L'organisme humain présente de nombreuses constantes de régénération tissulaires et c'est cette caractéristique essentielle qui maintient l'équilibre physiologique. Toutefois, l'existence de lésions importantes provoquée par un déséquilibre interne ou externe peut empêcher l'organisme de s'auto-régénerer. Dans ce cas, l'application des biomatériaux développés pour des applications biomédicales peuvent améliorer le processus de guérison. Pour les applications en tissus durs, les biomatériaux doivent posséder des propriétés similaires aux matrices naturelles tant sur le plan biologique que physico-mécanique. Dans les applications en bioingénierie osseuse, les composites à base de collagène (Col) et d'hydroxiapatite (HA) sont devenus tellement performant qu'ils peuvent être classifiés comme des matériaux biomimétiques. Cette thèse propose la production d'une matrice 3-D poreuse à base d'HA et de Col (50:50wt%). Ce composite réticulé par le glutaraldéhyde a été caractérisé par des différentes techniques et servira de support pour la culture cellulaire. Des cellules estromales ostéoprogénitrices ont été cultivées dans un environnement statique et dynamique (deux vitesse de flux) et leurs capacités de colonisation ainsi que leurs comportements d'adhésion, de prolifération, de différentiation seront observés. A travers les résultats de diffraction de rayons X et de spectroscopie infrarouge, il est possible d'affirmer la présence dans la matrice collagène d'une phase minérale peu cristalline constituée par de l'hydroxiapatite carbonatée du type-B déficiente en calcium. La viabilité cellulaire a été fortement influencée par les systèmes de culture au cours des 21 jours. Les résultats du système dynamique en haute vitesse montrent une excellente capacité du composite à supporter les processus cellulaires. Les cellules sont capables d'adhérer, de proliférer et de coloniser la matrice tridimensionnelle.

Les eaux usées peuvent possiblement être traitées par un système membrane intégré et combinant les procédés de bioréacteur à membrane (BAM) et d’osmose inverse (OI) pour une élimination efficace des micropolluants en vue de la réutilisation des eaux. Cependant, le rejet des concentrats d’OI dans l’environnement pourraient représenter un danger en raison de la toxicité de certains de leurs composés (micropolluants, sels, matières organiques). Une des solutions possibles peut être de recycler le concentrat d’OI vers le BAM. Néanmoins, une étude approfondie s’impose pour une telle configuration car le recyclage mettrait en jeu la recirculation de matière organique non biodégradable, ou de fortes concentrations en sels ou micropolluants, qui pourraient finalement engendrer, directement ou indirectement, un colmatage de la membrane ainsi qu’une modification de l’activité bactérienne dans le BAM. Les effets du recyclage de concentrat d’OI sur les performances de BAM ont été étudiés de deux différentes manières, en distinguant les effets à court-terme (ou court temps de contact) et les effets à long-terme (ou long temps de contact). Les résultats montrent qu’après un temps de contact de 3 heures entre le concentrat et les boues, les concentrations en protéines et polysaccharides dans le surnageant restent inchangées par rapport au début de l’opération. Une analyse HPLC-SEC a permis d’étudier les effets du concentrat d’OI sur la production de matières microbiennes solubles de types protéique. Un pic de concentration en substances protéiques ayant une masse moléculaire de 10 à 100 kDa a été observé dans le surnageant juste après l’addition du concentrat d’OI. Le pouvoir colmatant des boues n’a lui pas été modifié après l’injection du concentrat d’OI. Cette observation ouvre sur la possibilité de développer une opération d’OI comme traitement tertiaire en aval du BAM. La combinaison BAM-OI pourrait donc être une solution envisageable pour traiter le concentrat d’OI. Pour les longs temps de contact, les résultats ont montré que l’impact de l’effluent toxique (concentrat d’OI) sur les boues dépendait du rendement de l’opération d’OI et des caractéristiques du concentrat. Les mêmes tendances ont été observées quelle que soit la composition du concentrat en sels et en matière organique, puisqu’une augmentation de la concentration en protéine a été mise en évidence. L’effet du recyclage du concentrat d’OI a aussi été étudié à différents débits et avec différentes caractéristiques. Les effets sur les performances globales du BAM ainsi que sur son colmatage ont plus particulièrement été investigués. Le taux d’abattement en termes de Demande Chimique en Oxygène (DCO) est, dans tous les cas, supérieur à 93 %, quel que soit le débit de recyclage. Des résultats similaires ont été obtenus en termes