Face à la montée de la prise de conscience des enjeux écologiques actuels, la recherche se tourne vers le développement des bioprocédés pour développer de nouvelles solutions aux problèmes environnementaux. Cette thèse porte sur l’étude de la faisabilité d’un procédé de capture de CO2 à partir de la culture de la microalgue Chlorella vulgaris en photobioréacteur continu. Ce travail a permis d’identifier l’algue C. vulgaris comme une candidate prometteuse pour cette application. En effet C. vulgaris présente une capacité de production de biomasse et de fixation de CO2 très intéressante pour cette application. Les études menées lors de ce travail de thèse ont également permis de mettre à jour les interactions complexes entre les cellules algales et le CO2 présent à de fortes concentrations. De même, elles ont apporté un approfondissement à la compréhension des verrous existants pour le développement d’un procédé de captage du CO2 et de la nécessité de prendre en compte tous les paramètres de culture (lumière, concentration en nitrate). A partir des études menées, il a été possible de proposer un modèle pour la croissance de C. vulgaris en photobioréacteur continu. Bien que de futures études soient encore nécessaires pour être en mesure de parfaitement modéliser le comportement de l’algue lors de cultures en photobioréacteur, ce modèle présente une bonne corrélation avec les expérimentations. Enfin une étude de pré-dimensionnement a été proposée qui a permis de mettre en lumière les nombreux points d’interrogations encore existants avant d’être en mesure d’adapter le procédé de laboratoire à une échelle industrielle / Faced with the growing awareness of environmental issues, the research turns to the development of bioprocesses to develop new solutions to environmental problems. This thesis concerns the study of the feasibility of a process for CO2 capture from the culture of the microalgae Chlorella vulgaris in a continuous photobioreactor. This work has identified the algae C. vulgaris as a promising candidate for this application. Indeed C. vulgaris has a capacity of biomass production and CO2 biofixation very interesting for this application. Studies in this thesis allowed us to update the complex interactions between the algal cells and high CO2 concentrations. Also they have provided a deeper understanding of existing locks for the development of a process for CO2 capture and the need to take into account all the parameters of culture (light, nitrate concentration). A model for the growth of C. vulgaris in continuous photobioreactor has been proposed. This model shows good correlation with experiments; although future studies are still needed to be able to fully simulate the behaviour of algae in photobioreactor cultures. Finally a study of pre-design has been proposed allowing highlighting the many questions that still exist before being able to adapt the laboratory process to an industrial scale.

Face à la montée de la prise de conscience des enjeux écologiques actuels, la recherche se tourne vers le développement des bioprocédés pour développer de nouvelles solutions aux problèmes environnementaux. Cette thèse porte sur l'étude de la faisabilité d'un procédé de capture de CO2 à partir de la culture de la microalgue Chlorella vulgaris en photobioréacteur continu. Ce travail a permis d'identifier l'algue C. vulgaris comme une candidate prometteuse pour cette application. En effet C. vulgaris présente une capacité de production de biomasse et de fixation de CO2 très intéressante pour cette application. Les études menées lors de ce travail de thèse ont également permis de mettre à jour les interactions complexes entre les cellules algales et le CO2 présent à de fortes concentrations. De même, elles ont apporté un approfondissement à la compréhension des verrous existants pour le développement d'un procédé de captage du CO2 et de la nécessité de prendre en compte tous les paramètres de culture (lumière, concentration en nitrate). A partir des études menées, il a été possible de proposer un modèle pour la croissance de C. vulgaris en photobioréacteur continu. Bien que de futures études soient encore nécessaires pour être en mesure de parfaitement modéliser le comportement de l'algue lors de cultures en photobioréacteur, ce modèle présente une bonne corrélation avec les expérimentations. Enfin une étude de pré-dimensionnement a été proposée qui a permis de mettre en lumière les nombreux points d'interrogations encore existants avant d'être en mesure d'adapter le procédé de laboratoire à une échelle industrielle

