Ce travail vise à développer une approche originale à micro et à méso-échelle pour étudier divers phénomènes et intensifier les performances du réacteur. A méso-échelle, l'accent est mis sur l'efficacité de la production de biogaz dans un réacteur anaérobie 2D sous différentes conditions hydrodynamiques ainsi qu’à différentes concentrations de substrat. Puis, dans un dispositif microfluidique transparent, une seule granule de différentes tailles a été utilisée sous différentes conditions d'exploitation. Les effets des différentes conditions hydrodynamiques et des concentrations de substrat associés à la taille et la densité des granules de boues sur la production de biogaz ont été étudiés / The present work is focused on developing an original micro to mesoscale approach to investigate various phenomena and then to intensify the performance of a reactor. At mesoscale, the emphasis is given to the interactions between granular sludge particles as well as the biogas production efficiency in a 2D reactor under various hydrodynamic conditions at different concentrations of substrate. Then, within the microdevices, a single sludge particle of various sizes was used under different operating conditions such as superficial liquid velocity and concentration of substrate. The effect of different hydrodynamic conditions and concentration of substrate was studied

La digestion anaérobie représente un des acteurs majeurs du développement durable et de l'économie circulaire dans le concept « des déchets à l'énergie ». Compte-tenu de la grande diversité des déchets organiques, son développement passe par l'optimisation de la co-digestion. D’où la nécessité de développer des outils simples pour caractériser les substrats et pour prédire les performances des digesteurs afin d'optimiser leur fonctionnement. Cette thèse porte sur la caractérisation de la biodégradation des substrats solides par digestion anaérobie et l'optimisation de leur co-digestion à l'aide d'une approche de modélisation simple. En premier lieu, un nouveau protocole pour la quantification du potentiel méthane en mode batch a été mis en œuvre, intégrant une phase d'acclimatation entre l’inoculum et le substrat. Ensuite, un modèle simple a été développé sur la base du fractionnement de la matière organique en trois sous-fractions. Cette approche a permis de développer une base de données incluant les cinétiques et les potentiels en méthane (BMP) de 50 substrats. En second lieu, des expériences de co-digestion de deux substrats solides ont été menées en mode semi-continu à une charge appliquée (cva) constante puis à des charges appliquées croissantes. Les rendements expérimentaux en méthane ont toujours été supérieurs aux valeurs des BMP des mélanges calculées à partir des BMP de chaque substrat, soulignant l'importance de la respiration endogène. Quatre modèles incluant la respiration endogène avec des hypothèses différentes ont été proposés et évaluées pour prédire la production de méthane brute de digesteurs semi-continus en utilisant les données des substrats (BMP et cinétiques) acquises en mode batch. Deux modèles pour lesquels la production expérimentale de méthane à des cva croissantes correspondait bien aux données modélisées ont été validés. L'approche de modélisation retenue a été ensuite appliquée à des mélanges plus complexes de 3 et 5 substrats ainsi qu’à des biodéchets. Enfin, la réponse d’un digesteur fonctionnant en mode de production flexible, c’est-à-dire recevant des surcharges organiques ponctuelles régulièrement a été également modélisée avec succès. L'approche de modélisation proposée fournit un outil simple, pouvant être utilisé par les bureaux d'études, les constructeurs et les exploitants d’unités de méthanisation pour l'optimisation des mélanges de co-digestion et de la cva à utiliser en mode continu. Cela doit permettre de réduire le risque de défaillance et d’optimiser la rentabilité des unités de co-digestion. / Anaerobic digestion represents one of the major actors of sustainable development and the circular economy in the concept of "Waste to Energy". Given the great diversity of organic waste, its development requires the optimisation of co-digestion. Hence, it is needed to develop simple tools to characterize substrates and predict digester performance in order to optimize their operation. This thesis focuses on the characterization of biodegradation of solid substrates by anaerobic digestion and optimization of co-digestion using a simple modelling approach. First, a new batch protocol was implemented to quantify the Biochemical Methane Potential (BMP), integrating an acclimatization phase between the inoculum and the substrate. Then, a simple model was developed based on the fractionation of organic matter into three sub-fractions. This approach has allowed to develop a database including kinetics and BMPs of 50 substrates. Second, co-digestion experiments of two solid substrates were conducted in semi-continuous mode at a constant organic loading rate (OLR) and then at increasing applied loads. The experimental methane yields were always higher than the BMP values of the mixtures calculated from the BMPs of each substrate, underlining the importance of endogenous respiration. Four models including endogenous respiration with different assumptions were proposed and evaluated to predict raw methane production from semi-continuous digesters using substrate data (BMP and kinetics) acquired in batch mode. Two models for which the experimental methane production at increasing OLR corresponded well to the modelled data were validated. The chosen modelling approach was then applied to more complex mixtures of 3 and 5 substrates and to bio-waste. Finally, the response of a digester operated in flexible production mode, i.e. receiving regular punctual organic overloads, was also successfully modelled. The proposed modelling approach provides a simple tool that can be useful to design offices, manufacturers and operators of co-digestion units for the optimisation of feed mixtures and OLR to be used in continuous mode. This should reduce the risk of failure and optimise the profitability of co-digestion units.

