Le travail de thèse porte sur l'utilisation des réseaux d’eau potable intelligents pour la détection des fuites. Il s’inscrit dans le cadre du projet SunRise qui vise à transformer la Cité Scientifique de l’Université de Lille en une ville intelligente et durable. Le campus représente une petite ville de 25000 habitants. Ce travail fait également partie du projet européen SmartWater4Europe, qui vise à développer 4 démonstrateurs des réseaux d’eau intelligents. Le travail comporte 5 parties. La première partie comprend une étude bibliographique sur les technologies pour la détection des fuites. La deuxième partie présente le démonstrateur SunRise Smart City, qui sert de support pour cette thèse. Cette partie détaille les instrumentations installées dans le site et les tests de simulation des fuites pour analyser l’efficacité d’un système acoustique de détection des fuites. La troisième partie comporte une analyse de consommation d’eau à différentes échelles pour les sous-compteurs et les compteurs généraux. Cette analyse est menée à l’aide d’une plateforme développée pour faciliter l’agrégation et l’interprétation des données. Cette partie présente aussi les fuites majeures en 2015. La quatrième partie concerne la détection des fuites en se basant sur le bilan d’eau. Elle présente aussi la stratégie du Contrôle Actif des Fuites (CAF) appliquée sur le site afin de réduire le niveau de l’Eau Non-Vendue (ENV). La dernière partie comporte l’application des méthodes avancées pour la détection des fuites. Ces méthodes comprennent l’approche CFPD ‘Comparison of Flow Pattern Distribution’, la méthode du Débit Nocturne Minimal (DNM) et deux approches statistiques développées. / This work concerns the use of the Smart Water Technology for the detection of water leakage. It is a part of SunRise project which aims at turning the Scientific Campus of the University of Lille into a large scale demonstrator site of the "Smart and Sustainable City". The campus is representative to a small town of 25000 inhabitants. This work is also a part of the European Project SmartWater4 Europe, which aims to develop 4 demonstrators of the Smart Water Technology. This thesis includes five parts. The first part includes a literature review concerning the technologies used in leakage detection. The second part presents the SunRise Smart City demonstrator, which is used as a basis for this thesis. This section details the instrumentation installed in the demo site as well as leak simulations tests to analyze the efficiency of an acoustic system of leakage detection. The third part focuses on the analysis of the water consumption at different time scales. Analysis concerns both sub-meters and bulk meters. It is conducted using a platform for the aggregation and the interpretation of the data. This part presents also major leakage events in 2015. The fourth part concerns leak detection using the water balance calculation based on the top down and bottom up approaches. It also presents the Active Leakage Control (ALC) strategy applied to the demo site in order to reduce the level of Non-Revenue Water (NRW). The last part concerns the use of advanced methods for leak detection with application on the campus data. These methods include the Comparison of Flow Pattern Distribution Method (CFPD), the Minimum Night Flow (MNF) method and two developed statistical approaches.

Ce document présente le travail effectué et les résultats obtenus dans le cadre d'un projet visant à associer une technique nouvellement développée, le suivi des biomarqueurs endogènes permettant l'estimation de la concentration cellulaire de cultures végétales en suspensions, à un modèle mathématique décrivant l'évolution de ces cultures en fonction de la consommation des différents nutriments disponibles. Cette association permet d'obtenir une estimation des conditions de cultures cellulaires en temps réel dont la mesure ne peut actuellement être effectuée que par échantillonnages. Les temps d'expériences requis pour obtenir les mesures sont toutefois trop longs pour pouvoir effectuer un contrôle des conditions de cultures advenant une déviation du procédé. L'intérêt de ce projet se situe à deux endroits. Premièrement, la simplicité, la rapidité et l'efficacité de la technique de suivi des biomarqueurs endogènes permet le suivi en temps réel de la quantité de cellules lors de la culture (concentration cellulaire et biomasse). Or, en raison des particularités des cultures de cellules végétales, en particulier l'agglomération cellulaire, il est très difficile d'obtenir une estimation fiable de la concentration cellulaire. Présentement, il n'existe pas de technique commercialement disponible pour effectuer ce suivi. D'où l'intérêt de la méthode des biomarqueurs endogènes. Ensuite, l'association de ces mesures avec un modèle mathématique permet d'obtenir un outil décrivant l'évolution de la culture et de variables importantes qui l'influencent. Le modèle étant indépendant de la technique des biomarqueurs endogènes, il est possible de suivre un grand éventail de procédés et de variables en suivant la même méthodologie, en modifiant le modèle utilisé. Ce projet utilise un cas précis, la culture d'Arabidopsis thaliana dans un milieu standard avec un modèle relativement simple. Cependant, la même démarche peut être appliquée pour d'autres systèmes avec d'autres types d'organismes. Le travail présenté ici ouvre donc la voie à une meilleure compréhension des cultures cellulaires en générale et pourrait permettre l'optimisation de procédés jusqu'ici difficilement contrôlables dû au manque d'information disponible.