de Carbone Organique Dissous. De plus, l’efficacité de la nitrification n’a pas été affectée en présence de concentrat d’OI dans le BAM. L’analyse HPLC-SEC a révélé un pic important de concentration en composés protéiques dans le surnageant, avec des masses moléculaires comprises entre 10 et 100 kDa et entre 100 et 1000 kDa. Par conséquent, une augmentation significative du pouvoir colmatant des boues a été observée et attribuée à la présence de protéines. Par ailleurs, le recyclage du concentrait d’OI n’a pas eu d’effet sur l’élimination de la carbamazépine et du diclofenac dans le BAM. Au contraire, l’élimination du ketoprofene a légèrement baissé, en passant de 94 à 72 %. Enfin, l’effet du recyclage de concentrat d’OI sur la biodégradation a été révélé comme insignifiant, ce qui indique que le recyclage du concentrat d’OI pourrait être une bonne alternative pour réduire les concentrats d’OI et limiter leur rejet dans l’environnement. / Wastewater effluents can be treated by an integrated membrane system combining membrane bioreactors (MBR) and reverse osmosis (RO) for effective removal of micropollutants in the field of high-quality water reuse. However, discharging the RO concentrate waste stream directly into the natural environment could lead to serious problems due to the toxic components contained in the concentrates (micropollutants, salts, organic matter). A possible solution could be the recirculation of RO concentrate waste to the MBR. However, such an operation should be studied in detail since the recirculation of non-biodegradable organic matter or high concentrations of salts and micropollutants could directly or indirectly contribute to MBR membrane fouling and modification of the biodegradation activity. The effects of RO concentrate recirculation on the MBR performances were investigated in two different ways of contact, i.e. short term peak contact and long-term continuous contact at various operating conditions. The results demonstrated that after 3 hours of contact time between the sludge and concentrate, the same values of both protein and polysaccharide concentrations were found in the supernatant, compared to that at the beginning of the reactor. HPLC-SEC analysis was employed to study the effects of RO concentrate on the production of protein-like SMPs. A significant peak of protein-like substances with a molecular size of 10-100 kDa was observed immediately in the supernatant after the addition of RO concentrate. Besides, no significant change was found of the sludge fouling propensity after the injection of RO concentrate into the activated sludge. This finding proposes the opportunities to develop RO process as a tertiary treatment of the membrane bioreactor (MBR), hence, the integrated MBR - RO concept with the RO concentrate recirculation to the MBR might be a solution to treat the concentrate waste stream produced by RO. During the long-term continuous contact, the results demonstrated that the impact of the toxic flow on activated sludge depends on the recovery of the RO step and the characteristics of the concentrate but the same trends were observed whatever the organic matter and salt contents of the concentrates: the concentration of proteins increased. The effects of the reverse osmosis concentrate recirculation, at different flow rates and with different characteristics, to the MBR were investigated. Their impacts on MBR global performances, especially the MBR fouling were evaluated. The removal efficiencies of chemical oxygen demand (COD) at the different flow rates of concentrate were greater than 93%. Similar results for the dissolved organic carbon removal efficiency were found in the MBR. Additionally, the presence of RO concentrate in the MBR did not inhibit the nitrification process. HPLC-SEC analysis employed to study the effects of RO concentrate on the production of protein-like SMPs demonstrated a significant peak of protein-like substances corresponding to 10-100 kDa and 100-1000 kDa molecules in the supernatant. Thus a significant increase of sludge fouling propensity was observed, which could be attributed to the increased quantity of protein-like substances. Furthermore, the recirculation of RO concentrate to the MBR did not significantly affect the removal of carbamazepine and diclofenac in the MBR. Meanwhile, the removal rate of ketoprofen was impacted slightly by the RO concentrate recycling to the MBR (from 94 to 72%). Finally, the effect of the concentrate on sludge activity was studied and no significant effect was observed on biodegradation, indicating that the return of the concentrate to the MBR could be a good alternative for the reduction of concentrate quantities before disposal to the environment.

