Les procédés de séparation membranaire peuvent servir à produire de l'eau potable à partir de l'eau de surface puisqu'ils permettent d'enlever les particules inertes en suspension, les colloïdes organiques et les micro-organismes pathogènes. L'implantation de tels procédés passe par le contrôle du colmatage des membranes. Or, les cinétiques de colmatage dépendent de la qualité de l'eau à filtrer, des membranes utilisées et des conditions d'opération. La présente étude, à l'échelle de laboratoire, consiste à comparer le colmatage en ultrafiltration en écoulement frontal, en ultrafiltration en écoulement tangentiel et en nanofiltration en écoulement tangentiel d'eaux de surface naturelles et altérées. Cette étude s'inscrit dans une série d'études qui vise finalement une meilleure compréhension des mécanismes de colmatage, le développement d'un indicateur de colmatage et le développement de prétraitements à la nanofiltration. Les résultats font ressortir l'impact des altérations des eaux, du prétraitement et des conditions d'opération sur la cinétique du colmatage, sur les divers taux de séparation et sur l'efficacité des différents lavages des membranes.

Le soya est une culture en pleine expansion au Canada. L’augmentation de la production au cours des dernières années a créé un besoin au niveau du développement des compétences pour la transformation et la valorisation de cette légumineuse. L’industrie des aliments fonctionnels et des nutraceutiques s’est beaucoup intéressée au soya étant donné son contenu riche en molécules potentiellement bioactives, telles que les protéines. Cependant, il faut réussir à isoler ou concentrer ces molécules bioactives pour les rendre efficaces. Les procédés membranaires sont des technologies offrant la possibilité de fractionner des solutions afin d’en concentrer des molécules cibles. Ces technologies membranaires peuvent se diviser en deux grands groupes : celles dont la force motrice principale est la pression; dont font partie l’ultrafiltration (UF) et la nanofiltration (NF), et celles dont la force motrice est le champ électrique; l’électrodialyse avec membrane d’ultrafiltration (EDUF). Cependant, l’application de ces procédés de séparation membranaires à des solutions protéiques s’est parfois révélée problématique dû à la tendance au colmatage des membranes. Cette étude avait donc pour objectifs 1) d’évaluer le potentiel à l’encrassement des membranes échangeuses d’ions par un hydrolysat de protéines de soya, 2) de comparer l’efficacité de séparation des couplages d’UF/NF et UF/EDUF en termes de transfert de masse et de taux de migration, 3) de caractériser les fractions obtenues en termes de masses moléculaires, de concentrations en protéines et peptides et de profils de poids moléculaires et d’acides aminés, et 4) d’évaluer le potentiel antioxydant et neuroprotecteur des fractions obtenues. L’étude des colmatages peptidiques de membranes ioniques a démontré que les interactions électrostatiques sont la principale cause de ce phénomène dont l’intensité varie selon le type de membrane (cationique ou anionique) et les conditions du milieu utilisées (acide ou basique). Des étapes simples de nettoyages des membranes à l’aide de solution salines de NaCl peuvent améliorer les performances de ces procédés à long terme et ainsi améliorer leur efficacité. Les 2 couplages à l’étude ont démontré des taux de transfert de masse semblables alors que le couplage avec nanofiltration s’est montré plus efficace au niveau du taux de migration en fonction du temps et de la surface de membrane utilisée. Les 2 couplages ont produit des fractions peptidiques très différentes tant au niveau des profils en acides aminés, des poids moléculaires et du contenu peptidique qu’au niveau du potentiel antioxydant. En effet, le couplage UF/NF a permis de produire des perméats très concentrés en petits poids moléculaires alors que le couplage UF/EDUF a produit des fractions possédant une gamme plus large de poids moléculaires, mais présentant une spécificité en fonction du pH de la solution. Le perméat de nanofiltration et les KCl 1 et 2 de l’ÉDUF ont démontrés des niveaux transfert de protéines totales semblables avec les procédés utilisés. Le procédé d’ÉDUF a permis la récupération de fractions ayant un contenu plus élevé en peptides polaires. Les fractions d’ÉDUF KCl 1 à pH 3 et 6 ont démontré un potentiel antioxydant élevé lors du test de l’ORAC. Ces mêmes fractions ainsi que le KCl 1 à pH 9 et le perméat de NF à pH 6 ont aussi démontré un effet intéressant sur le potentiel redox. Cependant, aucune fraction recueillie