Créer des surfaces spécifiques apparaît comme un enjeu majeur de la chimie actuelle. La formation de monocouches auto-assemblées (SAMs) à partir de dérivés soufrés est l’une des stratégies pour modifier des surfaces d’or. A ce jour, le mécanisme de formation des SAMs sur or n’est toujours pas élucidé.Une nouvelle approche de formation de SAMs par voie électrochimique a récemment été développée, avec la possibilité de suivre in-situ en temps réel la chimisorption de dérivés soufrés, notamment avec un cycle dithiolane. Contrairement aux méthodes standards d’adsorption par simple immersion, cette approche par polarisation de l’électrode tend à faciliter la chimisorption (cinétique, reproductibilité …). L’excellente résolution temporelle du suivi cinétique conjuguée à une bonne reproductibilité met en évidence un mécanisme d’adsorption via un phénomène de nucléation-croissance. Déjà identifié pour la formation de SAMs en phase gazeuse, il n’a jamais été clairement établi en phase liquide. L’utilisation de cette méthode a également permis l'élaboration de monocouches mixtes binaires de manière contrôlée et prédictible. En se basant sur les constantes d’affinité, nous avons pu réaliser des SAMs dont les proportions en surface reflétaient celles en solution. Ce résultat majeur laisse entrevoir des applications en particulier pour l’étude de systèmes enzymatiques sur surface.Enfin, afin de mieux cerner les facteurs clés régissant le mécanisme de formation, une étude systématique en fonction de la nature du groupe d’ancrage a permis de souligner le rôle crucial de celui-ci concernant aussi bien la cinétique d’adsorption que la stabilité de la monocouche. / Create specific surfaces appears as a major issue in chemistry. The formation of self-assembled monolayers (SAMs) using sulfur derivatives is one of the most commonly used strategy to modify gold surfaces. Nowadays, the formation mechanism of self-assembled monolayers (SAMs) on gold is still investigated.A new electrochemical approach for SAMs formation has recently been developed allowing an in situ and real time monitoring of the chemisorption of various sulfur compounds including dithiolane derivatives. Unlike standard adsorption methods which consist in a simple immersion, this approach tends to facilitate the chemisorption by polarizing the electrode. The high temporal resolution coupled to this good reproducibility highlight an adsorption mechanism which proceeds by a nucleation-growth process. This type of mechanism, already identified for the SAMs formation in the gas phase, has never been reported in the liquid phase.In addition, this method allows the preparation of binary mixed monolayers in a controlled and predictable manner. Knowing the affinity constants, it is possible to produce SAMs whose surface proportions reflect those in solution.Finally, to better understand the key factors governing the SAMs formation mechanism, a systematic study depending on the nature of the anchoring group has highlighted a significant difference between the different anchoring groups for the kinetics as well as for the stability of the monolayer.