A ce jour, le contexte énergétique mondial est dominé par une utilisation massive des énergies fossiles non-renouvelables et épuisables par nature. La production de biohydrogène de 2ème génération issu de déchets organiques par le procédé de fermentation sombre constitue donc une solution attractive pour diversifier le mix énergétique actuel. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail est d’étudier l’influence de la qualité du mélange sur l’efficacité de la voie fermentaire sombre. En effet, les conditions d’agitation mécanique (type d’agitateur, vitesse d’agitation) et la viscosité du digestat (fonction des intrants en cours de culture), comptent parmi les paramètres abiotiques les moins étudiés à ce jour dans ce procédé. Or, l’agitation joue un rôle clé puisqu’elle doit permettre non seulement d’homogénéiser la phase liquide riche en bactéries, en substrats organiques, en métabolites et en biogaz soluble, mais aussi de favoriser les échanges de matière liquide-bactéries et liquide-gaz. Cependant, pour atteindre la qualité de mélange requise, il faut faire face à deux contraintes : d’une part il faut maintenir un niveau acceptable de stress mécanique pour les bactéries du consortium ; d’autre part, la puissance mécanique consommée par l’agitation doit rester limitée pour assurer la viabilité économique du procédé. Dans ce travail, les effets combinés de la viscosité du digestat et de la vitesse d’agitation des mobiles sur la production de biohydrogène dans un bioréacteur ont été étudiés dans un premier temps. Les résultats ont montré une influence significative de ces deux facteurs sur la productivité en biohydrogène qui a pu être reliée au nombre adimensionnel de Reynolds et au régime d’écoulement du digestat. Un maximum de productivité a été observé lors de la transition laminaire-turbulent. Dans un deuxième temps, des méthodes de détermination du temps de mélange (conductimétrie, décoloration chimique, Fluorescence Induite par Nappe Laser) et du transfert de matière liquide-gaz (désoxygénation/oxygénation) ont été mises en oeuvre dans les mêmes conditions de viscosité et d’agitation afin de rechercher les étapes limitantes pouvant expliquer les évolutions observées lors des essais de fermentation. Les résultats ont montré que transfert interfacial et mélange ne sont limitants qu’en régime laminaire, alors que les faibles productivités en régime turbulent résultent vraisemblablement d’une interaction entre la turbulence et les agrégats bactériens. Ensuite, l’écoulement dans le bioréacteur a été modélisé par une approche de type Mécanique des Fluides Numérique (CFD) et analysé par une méthode de Vélocimétrie par Images de Particules (PIV) afin de déterminer les échelles spatiales locales de la turbulence et de pouvoir les comparer à la dimension caractéristique des agrégats bactériens. Les mesures locales confirment les hypothèses émises à partir des valeurs moyennes observées. Finalement, un modèle de type ADM1 (Anaerobic Digestion Model N°1) standard a été modifié en prenant en compte les ions lactate et un modèle hydrodynamique de type « cascade de cellules » dans le but de simuler la production de biohydrogène en systèmes batch et continu. Les simulations sont en bon accord avec les résultats expérimentaux dans les deux modes de culture en supposant un réacteur parfaitement mélangé. En conclusion, l’ensemble de ce travail confirme que la viscosité du digestat et les conditions de mélange sont effectivement des paramètres essentiels à prendre en compte pour l’optimisation et l’extrapolation du procédé de fermentation sombre. / The global energy trends are currently dominated by a massive use of fossil non-renewable energy sources which are progressively depleting. In this way, the production of second-generation biohydrogen production from organic wastes by the dark fermentation process offers, therefore, an attractive solution to diversify the present energy mix. Within this framework, the aim of this work is to investigate the effect of the efficiency of the mixing process on dark fermentation. The conditions of mechanical agitation (mixer type, mixing speed) and the viscosity of the digestate (which depends on the variability of influent substrate concentration) are, indeed, among the abiotic factors that have been the most disregards up to now in this bioprocess. For example, mixing plays a key role because agitation conditions must ensure on the one hand the homogenization of the liquid phase enriched in bacteria, in organic substrate, in soluble metabolites, and in soluble biogas, and in the other hand promote liquid-to-bacteria and liquid-to-gas mass transfer. However, to reach the desired degree of mixing, two constraints must be faced: firstly, an acceptable