Le Laboratoire Biométiss oeuvre dans le domaine de la mécanobiologie. Ses recherches visent à mieux comprendre l’évolution des propriétés viscoélastiques in vitro des tissus conjonctifs mous vivants sous chargement mécanique. L’outil premier de ce type de recherche in vitro se nomme bioréacteur. Il permet la mimique des sollicitations mécano-biochimiques physiologiques ou traumatiques auxquelles sont soumis les tissus in vivo ainsi que la caractérisation destructive ou non-destructive de leurs propriétés viscoélastiques. En 2007, un premier bioréacteur destiné à la stimulation et la caractérisation in vitro à long terme de tendons de queue de rat a été conçu et fabriqué par un membre de Biométiss (Huppé, 2007). L’expérience acquise avec celui-ci a permis d’acquérir une meilleure définition des besoins du laboratoire. Elle a aussi permis d’identifier certaines limitations principalement associées à la convivialité ainsi qu’à la qualité de mesure et de contrôle de ce premier bioréacteur. Il a alors été convenu que la conception d’un nouveau bioréacteur était nécessaire et préférable à la modification du premier bioréacteur. C’est ainsi qu’a pris naissance le projet de maîtrise portant sur la conception d'un bioréacteur de haute performance permettant la stimulation et la caractérisation mécanique à long terme des tendons de queue de rat. L’approche de conception inspirée des machines de haute précision et adoptée pour concevoir le bioréacteur a permis d’avoir un regard nouveau sur le bioréacteur et mettre en oeuvre plusieurs innovations importantes. Les concepts novateurs de servo-actionneur personnalisé, d’isolation vibratoire à deux niveaux ou de labyrinthe mobile, pour n’en nommer que quelques-uns, ont permis d’atteindre de hautes performances. Les fruits de ces innovations sont entre autres : - L’amélioration de la qualité de mesure et de contrôle résultant de la stimulation et de la caractérisation mécanique; - L’optimisation de la convivialité d’utilisation; - La minimisation du facteur humain sur les résultats. Finalement, l’article intitulé A Roadmap for the Design of Bioreactors in Mechanobiological Research and Engineering of Load-Bearing Tissues par Viens et al. (2011) a été rédigé à partir de l’expérience de conception vécue dans le cadre du présent projet. Il propose une approche structurée, basée sur l’analyse du cycle d’utilisation du bioréacteur et de la routine de stimulation et de caractérisation mécanique, permettant d’élaborer un cahier des charges fonctionnelles complet et exact. Il est espéré que cet article permettra de guider le chercheur à travers cette étape décisive et ardue du processus de conception d’un bioréacteur.

Malgré leur fort développement en assainissement domestique urbain, les bioréacteurs à membranes (BaM) pâtissent de phénomènes de colmatage, induisant des coûts énergétiques et de maintenance importants. L’aération séquencée des membranes par des grosses bulles est l’une des stratégies pour limiter le colmatage ; son impact a fait l’objet de plusieurs études mais reste globalement mal compris, notamment du fait de la complexité de ces systèmes, multiphasiques et opaques. L’hydrodynamique des réacteurs reste mal caractérisée en présence de boues. Pour apporter des éléments de compréhension aux mécanismes de limitation du colmatage par injection d’air, un pilote de filtration membranaire semi-industriel (2 m3, 3 sous modules fibres creuses Puron®) a été conçu, dimensionné et installé sur l’unité de traitement des jus (TDJ) de la station d’épuration Seine Aval (SIAAP), afin d’être alimenté en boues biologiques dans des conditions réelles de fonctionnement. Le suivi des paramètres opératoires du pilote et de ses performances de filtration sur une période de 5 mois avait un double objectif : (i) mieux caractériser la dispersion du gaz pour différentes conditions de fonctionnement (paramètres de l’aération, concentration en boues de l’alimentation), (ii) hiérarchiser les facteurs qui limitent le colmatage des membranes. Il s’agit in fine de proposer des stratégies d’aération adaptées et efficaces pour limiter le colmatage. Afin de caractériser la dispersion du gaz dans le réacteur, une méthodologie innovante basée sur la tomographie de résistivité électrique (ERT) a été adaptée au pilote. Les conditions d’utilisation de l’ERT (nombre d’électrodes de mesure, séquence de quadripôles) ont été sélectionnées à travers une étude numérique, de même que les paramètres d’inversion nécessaires pour reconstituer la cartographie des résistivités à partir des mesures expérimentales. Cette étude numérique poussée, réalisée sous COMSOL, a permis de conclure à l’intérêt de la méthode pour représenter la distribution des phases dans la géométrie considérée. L’ERT a donc été appliquée au pilote alimenté en boues, pour différentes conditions d’aération. Le jeu de