation. The protective effect of ascorbic acid is however time-limited even if it remains in excess. The duration of complete stability can be prolonged by increasing the initial ascorbic acid concentration. Heat treatments under real conditions that is when food products are warmed-up by a microwave, an Actifry ® device or held warm by a water bath, lead to minor to negligible vitamin losses. These are good news for the project since the vitamin amount that is added, is preserved during warming-up of products and must not be controlled. The results indicate the complexity of vitamin degradation since the stability depends crucially on the experimental set-up. It can be concluded that predictive modeling should be performed under real conditions. Vitamin C and 5-methyltetrahydrofolate, which are generally referred to be very susceptible to oxygen and heat, are fairly stable under reheating conditions in real food products.

Dans l'industrie sidérurgique, les fours de réchauffage sont les plus grands consommateurs d'énergie après les hauts fourneaux. Réduire leur consommation énergétique est donc la préoccupation majeure de la commande des fours. Dans un four de réchauffage, des brames d'acier sont chauffées en traversant successivement plusieurs zones, de la température ambiante à un profil de température homogène de 1250 °C en sortie du four, avant d’être laminées dans les laminoirs à chaud. La température de brames est contrôlée par une structure de commande hiérarchisée à deux niveaux (niveau 1 et 2).L'objectif de ces travaux est d'améliorer la performance du chauffage et donc de réduire la consommation énergétique du four via une stratégie de commande prédictive distribuée hiérarchisée sur les deux niveaux de commande. Une approche de commande prédictive distribuée est tout d’abord développée pour le niveau 1 afin de suivre les consignes de température de zone, prenant en compte les couplages entre les zones et induisant une moindre complexité d’implantation par rapport à une approche centralisée. L’implantation industrielle a permis une amélioration significative de la précision du suivi de température et une réduction de la consommation d'énergie de 3%. Une deuxième étape propose l’élaboration de la commande prédictive hiérarchisée du niveau 2 afin, à partir de la consigne de température de brame, de déterminer les consignes de température optimales des zones en se fondant sur un modèle de transfert thermique du four. Les résultats de simulation, comparés aux données industrielles, montrent une réduction de la consommation énergétique de 5% et une meilleure qualité de chauffage des brames. L’approche précédente est enfin étendue pour prendre en compte et optimiser le cadencement des brames afin d’augmenter la productivité du four. La simulation montre une augmentation potentielle de productivité du four de 15 tonnes par heure tout en améliorant la qualité de chauffage des brames. / In steel industry, reheating furnaces are the biggest energy consumers after blast furnaces. As a result, reduction of energy consumption is the major concern of furnace control. In a walking-beam slab reheating furnace, steel slabs are heated by moving through successive zones from ambient temperature to a homogenous temperature profile of 1250°C at the furnace exit, to be rolled subsequently in the hot rolling mills. Temperature of slabs is controlled mainly by a two-level hierarchical structure, so called level 1 and level 2.The aim of this thesis is to improve the heating performance and consequently to reduce the energy consumption of the furnace by using hierarchical distributed model predictive control (MPC) strategy for both levels. In a first step, distributed model predictive controllers are developed for the level 1 in order to track zone temperature set-points. The distributed feature of the control law enables to consider coupling effects between zones while reducing the computation complexity compared to a complete centralized approach. The industrial results showed significant improvement on temperature tracking accuracy and an energy consumption reduction of 3%. In a second step, the hierarchical MPC is constructed for the level 2 in order to determine the optimal zones temperature setpoint from the slab temperature setpoint, based on a numerical heat transfer model of the furnace. The simulation results obtained with this strategy compared against industrial data show an energy consumption reduction of 5% and a better heating quality. The previous structure is finally extended to take into account and optimize the scheduling of the slabs within the MPC level 2 in order to increase productivity of the considered furnace. The simulation shows a potential increase of productivity of the furnace of 15 tons per hour while improving the slab heating quality.