Les réserves de pétrole sont sur le déclin, les prix des ressources fossiles fluctuent et le CO 2 dégagé par leur consommation contribue inéluctablement au réchauffement climatique. Ce phénomène, conduit notre société vers l'utilisation accrue de biomasse pour la génération d'énergie, de composés chimiques et de matériaux. La réduction des déchets est considérée comme indissociable de cette transition énergétique et en opposition aux préjugés, l’accroissement des déchets organiques peut être bénéfique dans cette recherche de solutions alternatives. En effet, cela conduit à la génération de grandes quantités de matières qui peuvent représenter de potentielles ressources. De plus, changer le statut des déchets en coproduits pour la production de bioénergies n’entre pas en concurrence avec les filières alimentaires et cela constitue un des principaux enjeux des biotechnologies. Sous certaines conditions, les bioconversions anaérobies représentent des procédés d’ingénierie prometteurs pour accomplir le double enjeu de la valorisation des coproduits et de la production de molécules d’intérêt énergétique et chimique (biocarburants, chimie verte...). En revanche, l’innovation dans les biotechnologies blanches est nécessaire pour la production robuste, performante, rentable et environnementalement acceptable de biomolécules à partir de ressources renouvelables. Dans ce contexte, la société AFYREN a été pensée et créée pour répondre à ce défi mondial via sa technologie « tout en un », AFYNERIE, qui s’inspire de la nature et des sciences. L’objectif premier de ce travail de thèse, cœur du procédé AFYNERIE, était d’étudier les performances de microorganismes anaérobies, sous forme de souches pures ou de consortia pour la valorisation de substrats plus ou moins complexes via un processus de méthanogenèse avortée. Pour cela, il était nécessaire de considérer, déjà à l’échelle du laboratoire, une projection dans le monde industriel. Nous avons alors démontré les capacités de la diversité microbienne à produire des molécules plateformes à partir de coproduits agro-industriels réels en mode stérile puis non stérile. Cette étude s’est appuyée en parallèle sur la caractérisation et la dynamique des populations microbiennes mises en jeu. Ensuite, l’accumulation des métabolites, à la fois inhibiteurs et d’intérêt, dans les milieux fermentaires en mode discontinu et avec des rendements compétitifs, a débouché sur la nécessité de surpasser ces limitations par le passage à un mode continu. Pour ce faire, un procédé d’extraction biocompatible des synthons issus de l’opération de fermentation a été mise en œuvre selon différents mode de réalisations. Ce couplage des opérations unitaires, sous forme de fermentation extractive, a livré des résultats prometteurs tout en étant bâtit dans un cadre de bioraffinerie et d’écologie industrielle qui tend vers le « zéro déchet ». Enfin, à l’inverse des autres technologies émergentes, pour se placer dans une approche de drop-in, la biologie et la chimie ont été associées. Le but a été d’illustrer la multipotence des acides gras volatils (AGVs) en termes d’applications industrielles et de réaliser la preuve de concept de la transformation de la biomasse non alimentaire en biomolécules d’intérêt énergétique et chimique. Ces travaux ont permis de soulever les points clés du changement d’échelle du procédé AFYNERIE et d’entrevoir des perspectives tant fondamentales qu’appliquées. Cette brique technologique, de par sa philosophie multi-intrants/multi-produits, couplant fermentation-extraction-synthèse, permet d’initier la transition au stade pilote d’un procédé innovant compatible avec une future