L’objectif de ce travail est la quantification et la modélisation du transfert d’oxygène en condition de relativement faible oxygénation afin de contribuer à la sélectivité et à l’intensification des performances des bioprocédés concernés. Les travaux expérimentaux et numériques sont réalisés avec un système modèle, air-eau, dans un bioréacteur à disques rotatifs, destiné à la production de bio-pesticides. Le coefficient volumique de transfert d’oxygène (KLa) est déterminé à l’aide de la méthode dynamique dans l’eau pure, sous conditions hydrodynamiques similaires à celles utilisées durant une bio-production de bio-pesticides par fermentation. Des modèles empiriques basés sur l’analyse dimensionnelle sont proposés pour prédire le KLa. Il est notamment observé que le modèle qui tient compte du volume du film aqueux sur les surfaces des disques semble plus pertinent car les écarts entre les valeurs expérimentales et calculées sont faibles pour les différentes conditions opératoires étudiées. Les limites des modèles empiriques du transfert d’oxygène sont discutées, et des nouvelles voies d’investigation sont proposées, parmi lesquelles l’étude numérique. Un modèle de transfert couplant la diffusion et la convection est proposé. Ce modèle prend en compte la variation de l’épaisseur du film aqueux formé sur le disque et le niveau d’immersion du disque dans le volume liquide. Le modèle permet de suivre le degré de saturation du film, ainsi que l’évolution de la concentration durant la rotation du disque et ceci à différentes profondeurs du film et différentes vitesses de rotation des disques. Le modèle est modifié pour décrire le transfert d’oxygène pour un disque immergé à moins de 50%. Les prédictions du modèle sont en accord avec des résultats de la littérature. / This work aims to quantify and to model the oxygen transfer in bubbles-less production with an objective of intensification of bioprocess performances and selectivity. Lab- and numeric works are achieved in model system air-water, in a rotating biological contactor suitable for bio-pesticides productions. The oxygen transfer coefficient is determined using dynamic method at conditions, similar to those used in bio-production of bio-pesticides by fermentation. To predict the oxygen mass transfer coefficient (KLa) empirical models based on dimensional analysis are proposed. The model based on the volume of the liquid film formed on the on the rotating discs, seems more appropriate since, at various studied experimental conditions, the obtained results are close to experimental ones. Limits of empirical mass transfer models are discussed and new areas of investigation are proposed, namely the numeric modeling. A convective-diffusion model has been suggested. The model takes into account the variation of the film thickness on the disc surface and the level of immersion of the disc in the volume of liquid phase. The model provide the degree of the film saturation, as well as the concentration evolution during one rotation of the disk for a different depths of the film and for different rotation velocities. The same model is modified to describe the oxygen transfer in the case when the disc immersion is less than 50%. The model predictions are in agreement with results from the literature.

