Ce travail porte sur l’élaboration de matériaux nanostructurés et le contrôle de la formation de nanocristaux d’oxyde d’étain dans une matrice de silice amorphe obtenue par voie sol-gel. Préalablement à l’étude structurale et microstructurale des xérogels, une première partie de ces travaux de thèse concerne le procédé sol-gel. Le lavage des gels par des solutions hydro-alcooliques permet d’extraire une quantité importante d’acide chlorhydrique après gélification. Ainsi si les solutions de lavage sont renouvelées, 50 % de l’acide introduit peut être retiré. Ce lavage, associé avec un séchage contrôlé, a également permis de réduire significativement la durée du séchage et d’obtenir des xérogels centimétriques non fissurés.La seconde partie de ce travail a porté sur l’étude structurale et microstructurale des xérogels réalisée au travers de mesures de diffraction des rayons X ex situ ou de diffusion centrale et diffraction des rayons X couplée in situ en fonction de la température sur des lignes de lumière situées autour de sources synchrotrons. Nous avons montré que dans des xérogels contenant 10 % d’étain, la quantité de cristaux nanométriques d'oxyde d'étain peut augmenter continuellement sans que leur taille moyenne ne s’accroisse. La taille moyenne la plus faible est obtenue après un prétraitement thermique de séparation de phases préalable à celui de cristallisation et plus ce traitement est long plus la taille des cristaux est faible. Cette étude a été complétée par des traitements thermiques effectués in situ afin de suivre simultanément la séparation de phases et la cristallisation. Ces mesures ont permis d’observer le phénomène de séparation de phases dans les xérogels contenant 10 % d’étain et dont la quantité cristallisée obtenue lors d’un traitement thermique à 350 °C est la plus importante au regard des autres températures de traitement thermique et des concentrations en étain. / This PhD work deals with the development of nanostructured oxide materials and the control of the formation of tin oxide nanocrystals in an amorphous silica matrix obtained by sol-gel process. Prior to the structural and microstructural study of xerogels, a first part of this work concerns the sol-gel process. Washing the gels with hydroalcoholic solutions allows to extract a significant quantity of hydrochloric acid after gelation. Thus, if the washing solutions are renewed, 50% of the acid introduced can be removed. This washing, combined with improvement of the drying process, allowed to reduce the drying duration and finally to obtain bulk xerogels exhibiting a centimetric size.The second part of this work focuses on the structural and microstructural evolution of xerogels through thermal treatments. The results of this second part are obtained through ex situ measurements of X-ray diffraction or coupled small angle X-ray scattering and X-ray diffraction experiments realized in situ as a function of temperature. In both cases the measurements have been performed on synchrotron beamlines. We show that in xerogels containing 10% tin, the amount of nanosized tin oxide crystals can continuously increases without increasing the average size of these crystals. The lowest average size is obtained after a phase separation thermal pretreatment before crystallization and the longer this treatment is, the smaller the size of the crystals. This study is completed by heat treatments carried out in situ in order to simultaneously evidence phase separation and crystallization. These measurements allow to observe the phenomenon of phase separation by small angle X-ray scattering in xerogels containing 10% tin and whose crystallized quantity obtained during a thermal treatment at 350 °C is the highest compared to other heat treatment temperatures and tin concentrations.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les actinides sont les éléments du tableau périodique compris entre l'actinium et le lawrencium. Tous ces éléments sont radioactifs et peuvent constituer un risque pour la santé d'où l'importance d'en faire la mesure. Leur détermination est cependant ardue, car ces éléments ne sont trouvés dans l'environnement qu'à l'état d'ultra-traces et que leur mesure ne peut se faire que par des instruments hautement sensibles tels que le spectromètre alpha ou 1TCP-MS. Or, ces instruments sont susceptibles à de nombreuses interférences et pour les lever, il est nécessaire de séparer les actinides en fractions distinctes. À cette fin, on utilise principalement la chromatographie d'extraction. Pour que cette technique puisse être efficace, il est nécessaire d'ajuster préalablement les états d'oxydation des actinides, ce qui est complexe dû aux nombreux états d'oxydation que peuvent avoir les actinides en solution de façon simultanée. Dans un premier temps, un rappel des notions concernant les propriétés nucléaires et chimiques des actinides a été fait. Les méthodologies permettant leurs mesures ont été expliquées ainsi que les procédés pour en faire la séparation. Les états d'oxydation de neptunium et plutonium ont d'abord été étudiés pour permettre une meilleure séparation des actinides. Fondée sur ces résultats, une méthode de séparation multidimensionnelle des actinides dans des échantillons environnementaux a été développée. Un aspect important de cette séparation a ensuite été amélioré par la réduction sélective de Np(IV) en Np(III) sur la résine TEVA avec chrome(II). Finalement, la méthode proposée a été automatisée en utilisant un système d'injection pressurisé basé sur un modèle mathématique, ce qui a permis de réduire le nombre d'étapes et la possibilité d'erreurs. L'emploi de cette méthode permettrait de diminuer la contamination des travailleurs à de hauts niveaux de radioactivité.