économie biosourcée. / Fossil oil reserves are decreasing, oil prices are fluctuating, and the CO 2 released by oil consumption contributes to global warming. These are driving our society towards increased use of biomass for energy, chemical compounds and other materials. Minimizing waste has been seen as a concern associated with alternative energy efforts. Contrary to expectation, increasing organic waste can be beneficial for alternative energy efforts, because it would result in large amounts of organic resources that can be potential raw materials. Moreover, using waste as a resource for bioenergy production does not compete with human or animal food or agricultural surfaces, and that is one of the greatest challenges facing biotechnology. Using waste as a resource for biomolecule production would thus be an interesting approach to reducing waste in the environment and producing renewable materials. Under specific conditions, detrital biomass can be converted into biomolecules of interest by microorganisms. Anaerobic fermentation techniques represent promising engineering processes for accomplishing the dual goals of waste reduction and renewable biomolecule production for biofuel and green chemistry markets. On the other hand, innovative fermentation processes are necessary for the strong, successful, cost-effective and eco-friendly production of bulk chemicals from renewable resources. In this context, AFYREN company was thought and founded to answer this world challenge through its “all in one” technology, AFYNERIE, which is inspired from the nature and sciences. The first objective of this thesis, heart of the AFYNERIE process, was to study the performances of anaerobic microorganisms, in the form of pure strains or of consortia for the valorization of more or less complex substrata via a process of failed methanogenesis. For that purpose, it was necessary to consider, already at the laboratory scale, a projection in the industrial world. Then, we demonstrated the capacities of the microbial diversity to produce platform molecules from real agro-industrial by-products in sterile and then non sterile mode. This study leaned in parallel on the characterization and the dynamics of involved microbial populations. Then, the accumulation of metabolites, which are at the same time inhibitory and of interest, in fermentative media in batch mode and with competitive yields, resulted in the necessity of surpassing these limitations by the passage in a continuous mode. To do this, a process consisted of a biocompatible extraction of synthons stemming from the operation of fermentation was implemented according to different mode of realizations. This coupling of single operations, in the form of extractive fermentation, delivered promising results while builds in a frame of biorefinery and industrial ecology which tightens towards a “zero waste”. Finally, contrary to the other emergent technologies, to take place in a drop-in approach, biology and chemistry were associated. The purpose was to illustrate the versatility of volatile fatty acids (VFAs) in terms of industrial applications and to realize the proof of concept of the transformation of the non-food biomass in biomolecules of energy and chemical interest. These works allowed to underline key points of the scale-up of AFYNERIE process and to glimpse perspectives fundamental as well as applied perspectives. This technological brick, due to its multi-inputs / multi-products philosophy, coupling fermentation-extraction-synthesis, allows to introduce the transition to the pilot stage of an innovative process compatible with a future biobased economy.