n’a démontré d’effet de protection contre les espèces réactives à l’oxygène sur les cellules neuronales mais se sont montrées non-toxiques pour ces cellules. / Soy is an important legume produced in Canada and its culture and production rate increased significantly in the recent years. Developing new competences to create by-products instead of exporting soya to other countries is of interest for the economy. The functional food and nutraceutical industry have great interests on soya due to its high bioactivity potential in regard of the protein content. Technologies using membranes offer the possibility of fractionating solutions to concentrate and isolate molecules of interest. These technologies can be divided in two main categories: Pressure-driven processes in which ultrafiltration (UF) and nanofiltration (NF) take part and electrically-driven processes in which electrodialysis with ultrafiltration (EDUF) membrane takes place. Working with protein or hydrolyzate solutions (soya in this case) can be problematic since these proteins or peptides have the tendency to foul the membranes. The aim of this study was 1) to evaluate the ion-exchange membranes potential to fouling by soy peptides 2) to compare pressure- and electrically-driven process in terms of mass flux and mass balance 3) to characterize the fractions in terms of molecular weight and amino acid profile, protein and peptide contents and 4) to evaluate their antioxidant potential and neuroprotection capacity. The study on ion-exchange membranes fouling by peptides showed that electrostatic interactions are the main cause of this phenomenon and its intensity depends on the type of membrane (cationic or anionic) used and the medium characteristics (acid or basic). Simple cleaning steps with NaCl solution could enhance performances of this process and improve its efficiency. Both processes showed a similar mass balance, however UF/NF process showed a higher mass transfer than UF/EDUF process when considering the time and membrane surface used to complete the run. UF/NF system produced a permeate with small molecular weights while UF/EDUF system produced fractions with a large range of molecular weights with a very specific molecular weight range depending on the pH value. Both processes produced similar fractions in terms of protein content. Specific fractions of EDUF were composed of a high level of polar amino acids. KCl 1 pH 3 and 6 from EDUF showed antioxidant capacities by the ORAC test. The same fractions as well as KCl 1 pH 9 and NF permeate pH 6 showed an interesting effect in the redox potential. Therefore none of these fractions showed protection against oxidative stress induced in cells.

Ce travail étudie l'intérêt de l'ajout d'hydrolysats de levure dans un procédé de culture de cellules CHO productrices d'anticorps en vue, d'une part, de déterminer leur condition d'utilisation et leur rôle, et, d'autre part, de caractériser les composés actifs. Pour répondre à ces objectifs, une démarche intégrant des études cinétiques, des stratégies de fractionnement et l'analyse biochimique des hydrolysats et de leurs fractions a été développée. En premier lieu, il a été montré que les hydrolysats de levure présentent des effets significatifs sur les cultures selon leur composition et les conditions d'ajout. De même, des effets synergiques ont été mis en évidence par le mélange d'hydrolysats générés à partir de différents procédés. D'autre part, des études cinétiques ont permis de corréler l'influence positive des hydrolysats sur la croissance cellulaire à l'amélioration du métabolisme énergétique. Dans un deuxième temps, la nature biochimique et le rôle des composés actifs ont été étudiés par la mise en oeuvre d'un procédé de nanofiltration membranaire et la reconstitution de mélanges de molécules contenues dans un extrait de levure (EXL). Ces résultats ont mis en évidence l'intérêt des di- et tri-peptides pour approvisionner le métabolisme énergétique et de molécules non nutritives, de poids moléculaire supérieur à 500 Da, pour stimuler la vitesse spécifique de croissance des cellules. Finalement, le rétentat issu de la nanofiltration de l'EXL a été fractionné à l'aide de divers procédés chromatographiques, unitaires ou associés, pour caractériser les propriétés physico-chimiques des composés actifs. L'effet des fractions sur la culture de cellules a alors souligné l'intérêt des molécules chargées positivement, et plus particulièrement, des peptides hydrophiles et cationiques pour stimuler la croissance des cellules. Ainsi, nos travaux permettent de mieux appréhender