Dans ce travail, nous avons réussi à améliorer la perméabilité au CO2, ainsi que la sélectivité CO2/CH4 et CO2/N2, de membranes à matrice mixte (MMM) à base de poly(éthylène-bamide) (Pebax MH-1657) en incluant des cadres métalliques-organiques (MOF) et des additifs aromatiques. La première partie des travaux a porté sur l’ajout de MOF de synthèse (MIL-53 et NH2-MIL-53) au Pebax. Les interactions favorables entre les groupes fonctionnels des MOF et du CO2, ainsi que l’absence de défauts morphologiques majeurs, ont conduit à une meilleure performance de séparation du CO2 des membranes. Dans la deuxième partie, une approche différente a été adoptée en étudiant l’effet des acides carboxyliques aromatiques (acide benzoïque et acide isophtalique) sur les membranes planes de Pebax MH-1657. Les groupes fonctionnels carboxyle ont une forte affinité pour le CO2 facilitant le transport du CO2 à travers les membranes conduisant à une sélectivité CO2/CH4 et CO2/N2 plus élevée. Dans la dernière partie, deux MOF isoréticulaires (ZIF-8 et ZIF-67) ont été introduits dans le Pebax MH-1657 pour modifier ses propriétés discriminantes pour le CO2. Le ZIF-67 s’est avéré plus efficace pour faciliter la diffusion du CO2 en raison de sa taille plus appropriée d’ouverture des pores, tandis que le ZIF-8 était meilleur pour améliorer la solubilité du CO2 en raison de fortes interactions électrostatiques avec le CO2. Dans l’ensemble, les résultats obtenus ouvrent la voie au développement de membranes polymères pour la séparation des gaz. / In this work, we improved the CO2 permeability, as well as CO2/CH4 and CO2/N2 selectivity, of mixed matrix membranes (MMM) based on poly(ethylene-b-amide) (PebaxÒ MH-1657) by including metalorganic frameworks (MOF) and aromatic additives. The first part of the work investigated the addition of as-synthesized MOF (MIL-53 and NH2-MIL-53) in PebaxÒ. The favorable interactions between the MOF functional groups and CO2, as well as the absence of major morphological defects, led to improved CO2 separation performance of the membranes. In the second part, a different approach was adopted by studying the effect of aromatic carboxylic acids (benzoic acid and isophthalic acid) on PebaxÒ MH-1657 flat membranes. The carboxyl functional groups have strong affinity for CO2 facilitating the CO2 transport through the membranes leading to higher CO2/CH4 and CO2/N2 selectivity. In the final part, two isoreticular MOF (ZIF-8 and ZIF-67) were introduced in PebaxÒ MH- 1657 to modify its discriminating properties for CO2. ZIF-67 was found to be more effective in facilitating CO2 diffusion due to its more appropriate size of pore aperture, while ZIF-8 was found to improve CO2 solubility due to strong electrostatic interactions with CO2. Overall, the results obtained open the door for further development of polymer membranes for gas separation.