La première partie de ce travail de thèse s'est intéressée à l'impact des régimes alimentaires des porcs sur la quantité de soufre présente dans les déjections. La charge en soufre apportée par chacun des ingrédients qui composent la formulation a été analysée. La rétention et l'excrétion du soufre ingéré par les animaux (porcs) ont été évaluées par une étude in-vivo. Le soufre absorbé par les animaux est faiblement retenu, au-delà des besoins nutritionnels, il est excrété principalement sous la forme de sulfates, par la voie urinaire. La dynamique des sulfates dans le lisier a été évaluée par une simulation de stockage anaérobie, ils sont consommés et transformé en sulfure d'hydrogène, lequel est, soit transféré vers la phase gazeuse, soit stocké dans la phase liquide. La principale voie de production étant la réduction dissimilatrice des sulfates. La deuxième partie de ce travail de thèse est consacrée au devenir du soufre dans les unités de méthanisation agricoles où la production d'hydrogène sulfuré est sous la dépendance des mélanges de co-substrats digérés. Un inventaire des différents substrats utilisables par les unités de méthanisation à la ferme a donc été réalisé. Les teneurs en soufre total ainsi que les potentiels méthanogènes pour chacun de ces substrats ont été déterminés et un potentiel sulfurogène (concentration maximale d'hydrogène sulfuré du biogaz pour un substrat donné) a été défini. Grâce à ces données, un ratio C/S a pu être défini, lequel a permis de classer les différents substrats quant à leur potentialité à produire de l'hydrogène sulfuré. Les algues vertes d'échouage, substrat à faible ratio C/S, ont été testées sur des pilotes de digestion anaérobie en co-digestion avec des lisiers de porcs. Pour ces algues, le faible potentiel de production de biogaz couplé aux fortes teneurs en hydrogène sulfuré du biogaz mesuré avec nos essais limite fortement l'intérêt de leur utilisation dans les filières de méthanisation à la ferme.

La superoxyde réductase (SOR) est une métalloprotéine qui catalyse la réduction du superoxyde en H2O2. Pour son activité catalytique, la SOR nécessite des réductases cellulaires comme donneurs d'e-. Les SORs de Classe 1, telle que celle de Desulfoarculus baarsii, possèdent en plus du site actif, un centre de type rubrédoxine dont la fonction est inconnue. Nous avons montré que ce centre peut jouer un rôle de relais électronique entre les réductases et le site actif de la SOR. Cependant, ce transfert d'e- entre le centre rubrédoxine et le site actif se fait de façon intermoléculaire, entre deux molécules de SOR. Nous proposons que ce centre permet à la SOR de s'adapter à une large gamme de réductases cellulaires et optimise ainsi l'activité de détoxification du O2•- de la SOR. Le mécanisme catalytique de la SOR a été très étudié par cinétique rapide. Nous montrons que les études antérieures sur la SOR de D. baarsii ont été perturbées par un phénomène photochimique. Les études du mécanisme de la SOR ont été reprises et nous ont permis de proposer un nouveau mécanisme réactionnel de réduction du superoxyde par la SOR de D. baarsii. Nos études sur le mutant SOR K48I de D. baarsii ont permis de mettre en évidence le rôle essentiel de la lysine 48 dans la protonation de l'intermédiaire réactionnel Fe3+-OOH. En absence de cette lysine, cet intermédiaire ne conduit plus à la formation du produit de la réaction H2O2. Nos données suggèrent que l'intermédiaire Fe3+-OOH évolue alors vers une espèce de type fer-oxo, comme dans les oxygénases de type cytochrome P450. Ainsi, la lysine 48 apparaît comme un résidu essentiel, qui permet à la SOR d'orienter l'évolution de l'intermédiaire Fe3+-OOH.

La pyocyanine (PYO) est une phénazine de couleur bleu-vert, produite spécifiquement par la bactérie pathogène opportuniste Pseudomonas aeruginosa (Pa). La toxicité aérobie de la PYO envers les cellules de mammifères, les levures et les bactéries a été décrite de longue date, mais la compréhension des mécanismes d'action est encore lacunaire, en particulier en conditions de limitation en O2 (conditions rencontrées dans le contexte infectieux). De plus, il a récemment été montré que la PYO peut apporter des effets bénéfiques pour la souche productrice en hypoxie. Au cours de ce travail, nous avons réexaminé les effets de la PYO sur un large panel de bactéries dont son propre producteur (Pa) ainsi que sur un modèle cellulaire eucaryote Saccharomyces cerevisiae exposées à différentes tensions en O2. Nos données suggèrent que la toxicité aérobie de la PYO envers S. cerevisiae est multifactorielle, impliquant à la fois une interaction avec le complexe III de la chaîne respiratoire et l'induction d'un stress oxydatif. Pour la première fois, nous avons mis en évidence une toxicité de la PYO exacerbée en anaérobiose chez un eucaryote (S. cerevisiae). Le mécanisme d'action impliquerait le PYO radical. Nous avons également montré que la PYO peut inhiber la croissance aérobie et anaérobie des microorganismes concurrents, plus particulièrement S. aureus en bloquant le complexe III de la chaîne respiratoire. A l'inverse, la PYO peut stimuler la respiration de Pa surtout dans les conditions mimant le contexte infectieux (hypoxie, vie ralentie). Le complexe III et/ou les oxydases terminales cbb3 serait impliqué favorablement. En conclusion, la PYO jouerait à la fois un rôle de poison hypoxique mais aussi un rôle de navette redox bénéfique pour la survie et la virulence de Pa en hypoxie.