Les bioréacteurs à biofilm aéré par contacteur membranaire représentent un moyen de production alternatif aux bioréacteurs aérés par bullage. Ils sont, par exemple, utilisés pour éviter la formation abondante de mousse lors de la production de lipopeptides, molécules d’intérêt aux propriétés surfactantes produites notamment par Bacillus subtilis. La maîtrise du biofilm qui se forme à l’interface gaz-liquide dans la membrane représente la clé pour optimiser les paramètres de production et préparer une montée en échelle.Dans un premier temps, le transfert d’oxygène seul est étudié dans un bioréacteur aéré par membrane à fibre creuse microporeuse. Une analyse dimensionnelle a été couplée de façon innovante à un plan d’expériences fractionnaire, réduisant considérablement le nombre d’expérience pour obtenir une relation de procédés. Les performances de transfert d’oxygène sont modélisées en fonction du débit de liquide, du volume de liquide et de la pression de gaz. Dans un second temps, l’état physiologique du biofilm et la production de surfactine sont étudiés en régime continu. La présence d’un biofilm agit comme un accélérateur de transfert d’oxygène au lieu d’une résistance. Les variations de débit de liquide, de pression de gaz, de concentrations en glucose et en oxygène ont permis de déterminer le régime de limitation en substrats, apportés en contre-diffusion, tous deux révélés comme limitants. L’augmentation du débit de liquide permet une meilleure pénétration du glucose dans le biofilm sans en augmenter la taille. L’augmentation de la concentration en oxygène conduit aux meilleurs résultats de production de surfactine atteignant 1,2 g.m-2.h-1, niveau encore jamais atteint avec d’autres types de bioréacteurs. / Membrane aerated biofilm bioreactors are a convenient alternative production way to sparged bioreactors. They are, for example, used to avoid the important foam formation during lipopeptides production, molecule of interest with tensioactif properties produced among others by Bacillus subtilis. The control of the biofilm which grows at the gaz-liquid interface in the membrane represents the key to optimise production parameters and prepare the scale-up.First, only the oxygen transfer is studied in a bioreactor aerated by a microporous hollow fiber membrane. A dimensional analysis was coupled in an innovative way with a fractional design of experiments, reducing greatly the number of experiments to obtain a process relationship. Oxygen transfer performances are modelled in function of the liquid flow rate, the liquid volume and the gas pressure. Then, the biofilm physiological condition and the surfactin production are studied in continuous state. The biofilm presence acts as an oxygen transfer booster instead of a resistance. Variations of liquid flow rate, gaz pressure, glucose and oxygen concentrations enabled to determine the substrates limitation state, brought in counter-diffusion, both revealed limiting. The increase of the flow rate enables a better glucose penetration inside the biofilm without increasing his size. The increase in oxygen concentration leads to the best results in surfactin production reaching 1,2 g.m-2.h-1, level still never reached with other bioreactors types.

De par ses propriétés physiques et chimiques particulières du bois de chêne, une barrique est le siège de phénomènes de transfert très complexes. Les tonnelleries souhaitent apporter de plus en plus de précision pour le choix des barriques en ce qui concerne les arômes transmis au bois mais aussi en ce qui concerne les échanges entre l’atmosphère du chai et le vin. Le projet a permis d’améliorer les connaissances sur les phénomènes de transfert d’oxygène au travers des douelles et à l’inter-douelle et de quantifier l’importance des paramètres interagissant sur les transferts tels les phénomènes d’absorption, le type de chauffe et les caractéristiques du bois. Cette étude a permis de définir des paramètres de caractérisation des barriques par rapport au transfert d’oxygène afin de mieux conseiller les utilisateurs pour le choix des barriques et leur mise en œuvre. L’objet du projet repose sur une approche pluridisciplinaire. Nous avons caractérisé les barriques pour émettre des hypothèses de transfert, puis nous avons quantifié la cinétique de désorption d’oxygène du bois et de son imprégnation. De plus, nous avons évalué la quantité d’oxygène consommé par les polyphénols. Enfin, grâce au développement d'un perméamètre permettant de placer les morceaux de douelles dans des conditions opératoires variées, nous avons mesuré des flux d’oxygène de part et d’autre de la cellule. La désorption est le phénomène prépondérant dans l'apport d'oxygène. Le transfert d'oxygène se fait essentiellement à l'inter-douelle dans les zones de faibles pressions. / Many complex transfer phenomena occur in Oak barrels, due to the physical and chemical properties of Oak wood. Coopers want to provide their consumers with more and more advice according to the aromas given by the wood of the barrel to the wine but also according to the interactions between the winery atmosphere and the wine. The aim of this project is to improve the knowledge of oxygen transfer through staves and between two staves. It is also to quantify the parameters that influence the oxygen transfer such as absorption phenomena, type of barrel toasting and oak wood characteristics. This study should bring to light characteristic parameters of barrels according to oxygen transfer in order to give better advice to users. This would allow them to choose the best barrels and know how to implement them. This project uses a multidisciplinary approach. The first part is to characterize barrels is order to suggest hypothesis about transfer phenomena. Then, kinetics of impregnation and desorption of oxygen contained in oak wood are quantified. Moreover, we try to evaluate the quantity of oxygen consumed by polyphenols. Finally, oxygen transfer evaluation is possible thanks to the development of a new cell allowing us to place a piece of stave in various operating conditions and to measure the flux of oxygen on both sides of the cell. Thus, the laws of transfer can be described; modeling of the quantity of oxygen transferred to wine could be done according to the utilization conditions and to the type of staves.