Le fractionnement du jaune d’œuf est une façon judicieuse d’étendre les domaines d’application de cet ingrédient dans les industries alimentaire et nutraceutique. Le but de ce projet a été de mettre au point un fractionnement non-toxique du jaune d’œuf, par centrifugation, dans l’objectif d’obtenir un produit enrichi en extrait naturel de folate. De par sa teneur élevée en cholestérol, le jaune d’œuf a été considéré comme un sous-produit du procédé de séparation des œufs. Cependant, le jaune d'œuf contient aussi une forme précieuse et biodisponible d'acide folique. La dilution du jaune d’œuf et son fractionnement en granules et plasma par une technique de centrifugation (centrifugeuse de laboratoire et à échelle pilote) a permis l’obtention de granules d’une richesse en folate trois fois plus importante que celle du jaune d’œuf natif. Aussi, les granules obtenus ont présenté une concentration protéique deux fois plus élevée que celle du jaune d'œuf natif, et une concentration de lipides et cholestérol trois fois inférieure à celle du jaune d'œuf natif. Les granules sont apparus non solubles et de structure très compacte. Afin d’augmenter encore la concentration en folate, nous avons tenté de remettre les granules en suspension et de les séparer par centrifugation en utilisant des prétraitements tels qu'augmentation de la force ionique et traitements mécaniques (ultrasons puissants et pression hydrostatique élevée). L’application d’ultrasons puissants et l’augmentation de la force ionique n’ont que peu amélioré la concentration en folate. Les granules soumis à une force ionique de 0.15 M de NaCl et un traitement par ultrasons puissants de 10 minutes ont présenté des concentrations de 21 μg de folate / g de granulés. Une augmentation de la force ionique au delà de 0.15 M de NaCl a conduit à une concentration plus faible en folate, du fait de la déformation de la structure des granules et de la séparation de leur fraction soluble. Les observations ont indiqué qu'il pourrait y avoir une association entre la structure protéique des granules et leur contenu en folate. Les variations de solubilité et la modification du réseau structurel des granules par augmentation de la force ionique ont affecté la teneur en folate des structures granulaires. Les granules ont cependant présenté une structure difficilement modifiable sous ultrasons puissants et après augmentation de la force ionique. Le traitement à pression hydrostatique élevée (HHP), technique puissante, a été utilisé pour étudier l'effet des hautes pressions sur la concentration en folate des granules. Après 5 minutes de traitement à 600 MPa, la concentration en folate a été mesurée dans les granules et le plasma, séparé des granules par centrifugation. Le plasma issu des granules contenait des concentrations en folate plus importantes que celles des granules précipités. Une analyse SDS-PAGE a permis de vérifier le profil protéique des granules sous l'effet du traitement HHP. Il est intéressant de noter que pour le plasma séparé des granules après traitement à haute pression, les migrations sur gel SDS-PAGE présentaient une bande protéique principale correspondant à la phosvitine. Les résultats de notre étude nous ont encouragés à proposer un modèle schématique de la structure des granules. Ces granules contiennent des HDL, LDL et phosvitine, et conservent le contenu total en folate du jaune d’œuf. Les protéines des granules sont principalement phosphorylées et il existe une forte liaison entre les apoprotéines de HDL et la phosvitine du fait de ponts de phosphate de calcium. Des traitements mécaniques ont libérés des particules de LDL qui pourraient être piégées dans le réseau structurel des granules. Les interconnexions entre les apoprotéines de HDL, la phosvitine et le folate pourraient se faire par des ions calcium. Nos résultats mettent en évidence le potentiel du procédé afin de produire un concentré riche en folate à partir des jaune d’œuf. Cependant, d’autres travaux seront nécessaires afin de trouver des utilisations aux co-produits (plasma) et rendre le procédé viable à l’échelle commerciale. / Fractionation of egg yolk is a smart way to expand the application of egg yolk ingredient in food and nutraceutical industry. The goal of this project was to develop non-toxic fractionation process of egg yolk by using centrifugation in order to prepare a natural folate-enriched extract. The egg yolk has been considered as a by-product of egg separation process due to its high cholesterol content. However, egg yolk contains valuable and bioavailable form of folate. Dilution of egg yolk and its fractionation into granule and plasma by centrifugation technique (lab- and pilot-scale centrifuge) resulted in separation of a granule fraction being rich in folate which was 3 fold higher than native egg yolk. This granule fraction was also characterized by high protein concentration (2 fold higher than protein content of yolk) and lower lipid and cholesterol (3 fold) content compared to non-treated egg yolk. The granule fraction appeared to be non-soluble with a very compact structure. By using the pre-treatments