données de filtration a par ailleurs été analysé par logique floue, à l’aide du logiciel FisPro. Les arbres de décision obtenus, en analysant les résultats de manière globale et en les regroupant par conditions opératoires similaires, ont mis en évidence l’impact prépondérant des variables suivantes sur la dérive de perméabilité observée (comprise entre - 9 et 2 LMH/bar) : la différence de DCO entre le surnageant des boues et le perméat (DDCO) traduisant une phase colloïdale complexe, et la concentration en matières en suspension (MES), ayant toutes deux un impact négatif sur les performances de filtration. Une augmentation du débit d’air conduirait à une limitation de la dérive de perméabilité, sauf lorsque la variable DCO est élevée (> à 500 mg/L), cette hypothèse restant cependant à vérifier sur une base de données plus conséquente. Le modèle ainsi obtenu par logique floue permet de mieux simuler les évolutions de perméabilité que les modèles obtenus par régression linéaire multivariée (erreurs de 0,61 et de 0,70 respectivement), et ce malgré une incertitude relative importante sur la mesure de perméabilité (jusqu’à 16 %). Ces résultats sont cohérents avec la dispersion du gaz observée par ERT : son homogénéité dépend de la concentration en MES et du débit d’air injecté. A forte concentration en MES (6 – 10 g/L), des zones préférentielles de passage des bulles ont été observées, en particulier à faible débit d’air, expliquant ainsi un colmatage plus important. L’utilisation nouvelle dans ce contexte de ces techniques, ERT et logique floue, donne des résultats qui confortent l’intérêt d’adapter l’aération (débit, séquençage) aux caractéristiques des boues notamment leurs concentrations, et qui permettent d’envisager des stratégies de contrôle de ces paramètres

The development of functional and oriented microvessels within tissue constructs is a tremendous challenge in tissue engineering and regenerative medicine. It is justified by the need to allow better nutrient and oxygen supply and waste removal within the core of tissue constructs. It is one of the reasons why only few tissue substitutes are available to clinicians. Therefore, the focus of many research studies in the field of tissue engineering has been placed on promoting microvessel ingrowth inside tissue constructs prior to their implantation, as presented in Chapter 1. This process is often referred to as pre-vascularization. As such, Chapter 2 of this thesis is devoted to review the recent development and future challenges related to the microvascularization process of tissue constructs.The experimental work in this thesis is based on the hypothesis that polymer monofilaments precisely distanced from each others can be used to guide endothelial cells when dispersed in a (fibrin) gel and to induce tube-like structures in a directional fashion. In Chapter 3 of this thesis, the use of polymer fibres as contact guidance of endothelial cells to orient microvessel formation and development in a three-dimensional environment was validated.The novel cell attachment method described in Chapter 3 has resulted in an increase in Human Umbilical Vein Endothelial Cell (HUVEC) adhesion and spreading on bare poly(ethylene terephthalate) (PET) fibres. Furthermore, HUVEC-covered fibres were sandwiched between fibrin gels to allow the development of microvessels. Angiogenesis development was characterized and evaluated using a number of imaging techniques, including fluorescence microscopy and confocal microscopy. After 4 days of culture, microvessels formed large tube-like structures (diameter of approximately 100 [micro]m) between adjacent fibres distanced by 0.1mm. This proof-of-concept opens the door to other experiments and to possibility of scaling the system to bioreactor cultures. In Chapter 4, the effect of human fibroblasts and in another set of experiments, the influence of two angiogenic growth factors (i.e., Vascular Endothelial Growth Factor (VEGF) and basic Fibroblast Growth Factor (bFGF)) over the responses of the HUVEC-covered fibres sandwiched in fibrin were investigated.The development and maturation of microvessels as well as the assessment of lumen formation were evaluated using a fluorescent fibrin matrix, confocal microscopy and histology. Histology and fluorescent fibrin experiments confirmed that these microvessel-like structures formed between polymer monofilaments embedded in fibrin contained a lumen.The effects of VEGF and bFGF were dose dependent. Furthermore, the use of fibroblasts significantly improved the maturation of the microvessels compared to control and to samples cultured with VEGF and bFGF. Conclusions and suggested future work are presented in Chapter 5. Appendices A and B present the detailed protocols used to label cells in this study and general information about cell cytoskeleton, respectively.