Dans leur grande majorité les techniques d'estimation et de contrôle basées sur la vision s'appuient sur l'extraction d'informations géométriques dans les images. L'objectif de cette thèse est de développer une nouvelle approche exploitant directement l'intensité des pixels dans l'image en s'affranchissant de l'étape d'extraction de ces informations. Nous espèrons montrer que le fait d'utiliser toute l'information contenue dans l'image permet en outre d'augmenter la précision et le domaine d'application. Dans ce but, nous proposons un modèle générique de transformation prenant à la fois en compte les aspects géométriques et photométriques que l'on associe à une méthode efficace d'optimisation pour le recalage d'images, qui est valide pour des modes d'acquisition variés (incluant les images couleurs) et pour des classes d'objets rigides ou déformables. En particulier, le nouveau modèle photométrique assure une robustes aux variations d'éclairage quelconques, et il est indépendants des attributs des objets et des caractéristiques de la caméra. Ce cadre méthodologique est formulé, dans le cas d'un modèle sténopé, à la fois dans le cas calibré et non calibré, les différences portant principalement sur la nature de la paramétrisation choisie. Une méthode robuste de suivi visuel est proposée permettant le recalage d'une image de référence tout au long de la séquence. A partir des paramètres estimés liant l'image de référence à l'image courante, nous proposons une nouvelle stratégie d'asservissement visuel permettant de contrôler les six degrés de liberté du mouvement de la caméra pour l'amener dans la pose où a été acquise l'image de référence. Cette nouvelle approche ne nécessite pas de connaissance précise sur les paramètres de la caméra ni sur la géométrie de l'objet observé, permettant ainsi d'obtenir une méthode générique et fiable. Dans le cas de l'utilisation d'une caméra calibrée, la méthode de suivi robuste permet d'accéder directement à la pose de la caméra et à la structure géométrique de la scène. Elle peut donc être appliquée pour proposer une nouvelle solution au problème de SLAM (Simultaneous Localization and Mapping) visuel. Enfin, nous présentons une méthode d'asservissement visuel intégrant directement les estimées fournies par la méthode de suivi et permettant ainsi la navigation autonome de robot dans un environnement inconnu a priori. Les méthodes développées tout au long de cette thèse ont été confrontées aux approches classiques de la littérature, et ont montré des avantages certains. Elles ont également été testée en condition réelle sur des séquences caractéristiques de différentes applications et dans des conditions variées. Les conditions et compromis à faire pour obtenir performances temps réel et précision, sont également discutés dans le document.

Détection et quantification de bactéries à faible taux par SPRi Résumé: Le protocole standard pour le diagnostic des bactéries dans le domaine médical et agro-alimentaire reste la culture microbienne, qui prend plusieurs jours pour identifier l'agent pathogène. Cependant, ces temps de latence ne sont pas compatibles avec l'urgence d'analyser rapidement la présence de bactéries pathogènes. Il ya un besoin croissant de vouloir développer de nouveaux outils pour identifier les bactéries pathogènes en un temps plus court. Afin atteindre cet objectif, la technologie de l'imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRi) a été utilisée avec succès pour la détection spécifique durant leur croissance des populations bactériennes en utilisant des protéines et/ou des anticorps comme molécule de bio reconnaissance des surfaces bactériennes. Ainsi, la détection spécifique de un à plusieurs milliers de pathogènes/ml peut être réalisé en quelques heures seulement. Dans le présent travail, plusieurs souches bactériennes ont été utilisées comme modèle : Streptococcus pneumoniae R6, Escherichia coli K12 ; ainsi que des agents pathogènes réels (Salmonella enteritidis) apportant la preuve que cette méthode peut être élargie à d'autres souches. Les résultats peuvent être quantitatifs par l'établissement d'une courbe d'étalonnage, permettant ainsi de remonter à la concentration initiale d'un échantillon contaminé. La stratégie développée au cours de ce travail se base sur le couplage simultané de la culture bactérienne et de la détection/identification spécifique, en utilisant l'imagerie SPR. Mots clés en français : Imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi), Streptococcus pneumoniae, E.coli K12, Salmonella enteritidis, croissance bactérienne, interactions, détection, capture, diagnostic, agro-alimentaire, pathogènes.