techniques such as increasing ionic strength and mechanical treatments (ultrasound and high hydrostatic processes), we attempted to re-suspend granules and separate them by centrifugation in order to further increase folate concentration. Results demonstrated that ultrasound and increased ionic strength did not largely change folate concentration. At ionic strength 0.15 M NaCl and after 10 min of ultrasound treatment granule contained 21 μg folate/g granules. By increasing ionic strength higher than 0.15 M NaCl the folate concentration was lower in granule due to the disruption of granule structure and separation of soluble fraction of granule. The observations denoted that there might be association between granular protein structure and folate content. Changes in solubility and disruption of granule network structure by increasing ionic strength affected folate content of granule structure. However, granules appeared to have very stable structure under the ultrasound and after increasing ionic strength, and their modifications were not easily possible. The high hydrostatic pressure processing (HHP) was used as an innovative and powerful technique in order to study the effect of high and drastic pressure on the concentration of folate in granules. After 5 min of 600 MPa HHP treatments, the folate concentration was measured in granule and separated plasma from granule after centrifugation. Plasma from granule contained higher concentration of folate compared to the precipitated granule. SDS-PAGE analysis was used in order to verify the granule protein profiles as a function of HHP treatment. Interestingly, the plasma separated from granule after HHP treatment contained phosvitin as a leading protein band separate in SDS-PAGE gel. The results of our study allowed proposing a schematic model for the granule structure which contains HDLs, phosvitin and LDLs. Beside; granule contains large amount of folate. Proteins of granule are mostly phosphorylated and strong connection between apoproteins of HDLs and phosvitin exists through calcium phosphate bridges. LDL particles were liberated through mechanical treatments and might be entrapped in the granular network. The interconnection between the apoproteins of HDLs, phosvitin and folate could be through calcium ions. Our results provided highly promising evidences concerning the recovery of high-concentration folate extract from hen egg yolk. Our fractionation technique is also clean but it generates plasma as co-product that is still usable in food formulation. Such applications still need to be developed before the technology can be viable at commercial scale.

La lactoferrine est une protéine du lactosérum, capable de lier le fer. Elle a des propriétés biologiques importantes lui conférant de l'intérêt comme ingrédient dans les aliments fonctionnels et les nutraceutiques. Le but de ce travail était d'étudier la capacité du procédé d'électrodialyse avec membrane d'ultrafiltration (EDUF) à séparer la lactoferrine bovine à partir du lactosérum. Pour ce faire, la mobilité électrophorétique de la lactoferrine a été étudiée en fonction du pH. La mobilité électrophorétique de la LF a été optimale à pH3. Ensuite, nous avons démontré la faisabilité de la séparation de la lactoferrine par EDUF à partir d'une solution modèle: un taux de migration de 46% a été obtenu. Finalement, l'EDUF a été appliquée sur du lactosérum enrichi, en testant les pH 3, 4 et 5. Le plus haut taux de migration de la lactoferrine a été obtenu à pH3 avec 15% de migration.

Une des thérapies cellulaires pour le traitement de la Dystrophie Musculaire de Duchenne consiste à greffer aux patients des myoblastes provenant de donneurs sains. Ces myoblastes doivent être cultivées dans un milieu contenant du sérum fœtal bovin (FBS), or, cet additif n'est pas souhaitable dans le cadre d'une thérapie cellulaire. En effet, la présence de FBS dans le milieu de culture présente un problème de sécurité pour la santé humaine. Par ailleurs, les protéines qui composent le FBS sont très nombreuses et se trouvent dans des proportions extrêmement déséquilibrées. Identifier les protéines responsables de l’activité du FBS constitue donc un défi de taille. L’objectif global de ce projet est de mettre au point une série de méthodes de fractionnement de fluides biologiques, le FBS et le colostrum bovin, dans l’espoir de découvrir des fractions définies stimulant la croissance des myoblastes. Dans cette étude, les procédures de fractionnement du FBS choisies sont de trois types: l’électrodialyse sur membrane d’ultrafiltration, ainsi que deux méthodes affinitaires. D’autre part, du colostrum bovin dénommé, LP1.5, provenant de la société Métanature, a été testé pour son effet sur la prolifération des myoblastes. Les résultats montrent que le fractionnement du FBS a été réalisé avec succès. Néanmoins, les fractions obtenues n’ont pas montré d’effet significatif sur la croissance des myoblastes. En ce qui concerne les travaux avec le colostrum bovin, les fractions obtenues ont montré un effet stimulant sur la croissance des myoblastes, en présence d’une concentration réduite en FBS.