Dans les espaces ruraux et périurbains d'Haïti, les déchets et résidus organiques générés principalement par les activités agricoles et agroindustrielles, sont traditionnellement valorisés in situ dans l'alimentation animale comme provende, dans la fertilisation des sols comme amendement organique et/ou à des fins énergétiques comme combustibles. Parallèlement, au niveau des villes, les déchets organiques sont majoritairement éliminés sans aucune forme de ségrégation dans des décharges non contrôlées. Ce travail de recherche a voulu mettre l'accent sur l'opportunité de valoriser ces déchets par la méthanisation approchée comme une voie alternative de traitement biologique des déchets organiques fermentescibles. Le travail d'évaluation des gisements de déchets organiques a mis en évidence que la mauvaise gestion de ces gisements entraine une perte annuelle de matières estimée à près de 2 960 000 tonnes de matière sèche, potentiellement convertibles en 367 500 000 Nm3 de méthane ou 310 000 tep, correspondant à environ 16% de la couverture énergétique finale des ménages à l'échelle nationale. L'approche expérimentale à l'échelle de laboratoire a permis d'évaluer les potentiels biométhanogènes de certaines catégories de déchets d'origine agricole, dont la bagasse, le chou et les déjections de bovins, porcins et poulets, ainsi que les possibilités d'optimisation des cinétiques de digestion anaérobie par des moyens peu onéreux comme la réduction de la taille des particules, l'augmentation du ratio InoculumMV/SubstratMV et les effets de synergie liés à la co-digestion. Des recherches à l'échelle du pilote de terrain ont également été réalisées. Un digesteur a été construit sur le modèle des digesteurs indiens et suivi pendant plusieurs semaines. Malgré les conditions particulières de mise en œuvre du pilote, les essais réalisés ont démontré la faisabilité de la filière avec la technologie rustique sélectionnée. Le temps de retour sur investissement pour un fonctionnement optimal du digesteur pilote a été estimé à 5 ans.

Blastocystis sp., est un straménopile parasite anaérobie fréquemment rencontré dans le tractus gastro-intestinal de l'homme et de divers animaux. Ce microorganisme, parfois responsable de désordres digestifs aigus, pourrait conduire à des troubles fonctionnels intestinaux tels que le syndrome de l'intestin irritable (IBS). Le génome de Blastocystis sp., qui a fait l'objet d'un projet de séquençage en collaboration avec le Génoscope d'Evry, nous a permis de caractériser le plus petit génome de straménopile séquencé à ce jour (18,8 Mpb), avec une capacité codante de 6020 gènes. L'acquisition de nombreux gènes par transferts horizontaux est une caractéristique majeure de ce génome, qui montre d'abondants réarrangements génomiques. Bien qu'évoluant en anaérobiose, Blastocystis sp. possède des organites morphologiquement proches des mitochondries, appelés mitochondrion-like organelles (MLOs). Nous avons montré que ces organites comportaient un génome circulaire de type mitochondrial de 29,27 kpb, mais dépourvu des gènes codant pour les cytochromes. Des analyses in silico nous ont permis de caractériser le protéome des MLOs (365 protéines), conduisant à l'établissement d'un modèle prédictif des voies métaboliques associées à ces organites, avec notamment une chaine respiratoire limitée aux complexes I et II. Nous avons ainsi montré que les MLOs présentent des caractères communs aux mitochondries anaérobies et aux hydrogénosomes (présence d'une PFOR et d'une hydrogénase à fer), suggérant que Blastocystis sp. comporte des mitochondries anaérobies modifiées, qui résulteraient d'une adaptation du parasite à son environnement. Par ailleurs, la prédiction du sécrétome de Blastocystis sp. révèle la présence de facteurs de virulence potentiels, pouvant être impliqués dans l'altération de l'épithélium intestinal et le contournement du système immunitaire de l'hôte.