Les installations nucléaires sont génératrices de déchets liquides radioactifs qui doivent être traités avant leur rejet dans l'environnement. Le cobalt et l'argent radioactifs sont, après le tritium et le carbone 14, les principaux radionucléides rejetés par des réacteurs à eau pressurisée. Les traitements de décontamination d'effluents liquides actuellement mis en œuvre dans les installations nucléaires reposent sur des procédés physico-chimiques d'évaporation, de coagulation/floculation, de séparation de phase, de sorption et d'échange d'ions. Ces procédés conventionnels sont très efficaces mais présentent diverses limitations : ils ne retiennent pas ou peu le carbone 14 et, en situation accidentelle, ils ne sont pas faciles à mettre en œuvre pour traiter de grands volumes. Le développement de procédés innovants palliant à ces inconvénients est donc nécessaire. Les technologies de bio-remédiation pourraient être une alternative intéressante dans le secteur nucléaire mais très peu de procédés ont été proposés. Ce travail vise ainsi à développer une filière de traitement d'effluents nucléaires originale basée sur l'action d'une micro-algue photosynthétique, Coccomyxa actinabiotis, résistant aux rayonnements ionisants et accumulant les radionucléides et métaux toxiques. Les réflexions menées en collaboration avec les différents acteurs du projet ont permis d'établir un cahier des charges pour concevoir la filière de traitement et réaliser un pilote en tenant compte des contraintes associées au milieu nucléaire et à l'utilisation d'une matrice biologique. La filière est organisée en plusieurs opérations incluant d'une part la production et la récolte des micro-algues et d'autre part la décontamination de l'effluent. La faisabilité de chacune de ces opérations est tout d'abord étudiée à l'échelle laboratoire. Ainsi, les conditions opératoires et les outils de suivi, de contrôle, et d'optimisation relatifs aux étapes de (i) production de biomasse algale, (ii) séparation et/ou concentration de la biomasse par microfiltration et (iii) décontamination de l'effluent, en particulier l'élimination de l'argent 110m, du cobalt 60 et du carbone 14, sont recherchés. Le montage de la filière complète est ensuite proposé ; basée sur les résultats obtenus à l'échelle de laboratoire, la faisabilité de la bio-décontamination de radionucléides par la micro-algue à l'échelle pilote est également étudiée et démontrée. Ce travail de recherche permet donc d'envisager le développement d'une filière innovante de traitement des effluents liquides d'industries nucléaires et confirme la potentialité de certaines micro-algues à assurer l'élimination de polluants ciblés. / Nuclear plants produce radioactive liquid wastes which are decontaminated before they are released. Radioactive cobalt and silver are the main radionuclides released by water pressurized reactor, after tritium and carbon 14. Liquid effluents are decontaminated by physic-chemical processes, such as evaporation, coagulation, sorption and ion exchange. These technologies are very efficient but cannot neutralize entirely the carbon-14 and, in the case of emergency situation, they are difficult to implement in order to decontaminate high amount of radioactive liquids. It is necessary to look for alternative decontamination methods. Bio-remediation technologies may constitute interesting alternatives in the nuclear field as well, but only a few bio-based technologies have been proposed. This work aims to develop a treatment unit based on the use of a photosynthetic micro-alga, extremely radio-tolerant and owning high capacity to concentrate radionuclides and toxic metals. The technical specification was draft to design the process and construct the pilot unit taking into account the constraints linked to the use of a biological matrix in a nuclear environment. The pilot-scale treatment unit, based on this micro-alga, includes different tasks to ensure the objectives of the process: algae have first to be produced in a growth medium and harvested before ensuring the treatment of the contaminated effluent. The feasibility of these operations is studied at laboratory scale. Operating conditions and monitoring and optimization tools for each step, (i) biomass production, (ii) biomass separation and concentration by microfiltration, (iii) effluent decontamination of silver-110m, cobalt-60, carbon-14, are sought. Based on the results obtained at laboratory scale, the feasibility of bio-decontamination of radionuclides by the micro-alga at pilot-scale is studied and demonstrated. Through this work, the development of an innovative process has to be considered for the decontamination of liquid effluents from the nuclear industry. This work confirms the high potential of algae to ensure the pollutants elimination.