La microfiltration (MF) du lait écrémé permet de séparer les caséines (CN) des protéines sériques (PS) pour la production d’ingrédients laitiers. Réalisée majoritairement à l’aide de membranes céramiques à gradient de perméabilité (MCGP), peu d’études s’intéressent à l’utilisation de membranes polymériques spiralées (MPS). Ainsi, ce projet avait pour objectifs de caractériser les performances hydrauliques et séparatives de MPS et de quantifier leur encrassement et consommation énergétique. La MF a été réalisée à 50°C en recirculation totale avec des MPS de diamètre de pores (DP) de 0,1 et 0,2 μm. Il a été démontré que bien que les flux de perméation soient similaires, des pertes en CN sont observées dans le perméat avec la MPS 0,2 μm. Ainsi, la MPS 0,1 μm a été sélectionnée pour des essais de concentration-diafiltration jusqu’à un facteur de concentration de 3.0X afin de comparer les résultats à ceux d’une MCGP. Il a été démontré que la MPS 0,1 µm générait des flux de perméation 3,5 fois inférieurs que la MCGP, mais permettait de retenir davantage de PS tout en étant 5 fois moins énergivore. Suite à ces résultats, les performances de la MPS 0,1 µm ont été comparées à celles d’une membrane d’ultrafiltration (UF) au seuil de coupure de 10 kDa. Il a été démontré que les flux de perméation de la MPS 0,1 μm étaient supérieurs à ceux de la membrane d’UF et que la rétention des protéines totales est relativement similaire. Par conséquent, l’utilisation de la MPS 0,1 µm s’avère intéressante pour la concentration des CN, tout en permettant une sélectivité similaire des protéines et des performances hydrauliques supérieures par rapport à la membrane d’UF (10 kDa). Ces résultats permettent aux industriels d’effectuer un choix technologique en MF entre les MPS et les MCGP, mais ouvre également la possibilité de substituer l’UF 10 kDa par la MF 0,1 µm pour la préparation de concentrés protéiques pour la fromagerie. / Microfiltration (MF) of skim milk makes it possible to separate the caseins (CN) from the serum proteins (SP) for the production of dairy ingredients. Generally performed with graded-permeability membranes (CGP), few studies have focused on the use of polymeric spiral-wound (PSW) membranes. The objective of this project was to characterize the hydraulic and separative performances of PSW and to quantify their fouling and energy consumption. The MF was carried out at 50°C in total recirculation mode with PSW with a pore diameter (DP) of 0.1 and 0.2 μm. It has been shown even if permeate fluxes are similar, a drastic CN loss was observed in the permeate during MF with PSW membranes of 0.2 μm DP. Thus, 0.1-μm PSW was selected for concentration-diafiltration steps up to a concentration factor of 3.0X in order to compare the results with that of a MCGP. It has been demonstrated that 0.1-μm PSW had permeation fluxes 3.5 times lower than CGP but increased rejection of SP while consuming 5 times less energy. Following these results, the performances of the 0.1 μm MPS were compared with those of an ultrafiltration membrane (UF) with a cutoff threshold of 10 kDa. It has been demonstrated that the permeation fluxes of the 0.1-μm MPS are greater than those of the UF membrane and that the retention of the total proteins is relatively similar. Following these results, the performances of the 0.1-μm PSW were compared with those of a 10 kDa ultrafiltration membrane (UF), demonstrating that permeate fluxes of the 0.1-μm PSW were higher compared to the UF membrane while total protein rejection was relatively similar. Consequently, the use of 0.1 μm MPS proves to be advantageous for CN concentration, while allowing a similar selectivity of the proteins and higher hydraulic performances compared to the UF membrane (10 kDa). These results enable manufacturers to make a technological choice in MF between MPS and MCGP, but also opens the possibility to substitute the 10 kDa UF by the 0.1 μm MF in the preparation of milk protein concentrates for cheese milk standardisation.