level of mechanical stress must be maintained on the microbial consortium, and secondly, mechanical power input due to mixing must comply with the economic sustainability of the process. In this work, the combined effects of digestate viscosity and agitation conditions on the fermentative biohydrogen production in the bioreactor were studied first. Experimental results highlighted a significant effect of these factors on biohydrogen productivity which could be expressed as function of the purely hydrodynamic dimensionless Reynolds number and of the prevailing flow regime. Hydrogen production was maximized in the transition region between laminar and turbulent flow conditions. Secondly, experimental measuring methods of mixing time (conductimetric, chemical decolorization and Planar Laser Induced Fluorescence techniques) and mass transfer (dynamic deaeration/aeration) were implemented in the same conditions of viscosity and agitation conditions so as to investigate the possible limiting steps that could explain the trends observed in the mixed cultures. The results proved that mixing and liquid-gas transfer was slower than hydrogen production rate only in the laminar flow regime, while low production rate under turbulent flow conditions might stem from an interaction between turbulent eddies and bacterial aggregates. Then, the flow field in the bioreactor was simulated using a CFD (Computational Fluid Dynamics) methodology and analyzed experimentally using PIV (Particle Image Velocimetry) to determine the characteristic turbulent length scales and to compare them to the characteristic size of the bacterial aggregates. Local measurements confirmed the assumptions made from average values derived from power input data. Finally, a modified ADM1 model (Anaerobic Digestion Model N°1) was developed to simulate the biohydrogen production, accounting for lactate ions and non-ideal mixing, under batch and continuous culture conditions. Simulations fairly agree with experimental data in both modes of cultures assuming perfect mixing condition. As a conclusion, the present work as a whole confirms that digestate viscosity and mixing conditions constitute key parameters that must be considered for process optimization and for the scale-up of dark fermentation.

Lors de l'irrigation des cultures de tomate produites en serre, une partie importante de l'eau enrichie en engrais est rejetée dans l'environnement afin de contrôler la conductivité électrique du milieu de culture et l'équilibre ionique de la solution du sol. Plusieurs contraintes limitent la réutilisation de cette eau, par exemple une surcharge de l'eau en ions sulfates (SO₄²⁻) et la présence d'agents pathogènes, comme Pythium ultimum ou Fusarium oxysporum. Les objectifs de cette recherche étaient de (1) réduire les SO₄²⁻ en présence d'ions nitrates (NO₃⁻), (2) éliminer les agents pathogènes P. ultimum et F. oxysporum présents dans l'effluent de serre, (3) évaluer l'effet suppresseur de ces eaux traitées envers la pourriture pythienne, (4) comparer la croissance de plants de tomate irrigués avec les eaux traitées par les marais, (5) comprendre l'effet de différents amendements de C dans les marais filtrants sur la diversité métabolique et phylogénétique des populations microbiennes, et finalement (6) évaluer la capacité de bioréacteurs passifs à réduire les SO₄²⁻en présence d'ions NO₃⁻ , et à éliminer les agents pathogènes P. ultimum et F. oxysporum. Nos résultats ont démontré l'importance de la quantité et de la qualité de la source exogène de carbone (C) pour réduire les ions NO₃⁻ et SO₄²⁻. Pour un enlèvement optimal de SO₄²⁻et de NO₃⁻ (99 %), l'apport de C exogène doit atteindre les seuils C :N = 3,4 et COD: SO₄²⁻= 0,36. D'autre part, les marais filtrants ont été performants (99,99 %) à réduire les agents pathogènes P. ultimum et F. oxysporum, notamment par l'adsorption de ceux-ci au biofilm formé et par la production d'enzymes extracellulaires par les microorganismes. Le traitement des effluents par les marais confère également à l'eau des propriétés suppressives envers la pourriture pythienne. La quantité et la qualité du contenu en carbone utilisé pour amender les AWs ont eu une forte incidence sur l'activité métabolique des microorganismes pour l'utilisation des sources de N, P et S. Finalement, l'utilisation de bioréacteurs passifs a montré, par une activité microbienne importante, une efficacité similaire aux marais filtrants pour réduire les ions sulfates en présence de nitrates. De plus, les bioréacteurs passifs ont été aussi performants que les marais pour éliminer les agents pathogènes étudiés. L'utilisation des marais filtrants et des bioréacteurs constitue une alternative durable pour le traitement des effluents de serre.