La problématique concernant la présence et les risques potentiels liés aux micropolluants dans l'environnement est devenue une préoccupation d'actualité. Aujourd'hui, les stations d'épuration ne sont pas en mesure de traiter de manière adéquate ce nouveau type de pollution. Dans le cadre de cette thèse, l'application de la technologie des bioréacteurs à membrane a été envisagée afin d'évaluer leur potentiel pour la dégradation d'un médicament anticancéreux : le cyclophosphamide (CP). Les objectifs de cette étude sont d'une part évaluer le potentiel des bioréacteurs à membrane pour la dégradation du cyclophosphamide, ainsi que pour l'élimination de sa toxicité, d'autre part rechercher l'effet du CP et de ses métabolites sur les performances globales du procédé et sur l'activité de la biomasse épuratrice ainsi que sur les propriétés physico-chimiques de la liqueur mixte et les conséquences sur le colmatage. Deux âges de boues ont été évalués, 50 jours lors de la première campagne et 70 jours lors de la deuxième. L'élimination du CP et du métabolite 4-Keto-CP durant les deux campagnes expérimentales est d'environ 80% pour les deux composés. Les processus d'adsorption et de biodégradation contribuent à l'élimination du CP de l'eau résiduaire traitée. Le cocktail de CP et ces métabolites aux conditions opératoires étudiées n'a pas d'influence significative sur l'élimination globale de la DCO et de l'azote total. Cependant, la toxicité du cocktail des composés pharmaceutiques sur la boue activée modifie les caractéristiques de la matrice biologique : Une diminution de la production de boues du BÀM R1 CP par rapport au BÀM R2 contrôle est observée. La présence du CP et ses principaux métabolites stimule les mécanismes de survie et de production des EPS avec une production légèrement plus forte des polysaccharides que des protéines. Les résultats mettent en évidence que la réponse des boues activées des BÀM au cisaillement est dépendante de la présence de ces molécules. Cette étude démontre au final l'intérêt des BÀM pour traiter ce type d'effluents, et limiter la pollution relarguée dans le milieu naturel. / In hospital or pharmaceutical discharges, but also in wastewater treatment plants and more generally in the aquatic environment, toxics pollutants have been identified. Some pharmaceuticals are not completely eliminated in the municipal wastewater treatment plants and are discharged as contaminants into receiving waters. The application of membrane bioreactor process is investigated here with the aim of evaluating the potential for removal of cyclophosphamide (CP). In this study, two membrane bioreactors (MBR) were operated: one of the MBR served as a control, whereas to the other CP and its main metabolites were continuously added. Two sludge retention times were assessed, 50 days and 70 days. Removal of CP in a MBR and its effects on the membrane performance, COD and total nitrogen (TN) removal efficiency were studied. CP and 4-Ketocyclophosphamide removals up to 80% were achieved under studied operating conditions. The sludge adsorption and biodegradation (cometabolism) play an important role in the process of CP removal. CP and its metabolites toxicity do not alter COD and total nitrogen removal efficiency of MBRs. However, it induces a modification of the biological suspended solids and in doing so a modification on the membrane fouling: a decrease in the production of sludge MBR CP compared to MBR control is observed; the presence of CP and its main metabolites stimulates mechanisms of protection and production of EPS with a slightly higher production of polysaccharides than proteins. The results underline that the response of activated sludge to shear stress is dependent on the presence of these molecules. This study demonstrates the interest of MBR to treat this type of effluent and reduce the pollution released into the environment

Le vin est un milieu peu propice à la croissance de la levure mais il est néanmoins possible de la faire croître sur base de vin enrichit en nutriments et dilué pour diminuer la concentration en éthanol. En vue de l’élaboration des vins effervescents par une seconde fermentation, produire la levure Saccharomyces cerevisiae dans ces conditions est indispensable pour l’acclimater mais il s’agit d’un enjeu complexe qui doit prendre en compte de nombreux paramètres physico-chimiques mais aussi économiques. En effet, les paramètres opératoires peuvent induire des conditions de croissance pouvant affecter le développement de la levure. Seule la levure S. cerevisiae (Fizz+) a été utilisée car elle est spécialement sélectionnée pour cette seconde fermentation en vase clos. Le principal enjeu était donc d’obtenir une bonne adaptation de la levure à croître dans un milieu hydro-alcoolique, conditions contraignantes pour elle, mais aussi d’obtenir une production maximale.Nous avons tout d’abord étudié en fioles Erlenmeyer (250 mL) l’influence de divers paramètres : conditions physico-chimiques, concentrations en nutriments, concentration minimale en levure sèche active nécessaire à une bonne activité ainsi que son temps de réhydratation.Dans un deuxième temps, nous avons effectué des propagations en mode batch dans un bioréacteur (5 L) pour valider les conclusions réalisées à la suite de l’étude en Erlenmeyer et ainsi étudier l’influence de différentes aérations sur la production de S. cerevisiae. Les données obtenues ont servi de base pour comparer les améliorations apportées par le procédé développé en mode fed-batch. Les concentrations en levures obtenues suite à l’optimisation des conditions du milieu de culture en cinq litres sont supérieures d’un facteur cinq à celles obtenues dans la pratique en cave.Ensuite l’étude s’est concentrée sur le développement d’un nouveau procédé d’alimentation en nutriments pour cultiver S. cerevisiae en métabolisme respiratoire dans des cuves réalisées par la société partenaire du projet, OEno Concept. La nouveauté réside dans la façon de réguler la température de la culture qui se fait simultanément à l’apport des nutriments suite au dégagement