les mécanismes d'action des hydrolysats de levure sur les cellules CHO productrices d'anticorps et proposent des voies d'optimisation pour la simplification d'additifs complexes dans les milieux de culture dédiés à la culture de cellules animales / This work studies the interest of the addition of yeast hydrolysates in culture medium of CHO cell producing antibody, to determine the operating conditions and their role, but also to improve the characterization of active compounds. In this way, an integrated approach including kinetic studies, fractionation strategies and biochemical analysis of hydrolysates and of their fractions was developed. First, we showed that yeast hydrolysates exhibited various properties depending on their composition and the operating conditions. In addition, synergistic effects were observed with different hydrolysate mixtures. Besides, kinetic studies underlined that the positive influence of hydrolysates on cell growth is correlated with energetic metabolism improvement. Then, the biochemical nature and the role of active compounds were studied by the implementation of a nanofiltration process and the reconstitution of mixtures of molecules contained in a yeast extract (YE). The results highlighted the interest of di- and tri-peptides to supply energetic metabolism, and of non-nutritive molecules, exhibiting a molecular weight greater than 500 Da, to stimulate the specific cell growth rate. Finally, the retentate fraction of nanofiltrated YE was fractionated by various chromatographic processes to characterize the physico-chemical properties of active compounds. The effect of fractions on cell culture emphasized the positive effect of positively charged molecules, especially hydrophilic and cationic peptides, to stimulate the cell growth. Thus, our work provides important insights in yeast hydrolysate mechanisms on CHO cells and suggests procedures to simplify such a complex additive of media dedicated to mammalian cell culture

Garantir la qualité des produits sanguins est crucial. Les lysats plaquettaires (LP) riches en facteurs de croissance (FC) s’imposent comme le complément idéal pour l’expansion ex vivo des cellules souches, et comme produit thérapeutique pour la régénération cellulaire. L’intérêt est croissant pour les microparticules (MPs) extracellulaires, mais l’expression de phosphatidylsérine à leur surface peut induire des effets thrombotiques et inflammatoires. L’autre risque transfusionnel, la transmission de virus, dont le virus de l’hépatite C (VHC), est maîtrisable par traitements de réduction virale par solvant/détergent (S/D), chauffage, ou nanofiltration. Nous avons étudié des technologies de sécurisation des produits sanguins: (a) élimination des MPs par nanofiltration sur filtres de 75 nm et (b) traitements S/D, chauffage à 56°C ou nanofiltration pour inactiver ou éliminer le VHC. Les informations ont été utilisées pour développer des LP utiles en médecine régénérative. L’un d’eux destiné à la neurorégénération, a été préparé en émettant l’hypothèse qu’un lysat de culot plaquettaire (LCP) enrichi en facteurs neurotrophiques et dépourvu de protéines plasmatiques se montrerait efficace contre les maladies neurodégénératives. Nos résultats montrent que la nanofiltration sur des filtres de 75 nm préserve la composition en protéines plasmatiques, et le pouvoir hémostatique. La nanofiltration retire les MPs et évite, in vitro, la génération de thrombine. Par ailleurs le traitement S/D à 31°C pour 30 minutes élimine le pouvoir infectieux du VHC. Pris globalement les traitements de nanofiltration et S/D apparaissent donc comme des méthodes de choix pour l’amélioration de la sécurité du plasma vis à vis de risques thrombogènes et infectieux. Nous avons ensuite préparé un LCP appauvri en protéines plasmatiques (dont le fibrinogène) et enrichi en un mélange pléiotrope physiologique de FC destiné à l’administration cérébrale. Les analyses par ELISA et par protéomique ont montré qu’un chauffage de 56°C pour 30 min réduisait le contenu en protéines et modifiait favorablement la composition relative en facteurs neurotrophiques. Par ailleurs le chauffage améliore l’action neuroprotectrice et, associé aux traitements S/D et de nanofiltration, contribue à l’inactivation du VHC. Ce LCP exerce une neuroprotection élevée dans des modèles de la maladie de Parkinson (MP) tout à la fois (a) in vitro (cellules LUHMES différentiées en neurones dopaminergiques et exposées au MPP+) et (b) in vivo (souris intoxiquées par MPTP). L’expression de la tyrosine hydroxylase (TH) dans la Substantia nigra pars