Dans l'industrie sidérurgique, les fours de réchauffage sont les plus grands consommateurs d'énergie après les hauts fourneaux. Réduire leur consommation énergétique est donc la préoccupation majeure de la commande des fours. Dans un four de réchauffage, des brames d'acier sont chauffées en traversant successivement plusieurs zones, de la température ambiante à un profil de température homogène de 1250 °C en sortie du four, avant d’être laminées dans les laminoirs à chaud. La température de brames est contrôlée par une structure de commande hiérarchisée à deux niveaux (niveau 1 et 2).L'objectif de ces travaux est d'améliorer la performance du chauffage et donc de réduire la consommation énergétique du four via une stratégie de commande prédictive distribuée hiérarchisée sur les deux niveaux de commande. Une approche de commande prédictive distribuée est tout d’abord développée pour le niveau 1 afin de suivre les consignes de température de zone, prenant en compte les couplages entre les zones et induisant une moindre complexité d’implantation par rapport à une approche centralisée. L’implantation industrielle a permis une amélioration significative de la précision du suivi de température et une réduction de la consommation d'énergie de 3%. Une deuxième étape propose l’élaboration de la commande prédictive hiérarchisée du niveau 2 afin, à partir de la consigne de température de brame, de déterminer les consignes de température optimales des zones en se fondant sur un modèle de transfert thermique du four. Les résultats de simulation, comparés aux données industrielles, montrent une réduction de la consommation énergétique de 5% et une meilleure qualité de chauffage des brames. L’approche précédente est enfin étendue pour prendre en compte et optimiser le cadencement des brames afin d’augmenter la productivité du four. La simulation montre une augmentation potentielle de productivité du four de 15 tonnes par heure tout en améliorant la qualité de chauffage des brames. / In steel industry, reheating furnaces are the biggest energy consumers after blast furnaces. As a result, reduction of energy consumption is the major concern of furnace control. In a walking-beam slab reheating furnace, steel slabs are heated by moving through successive zones from ambient temperature to a homogenous temperature profile of 1250°C at the furnace exit, to be rolled subsequently in the hot rolling mills. Temperature of slabs is controlled mainly by a two-level hierarchical structure, so called level 1 and level 2.The aim of this thesis is to improve the heating performance and consequently to reduce the energy consumption of the furnace by using hierarchical distributed model predictive control (MPC) strategy for both levels. In a first step, distributed model predictive controllers are developed for the level 1 in order to track zone temperature set-points. The distributed feature of the control law enables to consider coupling effects between zones while reducing the computation complexity compared to a complete centralized approach. The industrial results showed significant improvement on temperature tracking accuracy and an energy consumption reduction of 3%. In a second step, the hierarchical MPC is constructed for the level 2 in order to determine the optimal zones temperature setpoint from the slab temperature setpoint, based on a numerical heat transfer model of the furnace. The simulation results obtained with this strategy compared against industrial data show an energy consumption reduction of 5% and a better heating quality. The previous structure is finally extended to take into account and optimize the scheduling of the slabs within the MPC level 2 in order to increase productivity of the considered furnace. The simulation shows a potential increase of productivity of the furnace of 15 tons per hour while improving the slab heating quality.

Ce travail porte sur la modélisation dynamique des fours de réchauffage en continu de la sidérurgie en développant une logique de supervision en ligne. Le premier axe présente l'élaboration d'un modèle dynamique global d'un four de réchauffage où seules l'équation de l'énergie et l'équation de continuité sont appliquées en utilisant et perfectionnant le logiciel THERMETTE du Centre Energétique et Procédés (CEP). Le modèle est applicable à tous les types de fours grâce à l'interface de l'outil SAFIR-4D développé pour la société Stein-Heurtey. A l'aide de cette interface, un four quelconque est décrit et le modèle dynamique est généré automatiquement après avoir calculé les facteurs de transferts radiatifs du four étudié. Les facteurs de transferts sont calculés par la méthode "Damier", méthode de calcul rapide des facteurs de transferts radiatifs développée dans cette thèse, couplée au logiciel MODRAY du CEP. La validation numérique de la méthode "Damier" est effectuée afin d'en démontrer son exactitude avec ce qu'elle apporte comme gain considérable en temps de calcul. La validation expérimentale, basée sur une brame instrumentée circulant dans un four, montre la cohérence du modèle dynamique global mis en place et couplé aux facteurs de transferts radiatifs issus de la méthode "Damier". Les résultats obtenus de températures, de débits de produits et de bilan thermique sont en bon accord avec les mesures. Le second grand axe de ce travail porte sur la supervision en ligne d'un four de réchauffage. Le modèle dynamique développé dans la première partie sert d'analogue de four réel et donc de fournisseur de données pour le fonctionnement en ligne du four. Le travail de supervision est une combinaison d'algorithmes de prévision et d'optimisation. La prévision rapide et en ligne des températures des brames permet d'obtenir les données nécessaires à l'optimisation dont la fonction est de mettre à jour les consignes du four afin de vérifier le critère technico-économique de production. La supervision est ensuite validée en comparant les résultats des tests menés à ceux obtenus lors d'une supervision classique où les consignes des zones ont des valeurs constantes. Les résultats sont satisfaisants du point de vue consommation énergétique et critère de températures sur les différentes brames.