Les bioréacteurs à membranes (BAM) sont de plus en plus utilisés dans le domaine du traitement des eaux résiduaires urbaines notamment lorsque le terrain est limité ou qu’un traitement épuratoire poussé est requis. Néanmoins, la gestion de ces installations et plus particulièrement du colmatage des membranes reste difficile et constitue toujours une source de problèmes pour les exploitants. La modélisation est un outil efficace et déjà éprouvé sur les procédés conventionnels à boues activées pour l’aide à la conduite et à la compréhension de procédé avec les modèles de boues activées de type ASM. Le traitement biologique donc, et aussi les capacités de filtration des membranes (colmatage) sont deux aspects qui peuvent être modélisés sur les BAM. Au cours de ce travail, trois installations réelles ont été étudiées et l’une d’entre elles a été choisie pour le calage du modèle ASM1. La méthodologie a été adaptée aux spécificités des bioréacteurs à membranes et de l’installation modélisée en particulier (fractionnement des eaux usées, calage de l’aération) et un nouveau jeu de paramètres de l’ASM1 a pu être constitué. L’influence des propriétés des boues activées et des conditions d’opération sur les capacités de filtration des membranes reste encore l’objet de nombreuses recherches, généralement sur installations pilotes, et la modélisation dans ce domaine n’en est qu’à ses débuts. L’objectif de ce travail concernant la filtration membranaire a été de caractériser le système « membrane/boues » à travers l’étude des interactions entre les propriétés des boues, les conditions d’opération et les paramètres de la filtration (perméabilité membranaire et vitesse de colmatage) à comparer avec les résultats de la littérature scientifique. Les deux BAM étudiés ont montré des comportements et relations entre paramètres assez différents confirmant la complexité des interactions entre membrane, boues et conditions opératoires. / Membrane bioreactors (MBRs) are becoming increasingly popular for the treatment of municipal wastewater especially when land is limited or when the treatment requirements are high. Nevertheless, the operation of these plants and in particular the fouling of the membrane are still difficult to manage for the operators. Modelling is an efficient tool, which has already been successfully used on conventional activated sludge processes, for the operation and the understanding of the process using Activated Sludge Models (ASM). Biological treatment and membranes filtration capacity (fouling) are two aspects that can be modeled on MBRs. In this work, three full-scale plants were investigated and one of them was chosen for the ASM1 calibration. The usual methodology was adapted to the MBR specificities and to the modeled wastewater treatment plant in particular (wastewater fractionation, oxygen calibration) and a new set of ASM1 parameters was estimated. The influence of the sludge properties and the operating conditions on the membrane filtration capacity is still the subject of numerous studies, generally on pilot-scale MBRs, and modelling is in its early stages. The objective of this work regarding membrane filtration was to characterize the “membrane/sludge” system by studying the interactions between the sludge properties, the operating conditions and the filtration parameters (membrane permeability and fouling rate) and to compare them with the results from the literature. The two studied MBRs showed quite different behaviors and correlations between parameters, validating the statement that the interactions between membranes, sludge and operating conditions are very complex.