compacta montre que l’administration intracérébroventriculaire (ICV) ou intranasale (i.n.) apparait comme une option thérapeutique possible des maladies neuro-dégénératives. Les études cellulaires In vitro sur LUHMES et NSC34 ont montré que l’inhibition spécifique des voies signalétiques relayées par AkT et ERK altère l’activité neuroprotectrice du LC. Des événements neuro-inflammatoires pouvant aggraver l’évolution des maladies neurodégénératives, nous avons vérifié que le LCP n’induit pas de marqueurs inflammatoires (COX-2, iNOS) chez des cellules microgliales BV2, et pouvait même diminuer celle de COX-2 après exposition à des lipopolysaccharides. De plus, nous avons identifié que le LCP contenait 1.7 x 1012 MP/mL d’une taille moyenne de 160 nm. Isolées, ces MPs pourraient exercer un rôle neuroprotecteur des cellules LUHMES exposées à des agents neurotoxiques. En conclusion, nos résultats montrent la faisabilité technique à préparer des lysats plaquettaires viro-inactivés pour des usages dans le domaine de la médecine régénérative, y compris comme agent neuroprotecteur du système nerveux central. / Ensuring quality and safety of blood products is crucial. Platelet lysates (PL) rich in growth factors (GFs) have emerged as ideal clinical-grade supplement for ex vivo expansion of mesenchymal stromal cells, and as therapeutic product promote cellular regeneration. Interest for platelet extracellular microparticles (MPs) is growing but expression of phosphatidylserine on their surface may cause thrombotic and inflammatory side effects. Another transfusional risk, transmission of viruses, including hepatitis C virus (HCV), can be fully controlled by dedicated viral reduction methods as solvent/detergent (S/D) or heat treatments, or nanofiltration. We have evaluated technologies to secure therapeutic blood products: (a) removal of MPs by 75nm-nanofiltration and (b) inactivation/removal of HCV by S/D or 56°C heat treatments, or nanofiltration. Data have been used to develop LP of interest for regenerative medicine. In particular, one, targeting neuroregenerative applications, has been prepared based on the hypothesis that a platelet pellet lysate (PPL) enriched in multiple neurotrophic growth factors and depleted of plasma proteins could exert potent neuroprotective actions in neurodegenerative disease models. Our data show that 75 nm-plasma nanofiltration preserved plasma protein biochemical profile, and hemostatic power. Nanofiltration removes MPs and avoids in vitro the generation of thrombin. In addition, the S/D treatment at 31°C for 30 minutes fully inactivates HCV infectivity. Therefore, altogether, nanofiltration and S/D emerge as choice procedures to improve the safety of plasma for thrombogenic and infectious risks. We have then prepared a PPL depleted of plasma proteins (in particular fibrinogen), and rich in a physiological pleiotropic mixture of neurotrophins for brain administration. ELISA and proteomics studies revealed that the heat-treatment at 56°C for 30 min decreased the protein content and favorably modified the relative composition in neurotrophic factors. Heat-treatment improved the neuroprotective activity and, together with S/D and nanofiltration contributed to HCV inactivation. This PPL exerted strong neuroprotective effects in Parkinson’s disease (PD) models (a) in vitro, using LUHMES cells exposed to MPP+ neurotoxin, and (b) in vivo, in mice intoxicated by MPTP neurotoxin. Expression of tyrosine hydroxylase (TH) in the Substantia nigra pars compacta indicated that brain delivery by intracerebroventricular (ICV) or intranasal (i.n.) administration may be a therapeutic option for disease-modifying strategies of neurodegenerative diseases. In vitro studies in LUHMES and NSC34 cells showed that specific inhibition of signal transduction pathways through AkT and ERK influenced PPL neuroprotective function. Since neuro-inflammation detrimentally affects neurodegenerative disorders, we verified that the PPL did not stimulate the release of inflammatory markers (e.g. COX-2, iNOS) by BV2 microglial cells in culture, and could even restrict COX-2 expression when cells were exposed to LPS. In addition, the PPL was found to contain 1.7 x 1012 MP/mL with a mean size of 160 nm. These MPs may exert neuroprotective activity on LUHMES cells exposed to neurotoxins. Altogether, our data demonstrate the technical feasibility of developing virally-safe customized platelet lysate preparations with specific applications for cell therapy and regenerative medicine, in particular as neuroprotective agents of the central nervous system.