de chaleur lors de la croissance de S. cerevisiae. Un brevet a été déposé sur cette technologie. Ce nouveau procédé a permis une augmentation de la productivité cellulaire, d’un facteur supérieur à quatre, car il a permis aux levures de s’adapter à cet environnement stressant et a favorisé l’oxydation du glucose au détriment de la fermentation. / Wine is an aggressive/stressful growth medium; it is depleted of micronutrients, rich in ethanol and very poor in assimilable nitrogen. Despite all these difficulties, it is possible to grow yeast in a medium largely based on wine by diluting the ethanol concentration and enriching the medium with micronutrients, a carbon source and assimilable nitrogen. It is, desirable to propagate Saccharomyces cerevisiae in such environment in order to produce a culture of yeast adapted to a second fermentation of alcoholic beverages. Production of microorganism in wine growing environment, is a complex issue that must take into account many, physicochemical and economic parameters. Indeed, the operating parameters can affect the development of yeast in a bioreactor. Therefore, it is important to know the most influential parameters on growth. The strain S. cerevisiae (Fizz+), a commercial strain that has been selected for the second fermentation in bottles, was used during this project. The propagation process served to increase the amount of yeast as well as to adapt the yeast to grow in an alcoholic environment. We first studied in shake-flasks cultures various physicochemical conditions such as nutrients concentration, the rehydration time and the minimum concentration of active dry yeast necessary for good yeast activity.In a second step, we performed batch fermentations in bioreactors (5 L) to confirm the conclusions from the shake-flask cultures and additionally to study the influence of aeration on S. cerevisiae production. The data obtained served as a basis for performing fed-batch cultures. The yeast concentrations obtained as a result of the optimization of the conditions of the culture medium in five liters were five times greater than those obtained in actual industrial production processes. The next step was to develop an automated fed-batch culture to grow S. cerevisiae respiratively in partnership with the industrial partner of the project, OEno Concept. The novelty of the process is the way in which the growth medium feed-rate is linked to the heat produced by the growing S. cerevisiae.This research has allowed an increase in cell productivity, by a factor greater than four, thanks to the novel process in stressful growth environment promoting respiration with regard to fermentation.

Le travail présenté porte sur le couplage d’un procédé membranaire à extraction liquide-liquide avec un bioréacteur impliquant des molécules hydrophobes. La bioconversion modèle utilisée est la production de cis-2-methyl-5-isopropylhexa-2,5-dienal (isonovalal) à partir d’α-pinène oxyde, instable en phase aqueuse, par des cellules entières perméabilisées de Pseudomonas rhodesiae (CIP 107491). La production d’isonovalal en milieu biphasique eau (tampon phosphate)/hexadécane présente des verrous technologiques importants, dont une inactivation de l'enzyme à l'interface eau-solvant organique ainsi que l'apparition d'une émulsion stable. L’intérêt de la membrane porte sur l'absence de formation d'émulsion et sur l’augmentation de la durée de vie du biocatalyseur en raison de l'absence de contact direct du biocatalyseur avec l'interface liquide-liquide. La nature de la membrane a été choisie à partir de l'analyse des propriétés physico-chimiques du matériau et de l’étude des affinités entre membrane et composés d’intérêt (solutés, solvants). Il a été montré que les conditions d'écoulement au voisinage de la membrane, notamment du côté aqueux, jouent un rôle prépondérant sur les vitesses de transfert. Ce résultat souligne l'importance du design et des conditions d'opération du module membranaire sur les capacités de transfert. Le couplage de l’extraction membranaire liquide-liquide et de la réaction biologique a conduit à la mise en place d’un système bi-membranaire. Le prototype développé a permis de doubler les capacités catalytiques (+ 100 % d’isonovalal par gramme de biomasse) ainsi que de la durée de vie du biocatalyseur (160 h contre 80 h) par rapport à la même bioconversion réalisée en système biphasique conventionnel. / The study deals with the combination of a membrane process based on liquid/liquid extraction with a bioreactor producing hydrophobic molecules. The bioconversion used is the production of cis-2-methyl-5-isopropylhexa-2,5-dienal (isonovalal) from α-pinene oxide (unstable in aqueous phase) by whole cells of Pseudomonas rhodesiae (CIP 107491). The production of isonovalal in two-phase medium water/organic is known about but presents important technological brakes. Membrane interest concerns the stabilization of liquid/liquid interface and capacity to increase the biocatalyst life-time. Membrane nature is chosen from the analysis of physical and chemical properties of membrane material and study of the affinities between membrane and interest compounds (solutes, solvents). Two membrane contactors are designed and implemented on laboratory scale to study transfers between liquid phases. It is shown that the hydrodynamic conditions in the membrane neighborhood, in particular on aqueous side, play a major role on transfer speeds. This result underlines the importance of design and operation conditions in membrane module about the transfer capacities. The combination of liquid/liquid membrane extraction and biological reaction with unstable substrate had been studied and lead to the implementation of a serial bi-membrane system. The developed prototype, equipped with a PTFE membrane (polytetrafluoroethylene) with 0.22 μm pores’ diameter, highlights a doubling of catalytic capacities (+ 100 % of isonovalal per gram of biomass) as well as biocatalyst life-time (160 hours against 80 hours) compared with the same bioconversion realized in conventional two-phase medium system.