Cette thèse considère le problème du filtrage non linéaire, c'est à dire l'estimation au cours du temps de l'état, indirectement observé, d'un système dynamique non linéaire. Ce type de problématique concerne une large gamme de modèles relatifs à divers domaines scientifiques.<br />Une approche originale utilisant les noyaux de convolution et des simulations d'un grand nombre de variables aléatoires est développée. Le cas des modèles contenant des paramètres inconnus à estimer est aussi traité. Des propriétés théoriques de convergence sont établies pour ces nouvelles approches.<br />Afin de compléter l'étude de nos techniques, des comparaisons avec les méthodes traditionnelles, notamment avec les différents filtres particulaires, sont réalisées en simulation.<br />Puis nos nouvelles approches sont appliquées sur un problème réel, un bioréacteur de retraitement d'eaux usées. Les performances obtenues, sur données réelles, permettent d'apprécier la robustesse de la méthode par rapport aux erreurs de modèles et aux données de mauvaises qualités.

Cette thèse considère le problème de la détection de rupture de modèle dans des systèmes dynamiques complexes. L'objectif est de mettre au point des méthodes statistiques capables de détecter le plus rapidement possible un changement de paramètre dans le modèle décrivant le système, tout en gardant un faible taux de fausses alarmes. Ce type de méthode s'applique à la détection d'anomalie ou de défaillance sur de nombreux systèmes (système de navigation, contrôle de qualité...).<br />Les méthodes développées ici prennent en compte les caractéristiques des procédés de dépollution biologique, qui constituent l'application principale de ce travail. Ainsi, la mise au point d'une procédure, de type CUSUM, construite à partir des estimations des vraisemblances conditionnelles permet de traiter, d'une part, le cas où une partie du modèle est inconnue en utilisant une approche non paramétrique pour estimer cette partie, et d'autre part, le cas fréquemment rencontré en pratique où le système est observé indirectement. Pour ce deuxième cas, des approches de type filtrage particulaire sont utilisées.<br />Des résultats d'optimalité sont établies pour les approches proposées. Ces approches sont ensuite appliquées à un problème réel, un bioréacteur de retraitement des eaux usées.

Dans un contexte de transition énergétique, ce travail de recherche s’inscrit dans la dynamiqued’explorer la potentialité de nouvelles biomasses pour la production d’un vecteur énergétique propre,l’hydrogène (H2). Au cours de cette thèse, un procédé de production d’H2 par fermentation endogèneet sans dépense énergétique supplémentaire, a été élaboré à partir de biomasses viticoles, etl’influence de paramètres opératoires a été testée. Enfin, le type de biomasses influe sur laproduction d’H2, non seulement par sa composition biochimique, mais aussi par leur microfloreendogène qui oriente le métabolisme. La microflore endogène responsable de la production d’H2 àpartir de ‘bourbes’ (50 ± 6 L/Lbourbes avec un rendement de 2,0 ± 0,2 mol/mol) appartient à la familleClostridiaceae et est associée aux voies acétate/butyrate, alors que celle des ‘marcs’ (20 ± 4L/kgmarcs avec un rendement de 1,3 ± 0,3 mol/mol) appartient aux Enterobacteriaceae et estassociée aux voies acétate/éthanol. / In the context of energy transition, this work deals with the exploration of new potential biomasses forthe production of a clean energy vector, hydrogen (H2). During this thesis, a process of H2 productionby an endogenous fermentation from winery waste has been developed without any additionalenergetic consumption. The influence of operating parameters was studied. Finally, the type ofbiomass has an influence on the H2 production, not only because of initial biochemical composition,but also because of the endogenous microflora which orientates the metabolism. The endogenousmicroflora responsible of H2 production from ‘solid grape residues’ biomass (50 ± 6 L.L-1biomass with a2.0 ± 0.2 mol.mol-1 yield) through acetate/butyrate pathways belongs to Clostridiaceae family whilethe one responsible of H2 production from ‘grape pomace’ biomass (20 ± 4 L.kg-1biomass with a 1.3 ±0.3 mol.mol-1 yield) through acetate/ethanol pathways belongs to Enterobacteriaceae family.