Dans cette thèse ont été développés des modèles mathématiques pour les procédés de distillation membranaire à contact direct (DCMD) et avec balayage gazeux (SGMD) ainsi qu’un modèle sur l’hydrodynamique des bioréacteurs membranaires anaérobiques (AnMBRs) équipés d’un système de vibration membranaire induite (MMV). Les modèles pour la DCMD et la SGMD permettent de simuler le comportement des modules plats ou à fibres creuses sous différentes conditions opératoires, sans avoir recours aux données expérimentales ou à des équations empiriques pour les transferts de masse et de chaleur. Les modèles ont été validés avec des résultats expérimentaux et de la littérature et ont permis de déterminer l'influence de différents paramètres opérationnels et de la géométrie des modules sur les performances des procédés. Le modèle développé pour les AnMBRs équipés du système MMV permet d’étudier l’effet de la vibration membranaire sur l’hydrodynamique du réservoir. L’analyse paramétrique a permis d’étudier l’effet de la fréquence et de l’amplitude des vibrations sur la vitesse du fluide et la fraction volumique des solides dans le réservoir. Dans ce travail il a été démontré que les modèles proposés pourront être potentiellement appliqués à des études expérimentales préliminaires, l’optimisation des conditions opératoires, la conception des modules membranaires ainsi que pour l’estimation des coûts des procédés. / In this work have been developed general predictive models for direct contact membrane distillation (DCMD) and sweeping gas membrane distillation (SGMD) as well as a hydrodynamic model for anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) equipped with the induced membrane vibration (MMV) system. The DCMD and SGMD models allow simulating hollow fibre and flat sheet configurations under wide range of process conditions without empirical mass and heat transfer coefficients or laboratory experiments. The models have been validated with experimental and literature data. Indeed, the influence of operating conditions and membrane geometric characteristics on the process performance has been investigated. The model for AnMBRs with MMV studies the effect of the membrane vibration on the hydrodynamics of the AnMBR tank. The parametric study allows knowing, the effects of the vibration frequency and amplitude on the fluid velocity and volume fraction of solids. The conducted studies prove that all the proposed models would be potentially applied for the pre-experimental study, optimization of process conditions, design of membrane modules as well as for the further cost estimation of the processes.

L’organisme humain présente de nombreuses constantes de régénération tissulaires et c’est cette caractéristique essentielle qui maintient l’équilibre physiologique. Toutefois, l’existence de lésions importantes provoquée par un déséquilibre interne ou externe peut empêcher l’organisme de s’auto-régénerer. Dans ce cas, l’application des biomatériaux développés pour des applications biomédicales peuvent améliorer le processus de guérison. Pour les applications en tissus durs, les biomatériaux doivent posséder des propriétés similaires aux matrices naturelles tant sur le plan biologique que physico-mécanique. Dans les applications en bioingénierie osseuse, les composites à base de collagène (Col) et d’hydroxiapatite (HA) sont devenus tellement performant qu’ils peuvent être classifiés comme des matériaux biomimétiques. Cette thèse propose la production d’une matrice 3-D poreuse à base d’HA et de Col (50:50wt%). Ce composite réticulé par le glutaraldéhyde a été caractérisé par des différentes techniques et servira de support pour la culture cellulaire. Des cellules estromales ostéoprogénitrices ont été cultivées dans un environnement statique et dynamique (deux vitesse de flux) et leurs capacités de colonisation ainsi que leurs comportements d’adhésion, de prolifération, de différentiation seront observés. A travers les résultats de diffraction de rayons X et de spectroscopie infrarouge, il est possible d’affirmer la présence dans la matrice collagène d’une phase minérale peu cristalline constituée par de l’hydroxiapatite carbonatée du type-B déficiente en calcium. La viabilité cellulaire a été fortement influencée par les systèmes de culture au cours des 21 jours. Les résultats du système dynamique en haute vitesse montrent une excellente capacité du composite à supporter les processus cellulaires. Les cellules sont capables d’adhérer, de proliférer et de coloniser la matrice tridimensionnelle. / The progress in Tissue Engineering area allows the development of biomaterials that mimic the properties of natural tissues. For biomedical applications in mineralized tissues, composites based on hydroxyapatite (HA) and collagen (Col) have presented good results when implanted in vivo. The aim of this work was to produce a 3-D matrix and to observe the cell behaviour when stromal cells are cultured in contact with HA-Col scaffold under static and dynamic conditions. For in vitro biological evaluation, osteoprogenitor human cells (Stro+1A cells) were grown and their colonization capacity and adhesion, proliferation and differentiation behaviour were quantified. Two perfusion flow rates (0,03ml/min and 0,3ml/min) were proposed for dynamic culture. The HA-Col composite was prepared by reorganization of Col fibrils simultaneously with HA crystal nucleation and precipitation from calcium and phosphate rich solutions. Afterwards, the composites were crosslinked and sterilized by gamma radiation. Stro+1A cells were inoculated (5x105 cells/sample) into the scaffolds and cultured over 21 days in a humid incubator at 37°C and 5% CO2. Infrared spectroscopy and X-ray diffraction results suggested a calcium-deficient hydroxyapatite as mineral phase. About cell culture, the cell number increased under higher flow rate dynamic culture. By scanning electron microscopy and histological sections, we observed cells adhered and spread inside colonized scaffolds.