Les développements actuels liés à l'ingénierie tissulaire et aux microtechnologies permettent aujourd'hui de proposer de nouveaux outils de criblages in vitro pour les études de toxicité. Nous proposons de développer une biopuce à cellules mimant un organe in vitro. Afin de valider notre approche, nous présentons l'influence du microenvironnement sur la culture de lignées cellulaires rénales (MDCK) et hépatiques (HepG2/C3A). <br />Dans cette étude, nous avons testé trois débits (0, 10 et 25 µL/min) et trois ensemencements cellulaires. Enfin, nous avons soumis notre biopuce à trois chargements de chlorure d'ammonium (0, 5 et 10 mM) afin de démontrer le potentiel de ce modèle pour de futures applications liées à la toxicité. L'activité cellulaire en biopuce a été suivie par la prolifération des cellules, les consommations de glucose et de glutamine, les productions d'albumine et d'ammoniac et enfin, par l'activité enzymatique de détoxification des CYP 1A.<br />En condition dynamique, il a été observé une augmentation des consommations et des productions cellulaires au regard des conditions statiques. L'activité de détoxification des CYP 1A a été également accrue. En présence du chlorure d'ammonium les réponses cellulaires furent similaires en biopuce au regard des conditions de culture standard en Pétri. De plus, le chlorure d'ammonium a semblé induire l'activité des CYP 1A en biopuce. <br />Par cette étude, nous montrons la pertinence de notre biopuce pour des tests de toxicité in vitro en condition dynamique. Ce nouveau modèle de culture cellulaire in vitro pourra à terme être applicable aux études de criblages dans les industries chimiques, pharmaceutiques et cosmétiques.

Les déchets sulfurés issus de l’extraction des minerais métalliques génèrent des drainages miniers acides (DMA) contenant des éléments toxiques tels que l’arsenic. Les procédés de traitement passifs basés sur l’oxydation bactérienne du fer et de l’arsenic, en favorisant la précipitation de ces éléments sous une forme stable, pourraient représenter une solution efficace et économique pour traiter cette pollution. Dans ce contexte, l’objectif général de cette thèse était de mieux comprendre les facteurs environnementaux et opérationnels qui contrôlent l’efficacité d’élimination de l’arsenic. Une approche en pilote à flux continu a été mise en oeuvre afin de se rapprocher des conditions réelles d’un traitement. L’étude a été conduite d’abord à l’échelle d’un bioréacteur de paillasse en conditions contrôlées (température, lumière, débit, temps de séjour et hauteur d’eau), puis dans un dispositif de taille supérieure, fonctionnant de manière totalement passive et in situ. Ces dispositifs ont été alimentés avec de l’eau d’un DMA riche en arsenic, issue de l’ancien site minier de Carnoulès, dans le Gard. Les caractéristiques de l’eau et des bioprécipités au sein de ces pilotes, en particulier le rédox du fer et de l’arsenic, ont été suivis dans différentes conditions environnementales et d’opération par des méthodes de spéciation liquide et solide (HPLC-ICP-MS, EXAFS, XANES), des analyses minéralogiques (DRX) et des analyses microbiologiques (ARISA, séquençage haut débit du gène de l'ARNr 16S, quantification du gène aioA). Les résultats issus des expériences en laboratoire ont mis en évidence l’effet de différents paramètres opérationnels (hauteur d’eau, temps de rétention hydraulique, et présence/absence d’une pellicule flottante) sur les performances du traitement, ainsi que sur la microbiologie et la minéralogie des bioprécipités formés. Le dispositif de terrain a permis de tester les performances du procédé dans des conditions environnementales fluctuantes (variabilité de la physico-chimie de l’eau d’entrée et de la température) et d’acquérir des connaissances nouvelles sur l’évolution des bioprécipités au cours de six mois de traitement. Les connaissances acquises dans cette thèse pourront servir de base à la conception d’une étape d’élimination de l’arsenic dans les processus de traitement des DMA. / Acid mine drainage (AMD) are produced by sulfuric tailings from mining of metal ores. They are characterized by high contents of toxic elements like arsenic. One efficient and economical solution for the treatment of As in these tailings could be the use of a passive method based on iron and arsenic bacterial oxidation, and the subsequent precipitation of these elements in a stable form. In this context, the objective of this PhD thesis was to better understand the environmental and operational factors controlling the efficiency of As removal processes. A continuous-flow pilot approach was implemented in order to better reproduce the real treatment conditions. This study was first performed in a bench-scale bioreactor with controlled conditions (temperature, light, flow, residence time and water height). Then, it was performed in a field-scale bioreactor installed