Ce travail avait pour but d’étudier le fractionnement par nanofiltration (NF) des peptides contenus dans un hydrolysat trypsique de β-lactoglobuline (β-LG), d’une part en déterminant comment le fractionnement des peptides de l’hydrolysat enzymatique total est influencé par les phénomènes de polarisation de concentration et de colmatage et, d’autre part, en vérifiant s’il est possible d’accentuer le fractionnement de ces peptides par l’application d’un champ électrique en cours de filtration, procédé appelé électrofiltration (EF). Les résultats ont montré que le phénomène de polarisation des peptides peut être utilisé favorablement afin d’augmenter la transmission sélective des peptides cationiques (pI basique) dans le perméat durant la NF d’un hydrolysat trypsique de β-LG à pH basique. Dans ces conditions, la résistance hydraulique associée au colmatage des membranes est généralement restreinte. Cependant, bien que limité, le phénomène de colmatage par les peptides trypsiques de β-LG modifie les propriétés de rétention stérique et électrostatiques d’une membrane. Les interactions peptides-membrane et la nature des peptides conduisant au colmatage varient en fonction du pH. Certaines séquences spécifiques semblent jouer un rôle prépondérant dans le processus de colmatage des membranes. Quant au module expérimental d’EF développé dans le cadre de ce travail, celui-ci a permis d’augmenter de façon importante la séparation des peptides cationiques, comparativement à la NF conventionnelle. / The purpose of this work was to study the peptide fractionation of a tryptic β-lactoglobulin (β-LG) hydrolysate using nanofiltration (NF). More specifically this thesis aimed at determining how the fractionation process was influenced by concentration polarization and fouling, and next, to show if it was possible to increase peptide fractionation by applying an electric field during NF, a process called electrofiltration (EF). The results showed that the polarization of peptides can be used favorably to increase the selective transmission of cationic peptides (basic pI) in the permeate during NF of the tryptic β-LG hydrolysate at basic pH. Under these conditions, the hydraulic resistance associated with fouling of the NF membrane is generally restricted. However, although limited, fouling by tryptic β-LG peptides modify both the sieving and electrostatic properties of the membrane. Peptide-membrane interactions and the nature of interacting peptides vary according to the pH. In this regard, some specific peptides seem to be prevailing in the membrane fouling process. Regarding EF, the purpose-built module developped during this work allowed to increase the separation of cationic peptides, as compared to conventional NF.

Dans le cadre de l'apprentissage automatique supervisé, un des outils disponibles pour la classification binaire est la Set Covering Machine (SCM). Rapidement construite et en général très performante, elle n'est cependant pas systématiquement infaillible. Il existe encore, à ce jour, une marge pour une amélioration. Ce mémoire présente deux nouvelles façons de construire des SCM. Ces algorithmes sont décrits, expliqués et leur performance est analysée. La première façon est de minimiser une approximation d'une borne sur le risque à l'aide d'un branch-and-bound. La deuxième est d'utiliser le bagging. Lors des tests, les nouveaux classificateurs se sont montrés aussi performants que les SCM originales. Nous avons découvert que celles-ci sont soit déjà optimales au sens du critère utilisé pour le branch-and-bound, soit aussi performantes que les SCM optimales. / In the supervised machine learning field, one of the available tools for binary classification is the Set Covering Machine (SCM). Quickly built and generally having high performance, it's however not proven that they always give optimal results. There is still, to date, a margin for improvement. This study presents two new ways of building SCM. Theses algorithms are described, explained and their performance is analyzed. The first way is to minimize an approximated bound on the risk with a branch-and-bound. The second is using bagging. The new classifiers had the same test-set performance than the original SCM. We discovered that the latter are either already optimal according to the branch-and-bound criterion or having the same performance as the optimal SCM.