Les bioprocédés industriels mettant en œuvre la culture de cellules animales sont devenus incontournables pour la production d’anticorps monoclonaux (AcM). Cependant, l'état physiologique des cellules et la qualité des AcM produits, en particulier leur glycosylation, sont tributaires des variations intervenant au cours du procédé. Il en découle des risques d'altération de l'efficacité et de la sûreté des AcM. C'est pourquoi, depuis quelques années, l'initiative Process Analytical Technology (PAT) encourage le développement du suivi en ligne de ces procédés, avec l'objectif de mieux les maîtriser et d'assurer la qualité finale des produits. Dans ce contexte, cette thèse propose des approches innovantes pour le suivi en ligne de procédés de culture de cellules CHO (Chinese Hamster Ovary) en bioréacteur, basées sur l'utilisation de trois types de spectroscopies in situ (diélectrique, Raman, proche infrarouge(NIR)). Le premier chapitre présente une nouvelle démarche permettant de prédire en temps réel l'état physiologique des cellules, au travers de la vitesse spécifique de croissance cellulaire (μ). A partir de la mesure en ligne de la permittivité grâce à la spectroscopie diélectrique, la µ a été calculée en temps réel, permettant de détecter le moment critique correspondant au moment où μ diminue. Comparée à une démarche hors ligne, l'utilisation de cette méthode pour le pilotage de cultures en mode recharge-récolte, permet d’assurer à la fois la quantité et la qualité de glycosylation des AcM. Le second chapitre aborde l'utilisation des spectroscopies NIR et Raman in situ combinées à des méthodes chimiométriques. Les performances de ces deux spectroscopies ont été comparées en parallèle. Des modèles en ligne ont été développés pour prédire la concentration de différents paramètres (cellules viables, glucose, lactate, glutamine, ions ammonium, anticorps). L'évaluation de ces modèles par facteurs de mérite (FOM), a révélé certains avantages de la spectroscopie Raman. La combinaison de ces deux spectroscopies par diverses stratégies de fusion de données a été également évaluée. Dans le troisième chapitre, l'intérêt de la spectroscopie Raman a été démontré pour le suivi en ligne, non seulement, de la concentration, mais aussi, de la glycosylation des AcM. Des modèles ont été développés pour la prédiction en ligne, à la fois, de la macro-hétérogénéité (sites de glycosylation), et de la micro-hétérogénéité (structures glycanniques) de la glycosylation des AcM dans le cas de cultures en mode discontinu et recharge-récolte. Le dernier chapitre a utilisé les spectroscopies NIR et diélectrique, en les intégrant à un « capteur logiciel » combinant des équations de bilans de matière. Ce « capteur logiciel », mis en œuvre au cours d'une culture en mode semi-continu pour le contrôle automatique du débit d'alimentation, a conduit à une augmentation de la productivité du procédé ainsi qu'à une meilleure glycosylation des AcM produits / Bioprocesses of mammalian cell culture have become essential for the production of therapeutic recombinant proteins, such as monoclonal antibodies (mAb). However, the physiological state of the cells and the quality of the mAb produced, in particular their glycosylation, may vary during the process, and may lead to the alteration of the safety and efficacy of the final product. Consequently, the Process Analytical Technology (PAT) initiative has encouraged the development of online monitoring techniques, with the aim to better control the process and ensure the quality of the final product. In this context, this thesis proposes innovative approaches for online monitoring of CHO (Chinese Hamster Ovary) cells bioreactor cultures, by using three types of in situ spectroscopic measurements (dielectric, Raman, near infrared (NIR)). The first chapter presents a novel approach to predict in real-time one of the major cell physiological state parameters, the specific growth rate (µ). Based on online permittivity measured by in situ dielectric spectroscopy, the cell concentration was estimated and µ was calculated in real-time, making possible to detect the critical moment when µ begins to decrease significantly. Compared to an offline approach, this online approach allowed to maintain the cells in a stable physiological state, ensuring the glycosylation of the mAb produced in feed-harvest cultures. The second chapter shows the use of in situ NIR and Raman spectroscopies combined with chemometric methods. For the first time, the performances of these two spectroscopies were compared in parallel