in situ, reproducing a passive treatment in real conditions. These devices were fed with As-rich AMD waters from the ancient mine of Carnoulès (Gard, France). Water and bioprecipitate properties were monitored in both devices, specially the redox speciation of iron and arsenic. This monitoring was held for different environmental and operational conditions. Iron and arsenic speciation in liquid and solid phases was measured by different analytical techniques such as HPLC-ICP-MS, EXAFS and XANES. Mineral identification was made by XRD analysis, while microbiological characterization was made by ARISA, high-throughput sequencing of 16S rRNA gene, and aioA gene quantification. Results from the lab-scale experiments evidenced the effects of the different operational parameters (water height, hydraulic retention time and the presence/absence of a floating film) on the treatment performance, as well as on the microbiology and mineralogy of the produced bioprecipitates. The field device was used to test the treatment performance under fluctuating environmental conditions (variability of the physico-chemistry of the feed water and of the temperature) and to gain new knowledge about the evolution of the bioprecipitates during six months of treatment. All the knowledge acquired in this PhD thesis could serve as a basis for the design of an arsenic removal stage in DMA treatment processes.

Le sélénium et le tellurium partagent des propriétés chimiques communes et appartiennent à la colonne des éléments chalcogènes de la classification périodique des éléments. Ces métalloïdes ont des propriétés physico-chimiques remarquables et ils ont été utilisés dans un grand nombre d'applications dans le domaine des hautes technologies (électronique, semi-conducteurs, alliages). Ces éléments, qui se retrouvent généralement sous formes d'oxyanions, sont extrêmement solubles dans l'eau et présentent une forte toxicité. Leur libération dans l'environnement est donc d'un enjeu capital. Différentes méthodes physico-chimiques ont été développées pour la récupération de ces metalloïdes, en particulier pour le sélénium. Néanmoins, ces méthodes requièrent un équipement lourd et couteux et ne sont pas très recommandables sur le plan écologique. Le traitement biologique est donc une bonne alternative pour la récupération de Se et de Te provenant des effluents pollués. Cette approche réside dans la bioréduction des différents oxyanions sous formes métalliques. Ceux-ci sont moins toxiques et d'intérêts commerciales notables surtout lorsqu'ils se présentent sous forme nanométrique. L'utilisation de micro-champignons comme microorganismes catalyseur de la réduction de Se et de Te a été démontrée dans cette étude. La réactivité du champignon responsable de la pourriture blanche, Phanerochaete chrysosporium en présence de sélénite et de tellurite a été évaluée, ainsi que son application potentielle pour le traitement des eaux contaminées et la production de nanoparticules. La présence de Se et de Te a une influence importante sur la croissance et la morphologie du champignon. Il s'avère que P. chrysosporium est très sensible à la présence de sélénites. La synthèse de Se° et de Te° sous forme de nanoparticules piégées dans la biomasse fongique a été observée, ainsi que la formation de nano-composites Se-Te lorsque le champignon était cultivé simultanément en présence des deux métalloïdes. L'usage potentiel de biofilm fongiques pour le traitement des effluents semi-acides (pH 4.5) contenant du Se et du Te a été suggéré. De plus, le traitement en mode continu de sélénite dans un réacteur à biofilm fongique granulaire a été évalué. Le réacteur a montré un rendement d'élimination du sélénium en régime permanent de 70% pour differentes conditions opératoires. Celui-ci s'est montré efficace pendant une période supérieure à 35 jours. La bonne sédimentation du biofilm granulaire facilite la séparation du sélénium de l'effluent traité. L'utilisation du biofilm granulaire contenant du sélénium élémentaire comme bio-sorbant a également été étudiée. Cet adsorbant hybride s'est montré prometteur pour l'immobilisation du zinc présent dans les effluents semi-acides. La plupart des recherches effectuées se sont focalisées sur l'utilisation des biofilms granulaires. Toutefois, la croissance du champignon suite à l'exposition à des concentrations différentes de sélénites a également été étudiée. Des micro-électrodes à oxygène et un microscope confocal à balayage laser ont été utilisées pour évaluer l'effet du sélénium sur la structure des biofilms fongiques. Quel que soit le mode de croissance de P. chrysosporium, le mécanisme de réduction du sélénite semble être toujours le même tout en menant à la formation de sélénium élémentaire. Cependant, l'architecture des biofilms et l'activité en oxygène sont influencées par la présence de sélénium / Selenium (Se) and tellurium (Te) are particular