Cette thèse porte sur l'analyse et le contrôle optimal d'un digesteur anaérobie. L'objectif est de proposer une stratégie de commande optimale pour maximiser la quantité de biogaz produit dans un bioréacteur anaérobie sur une période de temps donnée. Plus particulièrement, à partir d'un modèle simple de bioprocédé et en considérant une classe importante de cinétiques de croissance, nous résolvons un problème de maximisation de biogaz produit par le système pendant un temps fixé, en utilisant le taux de dilution D(.) comme variable de contrôle. Dépendant des conditions initiales du système, l'analyse du problème de contrôle optimal fait apparaître des degrés de difficulté très divers. Dans une première partie, nous résolvons le problème dans le cas où le taux de dilution permettant de maximiser le débit de gaz à l'équilibre est à l'intérieur des bornes minimales et maximales du débit d'alimentation pouvant être appliqué au système : il s'agit du cas WDAC (Well Dimensioned Actuator Case). La synthèse du contrôle optimal est obtenue par une approche de comparaison de trajectoires d'un système dynamique. Une étude comparative des solutions exactes avec celle obtenues avec une approche numérique directe en utilisant le logiciel "BOCOP" est faite. Une comparaison des performances du contrôleur optimal avec celles obtenues en appliquant une loi heuristique est discutée. On montre en particulier que les deux lois de commande amènent le système vers le même point optimal. Dans une deuxième partie, dans le cas où l'actionneur est sous- (ou sur-) dimensionné, c'est-à-dire si la valeur du taux de dilution à appliquer pour obtenir le maximum de biogaz à l'équilibre est en dehors de la valeur minimale ou maximale de l'actionneur, alors nous définissons les cas UDAC (Uder dimensioned Actuator Case) et ODAC (Over Dimensioned Actuator Case) que nous résolvons en appliquant le principe du maximum de Pontryagin. / This thesis focuses on the optimal control of an anaerobic digestor for maximizing its biogas production. In particular, using a simple model of the anaerobic digestion process, we derive a control law to maximize the biogas production over a period of time using the dilution rate D(.) as the control variable. Depending on initial conditions and constraints on the actuator, the search for a solution to the optimal control problem reveals very different levels of difficulty. In the first part, we consider that there are no severe constraints on the actuator. In particular, the interval in which the input flow rate lives includes the value which allows the biogas to be maximized at equilibrium. For this case, named WDAC (Well Dimensioned Actuator Case) we solve the optimal control problem using classical tools of differential equations analysis.Numerical simulations illustrate the robustness of the control law with respect to several parameters, notably with respect to initial conditions. We use these results to show that an heuristic control law proposed in the literature is optimal in a certain sense. The optimal trajectories are then compared with those given by a purely numerical optimal control solver (i.e. the "BOCOP" toolkit) which is an open-source toolbox for solving optimal control problems. When the exact analytical solution to the optimal control problem cannot be found, we suggest that such numerical tool can be used to intuiter optimal solutions.In the second part, the problem of maximizing the biogas production is treated when the actuator is under (-over) dimensioned. These are the cases UDAC (Under Dimensioned Actuator Cases) and ODAC (Over Dimensioned Actuator Cases). Then we solve these optimal problems using the Maximum Principle of Pontryagin.