La thèse est consacrée à l’étude de l’influence de l’aération sur le colmatage demembranes fibres creuses, en application aux bioréacteurs à membranes (BAMs)traitant les eaux usées. Un pilote expérimental permet des expériences de filtrationpar plusieurs faisceaux de fibres creuses immergées, en filtration externe-interne, lacompacité des fibres est proche de la configuration de modules membranairesindustriels. Les fibres ont une surface totale de 1,2 m. Les filtrations sont menéessur une suspension synthétique complexe dont les caractéristiques rhéologiquessont comparables à celles des boues activées de BAM. Les différents paramètresde l’aération testés sont le débit d’air, le lieu d’injection des bulles, et le type debulles injectées (grosses ou fines), pour un flux de filtration constant égalementparamètre d’étude. Pour des conditions d’aération montrant des performances defiltration contrastées, il est effectué la caractérisation locale de la phase gaz parbisonde optique, à l’intérieur des faisceaux de fibres. La rétention gazeuse et lesprofils de vitesse (tant la vitesse moyenne des bulles, que les fluctuations de vitesse)sont mesurés et analysés en fonction des paramètres d’aération. La synthèse des résultats met en évidence deux mécanismes hydrodynamiqueslocaux liés à l’aération, et permettant d’expliquer les performances de filtrationconsidérées. Les perspectives de l’étude proposent des emplacements pour lesaérateurs ce qui pourrait mener à une meilleure utilisation de l’air pour la réductiondu colmatage dans les bioréacteurs à membranes. / This thesis is dedicated to better understand the role of aeration to limit fouling onsubmerged hollow fibers membrane fouling, for wastewater treatment industry. Thisstudy uses an innovative experimental setup to perform outside-in filtrationexperiments thanks to several submerged loose hollow fibers organized in confinedbundles. The total membrane area is about 1.2 m2; the configuration of the bundlesis close to the one found in Membrane Bioreactors (MBRs). A complex synthetic fluidwith rheological characteristics close to MBRs sludge is used. Different aerationconditions such as the air flowrate, the location of the air injection, the type ofbubbles injected (whether they are coarse or fine bubbles injected in the reactor)were tested and membrane performances were analysed under a low or a ratherhigh flux of filtration. In specific aeration conditions showing a different behaviour interm of fouling, local characterization of the dispersed phase in an air and watersystem was undertaken by optical probes. Gas hold up and both mean and rootmean square bubble velocity profiles were determined and analysed regarding thelocation of air injection, the air flowrate and the type of bubbles. This study helps understanding the link between local hydrodynamics and foulingmechanisms and could lead to input for aeration device design and location in orderto decrease operating costs due to aeration in Membrane Bioreactors technology.

Le colmatage membranaire demeure l’un des verrous majeurs des bioréacteurs à membrane (BAM). Ces travaux visent à apporter une contribution à la compréhension de la dynamique de structuration de dépôts complexes formés lors de la filtration frontale de (bio)fluides et son impact sur les performances de filtration. Pour cela, différents outils permettant la mesure in-situ des propriétés structurelles locales des dépôts ont été utilisés de manière à pouvoir relier ces propriétés aux performances globales de filtration. Les propriétés électrocinétiques des dépôts ont également été étudiées. Deux méthodes, l’une optique et l’autre acoustique, ont été utilisées pour caractériser les propriétés structurelles locales des dépôts (épaisseur, cinétique de croissance). Dans un premier temps, les épaisseurs obtenues par les méthodes optiques et acoustiques ont été comparées. Il a été montré que, dans le cas de dépôts peu poreux, les deux méthodes conduisent aux mêmes épaisseurs de dépôts. Dans le cas de dépôts plus poreux, ces deux méthodes permettent l’obtention de données complémentaires à deux niveaux de profondeur différents au sein du dépôt. L’influence des conditions opératoires sur la structuration de dépôts de particules modèles a ensuite été étudiée. Grâce à la méthode optique il a été montré que, quelles que soient les conditions opératoires, il existe une variation temporelle des propriétés du dépôt. De plus, une répartition non homogène du dépôt à la surface de la membrane peut également exister, favorisée par de faibles répulsions entre particules. Enfin, l’applicabilité des différentes méthodes au cas des biofluides issus de BAM a été évaluée. La structure de dépôts complexes constitués lors de la filtration