Dans le cadre de ce travail de thèse, la physiologie apparente de Streptomyces pristinaespiralis et plus spécifiquement la production de pristinamycines (déclenchement et concentration) a été reliée à son environnement hydrodynamique. Des cultures de S. pristinaespiralis ont été réalisées sous diverses conditions d'agitation et d'aération, en fioles lisses d’Erlenmeyer. Ces conditions engendrent des dissipations volumiques comprises entre 0,55 et 14 kW.m-3 et des kLa compris entre 30 et 490 h-1. Partant du constat de la complexité combinée de l’hydrodynamique rencontrée dans les bioréacteurs et de la réponse cellulaire, nous avons développé une approche pluridisciplinaire et multiéchelle à l’interface entre génie des procédés et physiologie quantitative. La réponse physiologique apparente a été quantifiée en termes de croissance, consommation des substrats, morphologie et production. L’hydrodynamique des fioles agitées a été notamment décrite par utilisation de la simulation numérique des écoulements. Par l’utilisation originale d’un modèle de rupture, les diamètres des pelotes ont été corrélés à l’échelle de dissipation de Kolmogorov. De plus, il a été montré que la dissipation défavorisait la croissance des pelotes. Ainsi, par le découplage de l’agitation et de l’aération, il a été montré que la taille des pelotes, contrôlée par la turbulence, impactait directement la consommation d’oxygène et la quantité de pristinamycines produites. Par ailleurs, le déclenchement de la production, résultante d’une limitation en substrats azotés et d’un apport en oxygène suffisant, est déterminé conjointement par la quantité du transfert d’oxygène et par la dissipation volumique / During this study, the physiology of Streptomyces pristinaespiralis and more specifically the production of pristinamycins (induction and concentration) were related to its hydrodynamic environment. Cultures of S. pristinaespiralis were performed under various conditions of agitation and aeration in non baffled Erlenmeyer flasks. According to the operating conditions, the volume power dissipation was from 0.55 to 14 kW.m-3 while kLa was from 30 to 490 h-1. Based on the observation of the complexity of both hydrodynamics encountered in bioreactors and of the cellular response, a multiscale and multidisciplinary approach between process engineering and quantitative physiology was developed. The apparent physiological response was quantified in terms of growth, substrates consumption, morphology and production. The hydrodynamics of the shake flasks was described using Computational Fluid Dynamics. Using an original break up model, the pellet diameters were correlated to the Kolmogorov dissipation scale. Moreover, it was shown that pellet growth was slowed down by the dissipation scale increase. Then, by decoupling the agitation and the aeration, it was shown that the pellets size, controlled by turbulence, impacted directly the consumption of oxygen and the concentration of pristinamycins. Furthermore, onset of pristinamycin production resulted in a limitation in nitrogen substrates as well as a sufficient oxygen supply which are determined by the oxygen transfer and the volume power dissipation

La réponse globale de cellules animales à des contraintes hydrodynamiques lors de leur culture en suspension dans des réacteurs agités a été étudiée grâce à une approche intégrative couplant les outils du génie biochimique à ceux de la mécanique des fluides numérique. En premier lieu, la description de l’hydrodynamique moyenne et locale de deux systèmes de culture agités de laboratoire, spinner et bioréacteur, a été réalisée. Puis, l'étude des cinétiques macroscopiques de cellules CHO cultivées en suspension, en milieu sans sérum et sans protéine, a été réalisée avec différentes vitesses d’agitation, pour évaluer l'impact de l'agitation sur les vitesses de croissance et de mort cellulaires, ainsi que de consommation des substrats et de production des métabolites et de l'interféron-gamma recombinant. Des caractérisations supplémentaires des cellules (apoptose, protéines intracellulaires) et de l'interféron ont également été réalisées. Les effets de l'intensification de l'agitation ont été représentés avec plusieurs corrélations globales reliant : (i) en milieu contenant du pluronic, l'intégrale des cellules viables au nombre de Reynolds, et la proportion de cellules lysées à la valeur moyenne de l'énergie de dissipation, <[epsilon]? (ii) en milieu sans pluronic, les vitesses spécifiques de croissance et de mort cellulaires à <[epsilon]. De plus, l'analyse par CFD de la distribution spatio-temporelle des contraintes indique que la lyse cellulaire, observée dans le réacteur aux conditions extrêmes d'agitation, serait plutôt liée à des valeurs locales très élevées de [epsilon], ainsi qu’à la fréquence d'exposition des cellules dans ces zones énergétiques. Un modèle hydro-cinétique original, couplant l’hydrodynamique locale aux cinétiques cellulaires de croissance et de mort, et basé sur l’intermittence de la turbulence permet la prédiction de la lyse massive observée en réacteur sous certaines conditions. Pour confirmer le fait que les effets liés à l'intensification de l'agitation sont bien le résultat d'une augmentation des contraintes hydrodynamiques, et non d'une amélioration du transfert d'oxygène, ce dernier a été mesuré et modélisé par couplage avec une simulation numérique de type Volume Of Fluid , concluant en une absence de limitation d'oxygène. Enfin, la conception, le dimensionnement et la caractérisation hydrodynamique d'un réacteur innovant de type Couette-Taylor, sont proposées pour la mise en œuvre de cultures perfusées dans un environnement hydrodynamique mieux contrôlé / The global response of animal cells to hydrodynamic stress when cultivated in suspension in stirred tank reactors was studied. To do this, an integrative approach coupling biochemical engineering and fluid mechanics tools were used. First, the description of the global and local hydrodynamics of two bench-scale agitated reactors, a spinner flask and a bioreactor, was carried out. Then, macroscopic kinetics of CHO cells cultivated in a serum and protein-free medium were obtained at various agitation rates, in order to evaluate the impact of agitation on cellular growth and death, as well as substrates consumption and metabolites and recombining IFN-[gamma] production. IFN-[gamma] and cells physiological state were more precisely characterised by glycosylation, apoptosis state and intracellular proteins measurements. The effects of the agitation increase were represented by several global correlations that related: (i) in a medium containing Pluronic F68, the Integral of the Viable Cells Density to the Reynolds number, and the proportion of lysed cells with the average value of energy dissipation rate <[epsilon]? (ii) in a medium without pluronic, specific cell growth and death rates to <[epsilon]. Moreover, CFD analysis of the stress distribution indicated that the cellular lysis observed in the bioreactor at the highest agitation rate, would be related to very high local values of [epsilon], and to the exposure frequency of the cells in these energetic zones. An original hydro-kinetic model based on the intermittency of turbulence and coupling the local hydrodynamics with cell growth and death kinetics, allowed the prediction of the massive cell lysis observed in the bioreactor under some mixing conditions. To decouple shear stress effects from oxygen transfer improvement, the oxygen transfer coefficient was experimentally measured and modelled using a Volume Of Fluid numerical simulation. Our results indicated the absence of an oxygen limitation, which confirmed that this cell response resulted from the hydrodynamic stress increase alone. Lastly, an innovative continuous and perfused Couette-Taylor reactor, allowing a better-controlled hydrodynamic environment was designed and sized. Its hydrodynamic description was carried out using CFD calculations