Cette thèse porte sur l’analyse mathématique de différents modèles de la digestion anaérobie. Dans la première partie, nous étudions un modèle à quatre étapes avec dégradation enzymatique du substrat (matière organique) qui peut être sous forme solide. Nous étudions l’effet de l’hydrolyse sur le comportement du processus de la digestion anaérobie et de la production du biogaz (méthane et hydrogène). Nous considèrons, dans un premier modèle, que l’hydrolyse se fait d’une manière enzymatique, alors que dans un second, nous supposons qu’elle est réalisée par un compartiment microbien. Les modèles considérés incluent l’inhibition de croissance des bactéries acétogènes, méthanogènes hydrogénétrophes et acétoclastes par plu- sieurs substrats. Pour étudier l’effet de ces inhibitions en présence de l’étape de l’hydrolyse, nous étudions dans un premier temps un modèle sans inhibition. Nous déterminons les équilibres et nous donnons des conditions nécessaires et suffisantes pour leur stabilité. L’existence et la stabilité des équilibres sont illustrées avec des diagrammes opératoires. Nous montrons que le modèle avec hydrolyse enzymatique change la production du méthane et d’hydrogène. En outre, l’introduction du com- partiment hydrolytique microbien donne de nouveaux équilibres et affecte les régions de stabilité. Nous prouvons que la production de biogaz est maximale en un seul point d’équilibre selon les paramètres opératoires et nous déterminons le taux maxi- mal de biogaz produit, dans chaque cas. Dans la deuxième partie, nous nous sommes intéressés à un modèle à deux étapes décrivant les phases de l’acétogénèse et de la méthanogénèse hydrogénotrophe. Le modèle représente une relation de syntrophie entre deux espèces microbiennes (les bactéries acétogènes et méthanogènes hydro- génotrophes), avec deux substrats à l’entrée (l’acide gras volatile et l’hydrogène), incluant les termes de mortalité et l’inhibition de croissance des bactéries acéto- gènes par un excès d’hydrogène dans le système. L’analyse de l’existence et de la stabilité des équilibres du modèle donne naissance à un nouvel équilibre qui peut être stable selon les paramètres opératoires du système. En utilisant les diagrammes opératoires, on remarque que, quelle que soit la région de l’espace considérée, il existe un seul équilibre localement exponentiellement stable. Cette étude est géné- ralisée dans le cas où la croissance des bactéries méthanogènes hydrogénotrophes est inhibée. Ce modèle donne naissance à deux équilibres strictement positifs et une bistabilité. Nous illustrons, en utilisant les diagrammes opératoires l’effet de cette inhibition sur la réduction des régions de coexistence et l’émergence de régions de bistabilité. / This PhD thesis focuses on the mathematical analysis of different anaerobic digestion (AD) models. In a first part, we study a 4-step model with enzymatic degradation of the substrate (organic matter) that can partly be under a solid form. We investigate the effects of hydrolysis on the behavior of the AD process and the production of biogas (namely, the methane and the hydrogen). We consider, in a first model, that the microbial enzymatic activity is constant, then we take into consideration an explicit hydrolytic microbial compartment for the substrate biodegradation. The considered models include the inhibition of acetogens, hydroge- notrophic methanogens and acetoclastic methanogens growth bacteria. To examine the effects of these inhibitions in presence of a hydrolysis step, we first study an inhibition-free model. We determine the steady states and give sufficient and neces- sary conditions for their stability. The existence and stability of the steady states are illustrated by operating diagrams. We prove that modeling the hydrolysis phase by a constant enzymatic activity affects the production of methane and hydrogen. Furthermore, introducing the hydrolytic microbial compartment yields new steady states and affects the stability regions. We prove that the biogas production occurs at only one of the steady states according to the operating parameters and state variables and we determine the maximal rate of biogas produced, in each case. In the second part, we are interested in a reduced and simplified model of the AD pro- cess. We focus on the acetogenesis and hydrogenetrophic methanogenesis phases. The model describes a syntrophic relationship between two microbial species (the acetogenic bacteria and the hydrogenetrophic methanogenic bacteria) with two in- put substrates (the fatty acids and the hydrogen) including both decay terms and inhibition of the acetogenic bacteria growth by an excess of hydrogen in the sys- tem. The existence and stability analysis of the steady states of the model points out the existence of a new equilibrium point which can be stable according to the operating parameters of the system. By means of operating diagrams, we show that, whatever the region of space considered, there exists only one locally exponentially stable steady state. This study is generalized to the case where the growth of the hydrogenetrophic methanogens bacteria is inhibited. This model exhibits a rich be- havior with the existence of two positive steady states and bistability. We illustrate by means of operating diagrams the effect of this inhibition on the reduction of the coexistence region and the emergence of a bistability region.