de ces biofluides a ensuite été étudiée. La compressibilité des dépôts, mise en évidence à l’échelle globale par suivi des performances de filtration, a également été observée à l’échelle locale : l’épaisseur du dépôt décroît avec une augmentation de la PTM. De plus, à l’échelle locale, une variabilité spatiale des propriétés du dépôt a été mise en évidence. Afin de contrôler la compressibilité des dépôts l’impact de l’ajout de particules au sein du biofluide a été évalué / Membrane fouling is one of the major drawbacks of membrane bioreactors. This study is thus a contribution to the understanding of the dynamic structuring of complex deposits build-up during dead-end filtration of complex biofluids. Several tools were used to perform in-situ characterization of cake layer structural properties at local scale and to link them to global filtration performances. The electrokinetics properties of the deposit were also investigated. An optical and an acoustic method were used to measure local cake thickness and growth kinetics. The thicknesses given by the two methods were first compared. It was shown that for compact deposits the two different methods lead to the same thickness of the deposit. For more porous deposits, these two methods allow to obtain complementary data at two different depths of the deposits. The influence of operating conditions on cake layer structuring during filtration of modelled particles was evaluated. Using the optical method it was shown that, whatever the operating conditions, the cake structure is not constant in time. Furthermore, a spatial variability of the cake layer thickness might exist especially in the case of weak particle-particle repulsion. Finally, it has been investigated whether the different methods could be applied or not to the case of biofluid filtration. The structural properties of the complex deposits built up during diluted activated sludge filtration were investigated. Cake compressibility was observed at global scale by a monitoring of process performances and was also observed at local scale: cake thickness decreases as TMP increases. Furthermore, at local scale, a spatial variability of deposit structure was found. Particle addition into the biofluid was assessed in order to mitigate compressibility effects

L'essor des thérapies régénératives au cours des 10 dernières années a entraîné un effort de recherche important, mais l'obtention des cellules souches humaines en quantité suffisante reste cependant encore problématique, notamment concernant les cellules souches mésenchymateuses (CSM). Ces travaux ont donc mis en œuvre une approche à la croisée de la biologie et du génie des procédés afin d'identifier les verrous limitant la croissance des CSM. L'étude des méthodes d'intensification de culture a été entreprise grâce à l'utilisation de microporteurs et d'une plateforme de minibioréacteurs de 200~mL. Puis le développement d'un milieu de culture sans sérum a été testé dans le but de maximiser la croissance cellulaire dans des conditions biochimiques contrôlées. Les CSM humaines en tant que modèle type en thérapie cellulaire ont été démontrées comme extrêmement sensibles aux phases de congélation/décongélation, aux variations de température, à un vieillissement prématuré et nécessitant un milieu de culture complexe riche en facteurs de croissance et d'adhérence. Suite à cette étude, plusieurs écueils pourront être évités lors de la montée en échelle d'un procédé de culture de CSM afin d'intégrer leurs paramètres biologiques intrinsèques aux paramètres d'ingénierie des bioréacteurs (transfert de chaleur, contraintes hydrodynamiques, surface d'adhérence) / Progress in regenerative medicines over the past ten years have led to an important research mobilisation, but obtaining a sufficient amount of human stem cells remains nonetheless problematic, especially for mesenchymal stem cells (MSC). Hence, this work developed an approach coupling biology and process engineering to identify barriers limiting MSC growth. The study of scaled-up amplification methods was performed using microcarriers and a 200~mL minibioreactors platform. In order to maximise MSC growth in a biochemically controlled environment, a serum free medium development was tested as well. Human MSC as model cell type for cellular therapies have thus been demonstrated as extremely sensitive to freeze/thaw cycles, temperature variations, subject to premature aging and needing a complex medium enriched in multiple growth and adherence factors. Following this study, several pitfalls might be avoided during MSC process scale-up by integrating the cells biology into the bioreactors' process engineering parameters (heat transfer, hydrodamic stress, adhesion surface)