in the same cultures. Online models were developed to predict in real-time the concentration of different parameters (viable cells, glucose, lactate, glutamine, ammonium ions and antibodies). The evaluation of these models by the multivariate Figures of Merit (FOM) revealed some of the advantages of Raman spectroscopy. The combination of the two spectroscopies by various data fusion strategies has also been evaluated. In the third chapter, the interest of Raman spectroscopy for the online monitoring of both the quantity and the glycosylation of the mAb was demonstrated. Models were developed for online prediction of both macroheterogeneity (glycosylation site occupancy) and microheterogeneity (glycan structures) of mAb glycosylation in batch and feed-harvest cultures. The last chapter used models previously developed for NIR and dielectric spectroscopies, to integrate into a “soft sensor” by combining with cell metabolic and mass balance equations. This “soft sensor”, implemented in a fed-batch cell culture for the automatic control of the feed rate, leads to an increased mAb productivity and better mAb glycosylation

Détection et quantification de bactéries à faible taux par SPRi Résumé: Le protocole standard pour le diagnostic des bactéries dans le domaine médical et agro-alimentaire reste la culture microbienne, qui prend plusieurs jours pour identifier l'agent pathogène. Cependant, ces temps de latence ne sont pas compatibles avec l'urgence d'analyser rapidement la présence de bactéries pathogènes. Il ya un besoin croissant de vouloir développer de nouveaux outils pour identifier les bactéries pathogènes en un temps plus court. Afin atteindre cet objectif, la technologie de l'imagerie par Résonance des Plasmons de Surface (SPRi) a été utilisée avec succès pour la détection spécifique durant leur croissance des populations bactériennes en utilisant des protéines et/ou des anticorps comme molécule de bio reconnaissance des surfaces bactériennes. Ainsi, la détection spécifique de un à plusieurs milliers de pathogènes/ml peut être réalisé en quelques heures seulement. Dans le présent travail, plusieurs souches bactériennes ont été utilisées comme modèle : Streptococcus pneumoniae R6, Escherichia coli K12 ; ainsi que des agents pathogènes réels (Salmonella enteritidis) apportant la preuve que cette méthode peut être élargie à d'autres souches. Les résultats peuvent être quantitatifs par l'établissement d'une courbe d'étalonnage, permettant ainsi de remonter à la concentration initiale d'un échantillon contaminé. La stratégie développée au cours de ce travail se base sur le couplage simultané de la culture bactérienne et de la détection/identification spécifique, en utilisant l'imagerie SPR. Mots clés en français : Imagerie par résonance plasmonique de surface (SPRi), Streptococcus pneumoniae, E.coli K12, Salmonella enteritidis, croissance bactérienne, interactions, détection, capture, diagnostic, agro-alimentaire, pathogènes. / Low Level Bacteria Detection and Quantification using SPRi Abstract: The standard protocol for bacterial diagnosis in the medical and agronomic fields remains microbial culture, which takes several days to identify the pathogen. However, these time lags are not compatible with the urgency to rapidly analyse the presence of pathogenic bacteria. There is a strong need to develop new tools for identifying pathogenic bacteria in a shorter time. To achieve this goal, Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi) technology has been successfully used for the specific detection of bacterial populations during their growth, using proteins and/or antibodies as bio-recognition molecules targeting bacterial surfaces. Thus, the specific detection of one to thousand pathogens/ml could be achieved within few hours. Several bacterial strains were used as models in this work: Streptococcus pneumoniae R6, Escherichia coli K12, as well as a real pathogen (Salmonella enteritidis) providing the proof that this method can be enlarged to other strains. The results can be quantitative by establishing a calibration curve, allowing extrapolation of the initial concentration of a contaminated sample. The strategy developed in this work, is based on the simultaneous coupling of the bacterial enrichment with the specific detection and identification, using the SPR imaging technique. Mots clés en anglais : Surface Plasmon Resonance imaging (SPRi), Streptococcus pneumoniae, E.coli K12, Salmonella enteritidis, bacterial growth, interactions, detection, capture, diagnosis, agri-food, pathogens.