Ce travail de thèse a été consacré à l'élaboration d'un nouveau type de membranes de nanofiltration efficaces avec des propriétés améliorées (flux élevé et rétention élevée, et de bonnes propriétés mécaniques) en déposant un revêtement assemblé couche-par-couche (LbL) sur des supports poreux. Après avoir systématiquement étudié le mécanisme de croissance des films assemblés couche par couche des polyélectrolytes choisis et la relation entre les structures de ces films et les performances des membranes résultant, nous avons identifié avec succès les meilleures structures multicouches pour la construction de membranes de nanofiltration de référence avec des performances optimales. En outre, en prenant avantage de la technique LbL, nous avons introduit une couche de diffusion latérale assemblée soit de nanofibrilles de cellulose ou de nanotubes de carbone, qui permet d’augmenter le flux de 30% tout en conservant la même rétention par rapport à la membrane de référence. En plus, les films assemblés à base de chitosan et nanofibrils de cellulose ont montré une forte résistance à la traction allant jusqu’à 450 MPa et un module d’Young jusqu’à 50 GPa. / This thesis work was devoted to the development of a novel and efficient nanofiltration membrane with improved properties (high flux and high retention, good mechanical strength) by coating Layer-by-Layer (LbL) assembled films onto porous membrane support. After having systematically studied the growth mechanism of LbL-assembled films of chosen polyelectrolytes and the relationship between the structures of these films and the membrane performance of the resulting NF membranes, we successfully identified the best multilayer structures for constructing nanofiltration membranes (NF) of reference with optimal membrane performance. Furthermore, taking advantages of the LbL-assembly, we successfully introduced LbL-assembled lateral diffusion layer that is made of either cellulose nanofibrils or carbon nanotubes, which in turn led to membranes with 30% higher flux. In addition, the LbL-assembled films of chitosan and cellulose nanofibrils showed surprisingly strong tensile strength of up to 450 MPa and a high Young modulus of up to 50 GPa.