elements, they are part of the chalcogens (VI-A group of the periodic table) and share common properties. These metalloids are of commercial interest due to their physicochemical properties, and they have been used in a broad range of applications in advanced technologies. The water soluble oxyanions of these elements (i.e., selenite, selenate, tellurite and tellurate) exhibit high toxicities, thus their release in the environment is of great concern. Different physicochemical methods have been developed for the removal of these metalloids, mainly for selenium. However, these methods require specialized equipment, high costs and they are not ecofriendly. The biological treatment is a green alternative to remove Se and Te from polluted effluents. This remediation technology consists on the microbial reduction of Se and Te oxyanions in wastewater to their elemental forms (Se0 and Te0), which are less toxic, and when synthesized in the nano-size range, they can be of commercial value due to their enhanced properties. The use of fungi as potential Se- and Te-reducing organisms was demonstrated in this study. Response of the model white-rot fungus, Phanerochaete chrysosporium, to the presence of selenite and tellurite was evaluated, as well as their potential application in wastewater treatment and production of nanoparticles. The presence of Se and Te had a clear influence on the growth and morphology of the fungus. P. chrysosporium was found to be more sensitive to selenite. Synthesis of Se0 and Te0 nanoparticles entrapped in the fungal biomass was observed, as well as the formation of unique Se-Te nanocomposites when the fungus was cultivated concurrently in the presence of Se and Te. Potential use of fungal pellets for the removal of Se and Te from semi-acidic effluents (pH 4.5) was suggested. Moreover, the continuous removal of selenite in a fungal pelleted reactor was evaluated. The reactor showed to efficiently remove selenium at steady-state conditions (~70%), and it demonstrated to be flexible and adaptable to different operational conditions. The reactor operated efficiently over a period of 35 days. Good settleability of the fungal pellets facilitated the separation of the selenium from the treated effluent. The use of elemental selenium immobilized fungal pellets as novel biosorbent material was also explored. This hybrid sorbent was promising for the removal of zinc from semi-acidic effluents. The presence of selenium in the fungal biomass enhanced the sorption efficiency of zinc, compared to Se-free fungal pellets. Most of the research conducted in this study was focused on the use of fungal pellets. However, the response of the fungus to selenite in a different kind of growth was also evaluated. Microsensors and confocal imaging were used to evaluate the effects of selenium on fungal biofilms. Regardless of the kind of fungal growth, P. chrysosporium seems to follow a similar selenite reduction mechanism, leading to the formation of Se0. Architecture of the biofilm and oxygen activity were influenced by the presence of selenium

La production de protéines recombinantes, d’anticorps, de vaccins, … est de plus en plus réalisée par culture de cellules animales. Le bioréacteur classiquement utilisé en industrie pour réaliser ces cultures est le bioréacteur à cuve agitée. Ce bioréacteur présente un volume important ce qui rend difficile le développement d’un bioréacteur à usage unique dans l’optique de réduire les risques de contaminations entre deux cultures consécutives. L’intensification du procédé et le développement de bioréacteur à usage unique sont donc deux défis intéressants dans la réalisation de cultures cellulaires à l’échelle industrielle. Un bioréacteur particulièrement prometteur pour l’intensification de culture cellulaire est le bioréacteur lit-fixe. Dans cette thèse, nous étudions le bioréacteur lit-fixe à usage unique iCELLis développé par Artelis S.A.<p>Le lit-fixe du bioréacteur iCELLis est composé d’un empilement de porteurs maintenu entre deux grilles perforées. Ces porteurs sont utilisés comme support par les cellules au cours de la culture. Le bioréacteur est équipé d’un système de transfert gaz-liquide par film tombant afin d’oxygéner le milieu de culture en continu. Une pompe centrifuge plongée dans un bac d’immersion assure la circulation du milieu de culture à travers l’ensemble du bioréacteur. Les cultures se déroulent en trois phases :une phase d’adhérence des cellules aux porteurs du lit-fixe, une phase de croissance cellulaire et une phase de production.