Les dernières années ont permis des développements très rapides, tant au niveau de l’élaboration que de l’application, d’algorithmes de commande prédictive non linéaire (CPNL), avec une gamme relativement large de réalisations industrielles. Un des obstacles les plus significatifs rencontré lors du développement de cette commande est lié aux incertitudes sur le modèle du système. Dans ce contexte, l’objectif principal de cette thèse est la conception de lois de commande prédictives non linéaires robustes vis-à-vis des incertitudes sur le modèle. Classiquement, cette synthèse peut s’obtenir via la résolution d’un problème d’optimisation min-max. L’idée est alors de minimiser l’erreur de suivi de la trajectoire optimale pour la pire réalisation d'incertitudes possible. Cependant, cette formulation de la commande prédictive robuste induit une complexité qui peut être élevée ainsi qu’une charge de calcul importante, notamment dans le cas de systèmes multivariables, avec un nombre de paramètres incertains élevé. Pour y remédier, une approche proposée dans ces travaux consiste à simplifier le problème d’optimisation min-max, via l’analyse de sensibilité du modèle vis-à-vis de ses paramètres afin d’en réduire le temps de calcul. Dans un premier temps, le critère est linéarisé autour des valeurs nominales des paramètres du modèle. Les variables d’optimisation sont soit les commandes du système soit l’incrément de commande sur l’horizon temporel. Le problème d’optimisation initial est alors transformé soit en un problème convexe, soit en un problème de minimisation unidimensionnel, en fonction des contraintes imposées sur les états et les commandes. Une analyse de la stabilité du système en boucle fermée est également proposée. En dernier lieu, une structure de commande hiérarchisée combinant la commande prédictive robuste linéarisée et une commande par mode glissant intégral est développée afin d’éliminer toute erreur statique en suivi de trajectoire de référence. L'ensemble des stratégies proposées est appliqué à deux cas d'études de commande de bioréacteurs de culture de microorganismes. / The last few years have led to very rapid developments, both in the formulation and the application of Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) algorithms, with a relatively wide range of industrial achievements. One of the most significant challenges encountered during the development of this control law is due to uncertainties in the model of the system. In this context, the thesis addresses the design of NMPC control laws robust towards model uncertainties. Usually, the above design can be achieved through solving a min-max optimization problem. In this case, the idea is to minimize the tracking error for the worst possible uncertainty realization. However, this robust approach tends to become too complex to be solved numerically online, especially in the case of multivariable systems with a large number of uncertain parameters. To address this shortfall, the proposed approach consists in simplifying the min-max optimization problem through a sensitivity analysis of the model with respect to its parameters, in order to reduce the calculation time. First, the criterion is linearized around the model parameters nominal values. The optimization variables are either the system control inputs or the control increments over the prediction horizon. The initial optimization problem is then converted either into a convex optimization problem, or a one-dimensional minimization problem, depending on the nature of the constraints on the states and commands. The stability analysis of the closed-loop system is also addressed. Finally, a hierarchical control strategy is developed, that combines a robust model predictive control law with an integral sliding mode controller, in order to cancel any tracking error. The proposed approaches are applied through two case studies to the control of microorganisms culture in bioreactors.

La conception de souches efficacespour la production de composés d’intérêt offredes potentiels immenses qui restent trop peu exploitéspar manque de lien entre les étapes d’optimisationde la conception de souche et celle dela conduite du bioprocédé.Pour combler ce manque, cette thèse proposeune description des bioprocédés intégrant pleinementle fonctionnement interne des microorganismesimpliqués dans la production decomposés d’intérêt. Cette description permetd’optimiser simultanément la souche et le procédépour maximiser la production d’un composéd’intérêt en respectant les contraintes attachéesà ces deux étapes.Dans un premier temps, une nouvelle classe demodélisation de bioprocédés est développée, àl’interface entre les modèles intracellulaires degestion de ressources et les modèles macroscopiquesusuellement utilisés dans la commandede bioprocédés en bioréacteurs. Dans un secondtemps, des contraintes liées à l’implémentationbiologique de la stratégie de contrôle sont intégréesau problème. Ceci permet d’obtenir uneconception plus réaliste du point de vue de l’ingénieriedes génomes. Enfin, la dernière partiede la thèse montre que la méthodologie présentéejusqu’alors sur un modèle agrégé peut êtreétendue à des représentations détaillées du comportementdes micro-organismes. / The design of efficient strains forthe production of compounds of interest offerstremendous potentials that remain insufficientlyexploited due to the lack of link between theoptimization stages of strain design and that ofbioprocess control.This thesis proposes a description of bioprocessesthat fully integrates the internal functioningof micro-organisms involved in the productionof compounds of interest. This descriptionallows the strain and process to be optimizedsimultaneously to maximize the productionof a compound of interest while respecting theconstraints attached to these two stages.First, a new bioprocess modelling class is developedat the interface between intracellular resourceallocation models and macroscopic modelscommonly used in bioprocess control. In asecond stage, constraints linked to the biologicalimplementation of the control strategy are integratedinto the problem. This provides a morerealistic genome engineering design. Finally, thelast part of the thesis shows that the methodologypresented so far on an aggregate model canbe extended to detailed representations of thebehaviour of micro-organisms.

La cellule d’électrolyse microbienne (CEM) permet la conversion de la biomasse en dihydrogène via un apport théorique en énergie électrique 10 fois moindre que celui de l’électrolyse de l’eau. Un tel procédé fonctionne via la technologie des bioanodes, qui permet la catalyse de l’oxydation de la biomasse en CO2 par l’intermédiaire d’un biofilm électro-actif. Les travaux exposés dans ce manuscrit de thèse ont pour but l’optimisation des performances de la bioanode, la compréhension des mécanismes de catalyse et la réalisation d’un prototype à échelle laboratoire. L’optimisation par l’étude de paramètres opératoires en montage 3 électrodes a montré que l’utilisation de sédiments de salins comme source de micro-organismes avec électrode en feutre de carbone polarisée à + 0,1 V / ECS à une température de 40°C permet la formation de bioanodes capables de débiter jusqu’à 85 A.m-2 pour une conductivité de 10,4 S.m-1. A 30°C, le pyroséquençage ADN a mis en lumière l’émergence des genres bactériens Desulfuromonas et Marinobacter. La conception et l’exploitation d’un modèle de voltammétrie cyclique a montré que le transport des électrons au sein du biofilm était environ 100 fois plus lent que le métabolisme bactérien. L’utilisation de la spectroscopie d’impédance électrochimique montre que la résistance au transfert de charge à l’interface électrode/solution baisse de 24 kΩ.cm2 à 64 Ω.cm2 lors de la formation du biofilm. Un taux de production maximum de 2,85 LH2.L-1.j-1 ainsi qu’une durée de vie de plus de 50 jours du procédé ont été obtenus lors de la conduite d’un prototype laboratoire de CEM. / Microbial electrolysis cell (MEC) is a recent and promising bioelectrochemical process that converts biomass onto hydrogen thanks to an amount of electrical energy 10 times smaller than for water electrolysis. The operation of the process is making possible by the bioanode technology which catalyses the biomass combustion onto CO2 through an electro-active biofilm. The purpose of the present work consists on the optimisation of the bioanode, the understanding of the catalysis mechanism and a scaling-up by the designing of a MEC prototype. Using a three-electrode device and sediment of salt marshes as inoculum, the study of the experimental parameters demonstrated that carbon felt poised at + 0.1 V /ECS at 40°C led to the formation of bioanode able to generate up to 85 A.m-2 at a solution conductivity of 10,4 S.m-1. For a temperature of 30°C, DNA pyrosequencing denoted the presence of the two bacterial genera Desulfuromonas and Marinobacter. The development and the exploitation of a cyclic voltammetric model showed that electron transfer within the biofilm ran almost 100 times slower than bacterial metabolism. Electrochemical impedance spectroscopy during biofilm formation revealed a decreasing of the charge transfer resistance at the electrode/solution interface from 24 kΩ.cm2 to 64 Ω.cm2. Designing and first experiments with a 6L CEM prototype led to a hydrogen production rate of 2.85 LH2.L-1.j-1 and a process life time of up to 50 days. Those performances were achieved in a reproducible way.

Cette thèse de doctorat porte sur l’optimisation du bioprocédé de production d’acide lactique à partir de la farine de blé. L'acide lactique s’avère en effet de plus en plus attractif pour la production de PLA (acide poly lactique), un bio polymère, d’autant plus que différentes matières premières peu coûteuses comme la farine de blé sont désormais utilisées comme sources de carbone pour sa production. Cette thèse comprend trois parties principales. Une première partie propose pour l’optimisation du procédé de transformation du blé un schéma innovant composé de trois étapes successives : une liquéfaction, suivi d’une étape de saccharification et hydrolyse des protéines simultanées (SSPH) et une étape finale de saccharification, hydrolyse des protéines et fermentation simultanées (SSPHF). La deuxième partie s’intéresse à la modélisation de l’étape SSPHF (étape limitante) dans un bioréacteur continu. La détermination des paramètres du modèle ainsi que leur validation sont réalisées à l’aide de campagnes d’essais sur un bioréacteur de 5 L.Enfin, la dernière partie développe la mise en oeuvre de stratégies de commande permettant de maintenir le bioprocédé à son point optimal de fonctionnement. Pour ce faire, du fait de l’absence de capteurs pour la mesure en temps réel des concentrations des variables clé dans le bioréacteur, des estimateurs de ces concentrations ainsi que du taux de production en acide lactique sont tout d’abord élaborés. Des stratégies de commande régulant la concentration d’acide lactique à sa valeur optimale sont ensuite synthétisées et comparées en simulation. Une commande adaptative combinant une commande linéarisante par retour d’état et un estimateur du taux de production en acide lactique est finalement retenue et validée expérimentalement sur un réacteur instrumenté. Cette dernière s’est avérée robuste vis-à-vis des erreurs de modélisation et a permis lors des expériences de doubler la productivité de l’acide lactique. / This PhD thesis focuses on the optimization of the bioprocess of lactic acid production from wheat flour. Indeed, lactic acid has received much attention for the production of PLA (Poly Lactic Acid), a biopolymer, since different inexpensive raw material such as wheat flour are now used as carbon source for its production. This work was performed in three main steps. In the first step, an innovative wheat transformation process is proposed, whose main steps are the following: a liquefaction followed by a simultaneous saccharification, proteins hydrolysis (SSPH) and and a final simultaneous saccharification, proteins hydrolysis and fermentation (SSPHF). Secondly, the modeling of the SSPHF (limiting step) in a continuous bioreactor is considered. The determination and validation of model parameters is performed by means of experimental campaigns in a 5 L bioreactor.In the last step, the development of control strategies to maintain the process at its optimal operating point is considered. To do so, due to the absence of sensors for real-time measurement of the concentrations of key variables of the bioreactor, estimators of these concentrations and of the lactic acid production rate are first developed. Then, control strategies for regulating the lactic acid concentration at its optimal value are designed and compared in simulation. An adaptive control combining a state feedback linearizing control and an estimator of the lactic acid production rate is finally chosen to be experimentally validated on an instrumented reactor. This strategy showed good robustness features with respect to modeling mismatches and was able during experiments to increase twice the lactic acid productivity.