Dans son ensemble, les techniques de pointe actuelles procurent l'information nécessaire à une analyse approfondie de la cellule, ce qui nécessite cependant l’utilisation d’instruments et de plateformes analytiques différentes. Les biopuces à cellule permettent l’analyse des cellules vivantes en temps réel et constituent donc un outil important pour de nombreuses applications dans la recherche biomédicale telles que la toxicologie et la pharmaceutique.En effet, le suivi en temps réel de la réponse non-seulement physique mais aussi chimique des cellules, obtenue suite à des stimuli externes spécifiques et en utilisant un système d'imagerie cellulaire, peut fournir une meilleure compréhension des mécanismes et des voies de signalisation impliquées dans la réaction toxicologique.Le développement de tels dispositifs multianalytiques pour l'analyse biologique repose essentiellement sur la capacité de produire des surfaces fonctionnelles de pointe permettant une interaction et organisation contrôlée des cellules et d'autres entités telles que par exemple des anticorps ou des nanoparticules. Par conséquent, un grand effort technologique repose sur le développement des techniques permettant la création de motifs fonctionnels sur une surface de nature souvent inerte. Dans cette thèse, nous proposons deux techniques de micro- et nanofabrication permettant la création de motifs de cellules et d’anticorps sur un revêtement non-adhésif composé de poly (oxyde d'éthylène) (« PEO-like ») déposé par plasma. La première approche consiste à immobiliser par physisorption un micro-réseau de molécules adhésives de la matrice extracellulaire (par exemple la fibronectine) en utilisant des techniques d’impression par microcontact et par non-contact. La deuxième approche permet la création de motifs adhésifs sur la surface constitués de nanoparticules d'or (Au NPs) en utilisant des techniques d’impression similaire. L'immobilisation des Au NPs sur le revêtement « PEO-like » ne nécessite pas de modifications chimiques et est réalisé par une technique d'autoassemblage simple et irréversible. Ces surfaces d'or nanostructurées ont été testées pour l’analyse du phénomène de reconnaissance biomoléculaire et en tant que plateforme de culture cellulaire. Finalement, cette plateforme a été intégrée à un microscope plasmonique qui a permis, de façon préliminaire, la surveillance et la visualisation de la motilité d’une cellule unique, cela en temps réel et sans marquage, ainsi que la détection spécifique et sensible de protéines tests / State of the art techniques give as a whole the required information needed for the complete cell analysis but require different instruments and different types of platforms. The concept of cells on-a-chip allowing real-time analysis of living cells is, therefore, an important tool for many biomedical research applications such as toxicology and drug discovery. Monitoring in real-time the physical but also chemical response of live cells to specific external stimuli using live-cell imaging can provide a better understanding of the mechanisms and pathways involved in the toxicological reaction. The development of such multianalytical devices for biological analysis relies essentially on the ability to design advanced functional surfaces enabling a controlled interaction and organisation of cells and other nanostructures (e.g antibodies and nanoparticles). Therefore, a large technological effort is related on the development of advanced patterning techniques. In this thesis, we propose two simple and direct micro- and nano-fabrication techniques enabling the creation of cellular and sensing patterns on a non-adhesive and cell repellent plasma-deposited poly (ethyleneoxide) (PEO-like) coating. The first approach consists in immobilising a microarray of ECM molecules (cell-adhesive proteins, e.g fibronectin) on the cell repellent PEO-like surface by physisorption using microspotting or microcontact printing techniques. The second approach enables the creation of Gold nanoparticles (Au NPs) adhesive patterns on the surface using similar spotting techniques. The immobilization of Au NPs on PEO-like coatings does not require any prior chemical modifications and is achieved by a straightforward and irreversible self-assembly technique. These gold nanostructured surfaces have been tested for protein bio-recognition analysis and as a cell culture platform. Ultimately, this platform was integrated to a novel plasmonic microscope which enabled, preliminarily, the label-free monitoring and visualisation of a single cell attachment and detachment in real time, as well as the specific and sensitive detection of test proteins in a cell-free environment