<p>Les avantages d’un bioréacteur lit-fixe sont nombreux :une concentration cellulaire élevée impliquant une productivité élevée, un petit volume de bioréacteur, une faible exposition des cellules aux contraintes de cisaillement, Les bioréacteurs lits-fixes présentent cependant certains inconvénients qui freinent leur développement à l’échelle industrielle. Le lit-fixe se présente comme un réacteur piston ce qui implique l’apparition de gradients de concentrations de cellule et d’espèces extracellulaires (nutriments et produits) le long du lit-fixe. L’intérieur du lit-fixe est également difficilement accessible au cours de la culture. Le suivi des concentrations de cellules et d’espèces dans cette zone est donc problématique.<p>Une modélisation globale du bioréacteur lit-fixe nous permet de mieux comprendre les différents phénomènes qui prennent place dans le bioréacteur. Grâce à cette modélisation, nous sommes donc capables d’identifier les phénomènes clés contrôlant le procédé et ainsi fournir des pistes de travail pour l’optimisation et la montée en échelle du bioréacteur, ceci sur base de critères rationnels.<p>Nous choisissons de développer un modèle à compartiments du bioréacteur lit-fixe. Dans ce type de modèle, le bioréacteur est représenté par un réseau de compartiments interconnectés. Nous définissons trois compartiments :un premier pour la pompe, un deuxième pour les cellules et le lit-fixe, et un troisième pour le système de transfert gaz-liquide.<p>Pour le premier compartiment, nous souhaitons caractériser divers paramètres identifiés comme pertinents pour une sélection adéquate de la pompe. Dans cette thèse, nous présentons une méthode pour caractériser ces paramètres pour une pompe de référence (celle du bioréacteur iCELLis) et pour une pompe en similitude géométrique à la pompe de référence (dans le but d’étudier la montée en échelle).<p>La pompe de référence est étudiée numériquement (grâce aux logiciels Gambit 2.4 et Fluent 6.3) et expérimentalement. Nous mettons en évidence les liens entre les paramètres de la pompe déterminés numériquement et ceux déterminés expérimentalement. Ces liens définissent notre modèle. En intégrant au modèle les résultats de la simulation numérique de l’écoulement du milieu de culture dans le bac d’immersion contenant la pompe en similitude géométrique à la pompe de référence, nous déterminons entièrement les paramètres recherchés de la seconde pompe sans avoir recours à un prototype. Ceci permet donc de tester différentes échelles avant de choisir la version finale de la seconde pompe.<p>Le deuxième compartiment du modèle caractérise les cellules et le lit-fixe. La sélection de certains paramètres opératoires dépend du métabolisme cellulaire. Nous souhaitons développer un outil de surveillance en ligne de l’évolution des concentrations de certaines espèces extracellulaires sur base de la connaissance de la concentration cellulaire dans le bioréacteur. Cet outil est développé sur base d’un modèle structuré du métabolisme des cellules animales. Dans un tel modèle, nous établissons des bilans de matière sur les espèces extra- et intracellulaires en considérant les voies métaboliques intracellulaires. Un paramètre requis pour l’emploi de cet outil est la connaissance de la concentration cellulaire au cours de la culture. Or, la surveillance de cette concentration est l’un d’un problème évoqué dans les bioréacteurs lits-fixes. Nous développons donc un modèle ségrégé de culture cellulaire en bioréacteur lit-fixe. Dans ce modèle, nous considérons l’entièreté du lit-fixe. Le modèle comprend différentes populations de cellules :les cellules en suspension dans le milieu au début de la culture et les cellules adhérentes au lit-fixe. Le modèle inclut une distribution spatiale de la concentration d’espèces extracellulaires dans le lit-fixe. Par conséquent, le modèle rapporte les gradients potentiels de concentration de cellules et d’espèces extracellulaires dans le lit-fixe.<p>Le troisième compartiment du modèle du bioréacteur caractérise le système de transfert gaz-liquide. L’oxygénation est très souvent un paramètre clé dans la conception d’un bioréacteur. Dans le bioréacteur iCELLis, le système de transfert gaz-liquide est un film liquide tombant turbulent. Dans cette thèse, nous proposons une méthode pour caractériser le transfert d’oxygène à travers ce type de film tombant. Notre méthode, basée sur une approche numérique (grâce à Gambit 2.4 et Fluent 6.3), est scindée en deux parties. Premièrement, nous calculons la forme de l’interface gaz-liquide. Une simulation de l'écoulement est réalisée avec le modèle Volume of Fluid (VOF). A partir de cette simulation, la forme de l'interface est traquée. Deuxièmement, la forme de l'interface est générée dans un nouveau domaine de calcul afin de simuler le transfert d’oxygène. Grâce à cette seconde simulation, le coefficient de transfert d’oxygène de la phase gazeuse vers le milieu de culture est déterminé. Grâce à notre méthode, nous caractérisons ce coefficient pour différentes conditions opératoires. Nous étudions notamment l’influence du débit et de la température du milieu de culture sur le coefficient de transfert d’oxygène. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished