L'objectif de ce projet consiste à identifier des molécules fluorescentes, naturellement présentes dans les cellules, et dont l'évolution de leur concentration sera représentative du comportement métabolique de cellules en suspension. Ces molécules pourront servir au suivi du métabolisme cellulaire en temps réel durant une culture. Un besoin pour ce type d'outils se fait sentir afin de pouvoir développer et optimiser des bioprocédés, dont ceux utilisant des cellules végétales indifférenciées en suspension. La première étape fut la sélection et la caractérisation expérimentale de 11 molécules candidates à l'aide d'un spectrophomètre équipé d'un monochromateur quadruple. Après la réalisation des empreintes optiques des molécules, 16 zones d'intérêt dans le spectre d'autofluorescence furent identifiées et suivies dans le temps. Les signaux de la suspension complète, du milieu et des cellules filtrées furent analysés afin d'identifier 10 marqueurs métaboliques, caractérisés par 10 couples de longueurs d'ondes corrélés à des variables de culture. Cette méthode a permis d'identifier dix marqueurs métaboliques dans la suspension complète et laisse entrevoir la possibilité de plusieurs autres dans le milieu et les cellules filtrées. Le fait que certains marqueurs puissent se valider entre eux rajoute à la puissance de cette méthode. Il a donc été démontré que l'autofluorescence des cellules de plante indifférenciées en suspension contient assez d'information pour permettre le suivi de la croissance cellulaire en temps réel. La prochaine étape sera donc de valider ces marqueurs sur d'autres types de cellules.

De nombreux métaux et métalloïdes sont indispensables au développement des sociétés humaines, qui ont exploité les gisements de divers éléments stratégiques depuis des siècles, voire des millénaires. Cependant, les êtres vivants dits " supérieurs " sont sensibles à la toxicité des métaux et métalloïdes : ces derniers peuvent causer des dommages importants à la santé des populations exposées, ainsi qu'à l'ensemble des écosystèmes contaminés. Les milieux riches en métaux et métalloïdes offrent cependant des niches écologiques favorables au développement de certains micro-organismes. La microflore de ces environnements est capable de résister à de fortes concentrations en métaux, et de nombreuses bactéries peuvent utiliser des métaux et des métalloïdes en tant que donneurs ou accepteurs d'électrons. Elles participent ainsi activement aux cycles biogéochimiques de ces éléments. Le présent mémoire est une synthèse des travaux réalisés par l'auteur entre 1990 et 2010 dans le domaine des biotechnologies et de la biogéochimie. Ces études ont été focalisées sur des processus bactériens de solubilisation ou d'immobilisation des métaux et/ou métalloïdes, en milieu neutre, modérément acide ou très acide. Les principaux sujets de recherche abordés ont été les suivants : * la biolixiviation acidophile des minerais sulfurés, et les interactions entre bactéries et fer dissous, * l'oxydation biologique de l'arsenic dans les environnements miniers, et l'application de ce phénomène dans le domaine du traitement des eaux, * l'utilisation de l'As(III) comme source d'énergie par des bactéries isolées, * les phénomènes de bio-réduction et bio-précipitation de métaux et métalloïdes, en particulier du chrome et de l'arsenic, en conditions de sulfato-réduction. Les différents travaux évoqués dans le présent mémoire ont porté soit sur la biogéochimie d'environnements pollués, soit sur la mise au point de procédés de bioremédiation. Le projet de recherche proposé pour les années à venir conservera cette dualité processus/procédés. Il sera focalisé sur les réactions qui modifient les formes des métaux et métalloïdes en présence de catalyseurs microbiens, et s'efforcera de quantifier le bénéfice potentiel tiré de ces réactions par les micro-organismes, en fonction des conditions physico-chimiques. Cette démarche permettra de cibler la recherche de niches écologiques où des métabolismes bactériens originaux, potentiellement exploitables en termes de procédés, pourraient être mis en évidence.

Cette thèse s'attache à la maximisation de la consommation du dioxyde de carbone par les microalgues. En effet, suite aux différentes problématiques environnementales actuelles liées principalement aux émissions importantes de gaz à effet de serre et notamment le CO2, il a été démontré que les microalgues jouent un rôle très prometteur pour la bio-fixation du CO2. Dans cette optique, nous nous intéressons à la mise en place d'une loi de commande robuste permettant de garantir des conditions opératoires optimales pour une culture de la microalgue Chlorella vulgaris dans un photobioréacteur instrumenté. Cette thèse repose sur trois axes principaux. Le premier porte sur la modélisation de la croissance de l'espèce algale choisie à partir d'un modèle mathématique traduisant l'influence de la lumière et de la concentration en carbone inorganique total. En vue de la commande, le deuxième axe est consacré à l'estimation de la concentration cellulaire à partir des mesures disponibles en temps réel du dioxyde de carbone dissous. Trois types d'observateurs ont été étudiés et comparés : filtre de Kalman étendu, observateur asymptotique et observateur par intervalles. Le dernier axe concerne l'implantation d'une loi de commande prédictive non-linéaire couplée à une stratégie d'estimation pour la régulation de la concentration cellulaire autour d'une valeur maximisant la consommation du CO2. Les performances et la robustesse de cette commande ont été validées en simulation et expérimentalement sur un photobioréacteur instrumenté à l'échelle de laboratoire. Cette thèse est une étude préliminaire pour la mise en œuvre de la maximisation de la fixation du dioxyde de carbone par les microalgues.

.Le transport de soluté en présence de biofilms en milieux poreux est un problème rencontré dans de nombreuses applications industrielles (biofiltration des eaux usées et traitement de polluants atmosphériques notamment). En termes de modélisation, l'interaction entre biologie, hydrodynamique et chimie reste difficile à comprendre aux échelles les plus fines: cela a conduit à une large utilisation de modèles macroscopiques, plus simple à manipuler. Cependant, la question consiste à écrire des modèles macroscopiques suffisamment complexes pour prendre en compte les processus pertinents représentant le couplage entre développement de la biomasse et fonctionnement du système, mais suffisamment simple pour une utilisation opérationnelle. Cette thèse s’est focalisée sur certains processus qui régissent le comportement macroscopique de tels systèmes. Nous avons étudié la modélisation de la réduction de la perméabilité induite par le développement du biofilm. Un modèle incorporant deux processus caractéristiques du colmatage (réduction de la taille pores et formation de « plugs ») a été développé. Ce modèle a été évalué pour une large gamme de données expérimentales. Une autre partie porte sur les processus d’adhésion initiale de la biomasse, processus important pour caractériser l’état initial du système. Sous l’hypothèse que les cellules bactériennes peuvent être traitées comme des colloïdes non rigides, une nouvelle corrélation a été développée pour estimer l’efficacité d’attachement des bactéries. Cette corrélation est basée sur l'analyse d'un large éventail de données expérimentales pour des conditions variées en termes d'électrolyte, débit et géométrie des milieux poreux, et introduit de nouveaux paramètres adimensionnels pour représenter les effets couplés des forces de Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO), des forces hydrodynamiques et prendre en compte la géométrie des milieux poreux. Ces processus ont été introduits dans un modèle 1D développé pour la simulation numérique du transport de soluté en présence de biofilm dans un milieu poreux. Une autre question importante dans ce modèle était de représenter correctement le processus détachement de biofilm. Un autre trait distinctif de notre modèle est une tentative de rendre compte du processus de «sloughing» dans la modélisation du détachement de biofilm. Le « sloughing » est un processus différent de l'érosion, phénomène continu, et qui correspond à une élimination discrète d'une grande fraction de biofilm.Dans cette étude, le phénomène de « sloughing » a été incorporé séparément etodélisé comme un processus stochastique. Des simulations numériques ont été effectuées en utilisant OpenFoam pour implémenter le modèle. Des simulations avec et sans le terme de « sloughing » ont été effectuées et discutées dans le cadre des données de la littérature disponibles. / Solute transport coupled with biofilm growth in porous media is encountered in many engineered applications, for instance biofiltration of wastewater and air pollutant treatment. In terms of modelling, the interaction between biology, hydrodynamic and chemistry are still difficult to understand at the fine scale: that led to a wide dissemination of macroscopic model, simpler to handle. However, one issue consists in providing a macroscopic model complex enough to take into account the relevant processes accounting for the coupling between the biomass development and system functioning, but simple enough for operational use. This thesis focused on few selected processes that influence the macroscopic behavior of such system. First, we investigated the permeability reduction modeling accounting for biofilm development. A model including two features that result in permeability reduction (pore radius reduction and pore plugging) was developed. This model was assessed in a wide range of experimental data. Another part of the thesis focused on the initial biomass attachment that is an important feature to characterize the system initial state. Following the concept that bacterial cell can be treated as soft colloids, a new correlation equation was developed to estimate the bacteria attachment efficiency. This correlation is based on the regression analysis of a wide range of experimental data of colloid deposition in various electrolyte conditions, flowrates and geometries of porous media. New dimensionless parameters have been introduced to represent the coupled effects of Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek (DLVO) forces, hydrodynamic forces and to account for geometry of porous media. These features were introduced in a 1D dimensional model that have been developed for the numerical simulation of solute transport coupled with biofilm growth. An important issue in this model was to properly represent biofilm detachment. Another distinctive feature of our model is an attempt to account for the “sloughing” process in modeling biofilm detachment. Sloughing is a different process than erosion which corresponds to a discrete removal of large fraction of biofilm. In this study, biofilm sloughing has been separately accounted in the numerical modeling porous media bioclogging. Biofilm sloughing was considered as a stochastic process and quantified by random generator. So this discrete events could be incorporated into other continuous processes to determine the biomass transfer from biofilm to the liquid phase. Numerical simulations have been performed using OpenFoam to implement the model. Simulation with and without the sloughing term were performed and discussed in the frame of available literature data

Cette thèse a pour cadre le contrôle auto-adaptatif de procédés biologiques et son objectif est de permettre l'application de ce contrôle à une grande variété de problèmes distincts en évitant la phase usuelle de leur modélisation. Les bioprocédés sont des systèmes complexes, hautement dynamiques et parvenir à les contrôler en vue d'obtenir une production définie se révèle une tâche difficile. De plus, les incertitudes liées aux mesures et le manque de connaissances des réactions biologiques précises se déroulant à l'intérieur même du bioprocédé, font que les méthodes usuelles mises en œuvre pour contrôler un bioprocédé particulier doivent être largement re-calibrées dès qu'il s'agit d'adapter ce contrôle à un bioprocédé différent. L'apport de cette thèse est de proposer une approche informatique de cette problématique, centrée sur l'utilisation de Systèmes Multi-Agents Adaptatifs (AMAS). Les propriétés auto-organisatrices de tels systèmes, ainsi que leur conception centrée sur les comportements locaux, permettent d'appréhender la complexité des procédés biologiques et de fournir un système apte à leur contrôle sans nécessiter d'informations détaillées sur ceux-ci, tout en étant capable de s'adapter à leurs dynamiques. Deux systèmes multi-agents adaptatifs distincts, répondant chacun à un ensemble de contraintes différentes, ont permis d'étudier la faisabilité et l'apport de cette approche au domaine du contrôle de procédés. L'aboutissement est un modèle AMAS générique qui est associé à chaque variable contrôlable du procédé afin d'apprendre et de déterminer les actions de contrôle pour atteindre les objectifs définis par l'utilisateur. Les agents observent en temps réel l'évolution des variables du procédé pour en extraire les informations nécessaires à son contrôle. Le système de contrôle établit alors une contextualisation des contrôles à appliquer qui devient indépendante de la connaissance du bioprocédé. Ce contrôle auto-adaptatif a été évalué sur un ensemble de problèmes de contrôle de systèmes dynamiques, notamment celui d'un bioprocédé simulé, et les résultats obtenus sont analysés dans ce mémoire / This work aims at creating a self-adaptive approach to control bioprocesses while still being generic enough to be applied on a wide range of problems without relying on their modeling. Bioprocesses are complex and highly dynamic systems, and controlling them to reach a user-defined objective is a difficult task. Furthermore, the limited amount of available measures and the lack of a precise biological knowledge of what is happening inside the bioprocess lead usual control approaches to be recalibrated before being applied on a different bioprocess. The benefit of this work is a computer-based approach relying on the Adaptive Multi-Agent Systems (AMAS) theory. The objectives of adaptability and genericity are reached thanks to the self-organization of such systems and their design focusing on the local behavior of the agents, dealing with the complexity of such a problem without needing an extensive amount of information on the system to control.Two distinct multi-agent systems, defined by a specific set of constraints, were created to study the feasibility and benefits of such an approach. The outcome is a generic AMAS model, associated with each controllable variable, which learns the actions to apply in order to fulfill user-defined objectives. Agents observe in real-time the evolution of the variables and extract the information needed to control the target system. The AMAS is then able to contextualize the control without modeling the behavior of the system to control itself.This self-adaptive control was evaluated on a set of problems involving the control of dynamic systems, such as bioprocesses, and the associated results are analyzed

Dans ce travail, le problème de conception de contrôleurs flous est étudié. Dans une première partie, on présente un état de l'art sur les techniques utilisées à savoir les algorithmes génétiques et ses différentes variantes, les réseaux de neurones, la logique floue et leurs hybridations. Prenant appui sur cet état de l'art nous proposons une première méthode de conception des contrôleurs flous de Mamdani par algorithmes génétiques simples. Cette méthode est en suite améliorée par l'emploi des algorithmes génétiques hiérarchisés. Ces derniers permettent par le biais de la structure de leurs chromosomes, une meilleure optimisation des paramètres du contrôleur tout en éliminant les règles incohérentes qui peuvent se présenter, comme pour la première méthode, à la fin du processus d'optimisation. La dernière méthode proposée concerne la synthèse des contrôleurs flous de Sugeno. Elle est basée sur une procédure d'apprentissage hybride qui se déroule en deux étapes. Durant la première étape, le contrôleur flou est représenté sous forme d'un réseau de neurones multicouches dont les paramètres sont optimisés par l'algorithme de rétropropagation. Dans la deuxième étape, les paramètres obtenus à l'issue de la première phase sont extraits et optimisés par le NSGA-II suivant un codage hiérarchisé. L'ensemble des ces méthodes est appliqué pour la conduite d'un procédé de fermentation alcoolique en mode continu.

Cette thèse propose une méthodologie de commande d'un bioréacteur fed-batch de culture E. coli. La stratégie consiste à maximiser la croissance de la bactérie, c'est-à-dire à maintenir le bioréacteur à un point de fonctionnement « optimal », caractérisé par la frontière entre les régimes oxydatif et oxydo-fermentatif. La démarche proposée comprend une première étape de modélisation mathématique et de détermination d'un modèle paramétrique simplifié. Une deuxième phase consiste en une identification paramétrique du modèle en se basant sur l'analyse de sensibilité du modèle vis-à-vis de ses paramètres. Un profil optimal d'alimentation est ensuite élaboré pour la maximisation de la croissance de la biomasse. A partir de toutes ces données, la synthèse et l'application de la commande prédictive non-linéaire au bioprocédé E. coli sont mises en œuvre. L'objectif est de réguler la concentration en acétate à une valeur faible donnée, tout en forçant le débit d'alimentation à suivre un profil de référence. La stratégie de commande proposée se base sur la transformation du problème de commande prédictive non-linéaire classique en un problème de programmation non-linéaire non contraint, résolu par des techniques de CVP. Pour une meilleure robustesse de la structure proposée, la différence entre le système et le modèle est explicitement incluse dans l'algorithme. Enfin, une étude de robustesse par une approche statistique de type Monte Carlo permet de juger de l'applicabilité de la loi de commande proposée sur le système réel. Ce travail constitue une étude préliminaire en vue d'une implantation de cette loi de commande à un bioréacteur à l'échelle du laboratoire ou industrielle

Le secteur industriel du traitement des déchets génère des émissions gazeuses induisant des nuisances odorantes auprès des populations riveraines des installations. Ces effluents gazeux contiennent une grande diversité de composés volatils : oxygénés (acides gras volatils, cétones, aldéhydes, alcools), azotés et soufrés (hydrogène sulfuré (H2S), diméthylsulfure (DMS), diméthyldisulfure (DMDS) et méthanethiol (MT)). Ces effluents gazeux sont traités par un dispositif approprié que sont les bioprocédés. Néanmoins, les seuils de perception des composés odorants et plus particulièrement ceux des composés soufrés, très bas, obligent à atteindre des efficacités d'abattement particulièrement élevées, faute de quoi le résiduel de concentration peut être à l'origine d'un impact notable sur les populations riveraines. L'objectif de cette étude est donc d'améliorer les performances de ces procédés biologiques par la mise en oeuvre de filières de traitement. L'originalité de ce travail est d'évaluer les performances d'épuration d'un mélange de composés soufrés par la mise en oeuvre du couplage de deux procédés biologiques que sont le lit percolateur et le biofiltre.Le premier résultat de ce travail de thèse a consisté à évaluer l'impact du pH sur l'activité de dégradation de composés soufrés en mélange (H2S, DMS et DMDS) en mettant en oeuvre des microcosmes. La valeur du pH de la phase aqueuse a une influence sur l'efficacité d'élimination des DMS et DMDS. Une élimination complète de ces derniers est observée pour une gamme de pH comprise entre 5 et 7. Les performances de ce couplage ont été comparées avec celles observées dans le cas de biofiltres seuls (dupliquats). Après une phase d'acclimatation, un fonctionnement stable est maintenu en conditions opératoires stationnaires. Les potentialités du couplage ont été mises en évidence, les niveaux d'abattement des DMS et DMDS étant supérieurs (de l'ordre de 20%) pour le couplage de bioprocédés. La composante microbiologique a fait l'objet d'une attention particulière en évaluant les densités de deux populations connues pour dégrader ces composés soufrés (Hyphomicrobium et Thiobacillus thioparus) par q-PCR au sein du biofiltre couplé au filtre percolateur et des biofiltres de référence. Les résultats obtenus mettent en évidence la présence de ces deux populations à des taux élevés (104 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Thiobacillus thioparus et 104-106 copies du gène ADNr-16S/ng ADN extrait pour Hyphomicrobium). La répartition de ces deux populations est similaire dans les deux cas (couplage et biofiltres seuls).Face à des perturbations représentatives de celles observées sur site, la robustesse du couplage a pu être mise en évidence, les niveaux d'efficacité d'avant les chocs sont récupérés dans un délai inférieur ou égal à 72 heures après l'arrêt de la perturbation. Enfin, une application sur site (équarrissage) a été conduite sur une période de trois mois et a permis de valider les résultats de laboratoire et de montrer l'adaptabilité d'un tel système face à la variabilité d'un effluent réel.

Le premier chapitre de ce mémoire porte sur l'étude des minimum forts pour des problèmes de contrôle optimal gouvernés par des EDP semi-linéaires elliptiques et paraboliques avec contraintes intégrales sur l'état final. Le second chapitre porte sur l'étude du problème de temps minimal pour un système de type chemostat en présence de points singuliers stationnaires. On y étudie également un problème de contrôle optimal pour un système chemostat avec deux espèces en compétition et qui comporte une courbe de non-contrôlabilité. Le troisième chapitre s'intéresse à la synthèse d'un contrôle optimal par retour d'état pour un problème de temps minimal issu d'un système fed-batch, notamment en présence d'un contrôle impulsionnel. Le quatrième chapitre étudie deux problèmes de contrôle optimal sous contraintes d'état périodiques. Enfin, le dernier chapitre traite de problèmes d'optimisation de forme géométriques sous contraintes de convexité. Cette dernière est formulée comme une contrainte semi-définie, ce qui permet ensuite d'utiliser la programmation SDP pour minimiser la fonction coût.

L’objet de cette thèse est l’étude de certains problèmes liés à l’ingénierie des bioprocédés, en particulier l’analyse du comportement et de la culture optimale des microalgues et la connexion de plusieurs bioréacteurs. Trois problèmes sont proposés et analysés. Le première est basé sur une étude récente dans laquelle les auteurs modifient le modèle classique du Monod en incorporant l’incidence de la lumière sur la dynamique à travers le rôle de la croissance de la biomasse. L’idée est d’étudier un problème plus général de l’optimisation non linéaire qui considère maximisation de la biomasse moyenne de microalgues en fonction du temps, pour des intervalles de temps différents. La difficulté mathématique qui se pose est lié à la discontinuité des intervalles de temps qui rend la fonction à optimiser non différentiable. Ce manque de régularité comprend la formulation d’un problème d’optimisation non-lisse. Dans le deuxième problème, un modèle réduit du réservoir microalgues avec nitrification est analysé, en supposant que les microalgues peuvent se développer à partir de la consommation de nitrate et d’ammonium, de préférence par l’ammonium. La limitation de la lumière par l’auto-ombrage est également inclus dans le taux de croissance du microalgues comme inhibition non compétitive. En réduisant le système en utilisant la théorie des systèmes asymptotiquement autonomes, il peut être considéré comme une perturbation d’un système de deux espèces en compétition pour un substrat. Par conséquent, nous utilisons un résultat de systèmes perturbés non-évanescentes pour obtenir un théorème de stabilité pour la coexistence.Le dernier problème est lié aux systèmes compartimentés. Il est prouvé que pour une grande classe de systèmes entrées-sorties positifs de dimension finie, représentant transport et diffusion de soluté entre des compartiments mobiles et immobiles, il existe des représentations MINC (multiple interacting continua) et MRMT (multi-rate mass transfer) algébriquement équivalentes. En outre, des méthodes explicites sont donnés pour construire ces représentations équivalentes, où la contrôlabilité des systèmes joue un rôle important. / The purpose of this thesis is to study some problems that arise from bioprocess engineering, in particular the behaviour analysis and optimal cultivation of microalgae and the connection of multiple bioreactors. The thesis consists of three problems. The first is based on a recent study in which the authors extend the classical Monod model incorporating light incidence on the dynamics through the role of biomass growth. The idea is to study a more general problem of nonlinear optimization which considers maximization average biomass of microalgae versus time, for different time intervals. The mathematical difficulty that arises is related to that discontinuity of the time intervals which causes non differentiability in some domain points. This lack of regularity involves the formulation of a non-smooth optimization problem. In the second problem, a reduced mathematical model of a microalgal pond with nitrification is analyzed, assuming that microalgae can grow either by ammonium consumption or by nitrate consuming, with preference for ammonium. Light limitation by self-shading is also included in the growth rate of microalgae as a noncompetitive inhibition.It is feasible to reduce the system using the theory of asymptotically autonomous systems and the limiting system obtained can be considered as a perturbation of a system of two species competing for a substrate. So, we use a result of non-vanishing perturbated systems to obtain a strong stability theorem for equilibrium coexistence. The last problem is related to compartmental systems. It is proved that for a large class of finite dimensional input-output positive systems that represent networks of transport and diffusion of solute in mobile and immobile compartments, there exist MINC (multiple interacting continua) and MRMT (multirate mass transfer) algebraically equivalent representations. Moreover, we provide explicit methods to construct these representations, where controllability property is playing a crucial role.