La dégradation des ressources en eaux par la présence de matières organiques (MO) et de micropolluants nécessite la mise en œuvre de procédés de production d’eau potable robustes. Dans ce contexte, de nombreuses municipalités françaises comme Saint Cloud et Angers ont décidé d’implanter un procédé d’adsorption sur charbon actif en poudre couplé à l’ultrafiltration (CAP/UF). Le CAP est utilisé en amont des membranes afin d’éliminer les traces de micropolluants tandis que les membranes d’UF assurent une qualité d’eau produite excellente et constante au cours du temps. Cependant, les retours d’expérience montrent une dégradation des performances de séparation liée notamment à un vieillissement des matériaux membranaires ainsi qu’une vulnérabilité du procédé vis-à-vis de certains micropolluants émergents tels que les composés organiques polaires (PMOCs). Les travaux réalisés au cours de cette thèse visent à mieux comprendre les conséquences du vieillissement chimique des membranes utilisées dans ces procédés et d’évaluer l’efficacité d’élimination de micropolluants afin de proposer des voies d’optimisation. Plus particulièrement il a été montré que la cause principale de vieillissement est l’exposition au chlore des membranes durant les phases de lavage modifiant les propriétés des matériaux. En effet, les nombreux outils de caractérisation utilisés ont permis de mettre en évidence une corrélation entre la dégradation de l’agent hydrophile des membranes et l'augmentation de la perméabilité lors de l'exposition au chlore. L’étude des performances membranaires a mis en évidence une altération de la résistance au colmatage vis-à-vis de la MO pour les membranes exposées au chlore. Cependant les résultats obtenus pour évaluer les performances de sélectivité des membranes vis-à-vis de virus n’ont pas souligné d’altérations majeures. Les essais d’adsorption ont démontré l’efficacité limitée du CAP pour la rétention des PMOCs. En effet, parmi les molécules testées, les molécules aromatiques les plus hydrophobes sont efficacement adsorbées par le CAP tandis que les plus polaires sont peu éliminées. Finalement, l’utilisation de la nanofiltration ou l’osmose basse pression, présentant des taux de rétention en moyenne supérieurs à 90%, en font des solutions techniques de choix pour l’élimination des PMOCs. / The degradation of water resources by the presence of organic matter (OM) and micropollutants requires the implementation of robust drinking water production processes. In this context, many French municipalities such as Saint Cloud and Angers have decided to set up a powdered activated carbon adsorption process coupled to ultrafiltration (PAC/UF). PAC is used upstream of membranes to remove traces of micropollutants while UF membranes provide excellent and constant water quality over time. However, the feedback reveals a degradation of the separation performances related in particular to an aging of the membrane materials and a vulnerability of the process towards some emerging micropollutants such as polar organic compounds (PMOCs).The work carried out during this thesis aims to better understand the consequences of the chemical aging of the membranes used in these processes and to evaluate the micropollutants removal efficiency in order to propose optimization ways. More particularly it has been shown that the main cause of aging is the chlorine exposure of the membranes during washing phases modifying the properties of the materials. In fact, the numerous characterization tools used have made it possible to demonstrate a correlation between the degradation of the hydrophilic agent of the membranes and the increase in the permeability during exposure to chlorine. The study of the membrane performances revealed an alteration of the resistance to fouling towards OM for membranes exposed to chlorine. However, the results obtained to evaluate the selectivity performance of the membranes with respect to viruses have not underlined any major alterations. Adsorption tests have demonstrated the limited efficiency of PAC for PMOCs removal. Indeed, among the molecules tested, the most hydrophobic and aromatic molecules are effectively adsorbed on PAC while the more polar ones are slightly adsorbed. Finally, the use of nanofiltration or low-pressure reverse osmosis, with average rejection rates over 90%, makes them the technological solutions of choice for the removal of PMOCs.

La complexité des mécanismes de transport en nanofiltration (NF) nécessite ledéveloppement d’outils de modélisation fiables permettant de comprendre et d’optimiser lesopérations de séparation en NF.La présente étude comprend deux volets. Le premier porte sur la rétention d’un soluténeutre – le poly(éthylène glycol) à 600 g mol-1 (PEG) – seul et en présence d’ions, par unemembrane organique de NF (polyamide). Les résultats obtenus montrent que la rétention dusoluté neutre chute en présence d’ions et ce, d’autant plus que la concentration du sel estélevée. Ce phénomène ne peut être expliqué par le seul phénomène de déshydratation dusoluté neutre par les ions environnants. Un phénomène supplémentaire de gonflement de porea été mis en évidence et corrélé à la densité de charge membranaire. La contribution des deuxphénomènes à la chute du taux de rejet du PEG a été évaluée pour différents sels à plusieursconcentrations.Le deuxième volet du travail est consacré à (i) l’évaluation de la constante diélectrique desolutions à l’intérieur de nanopores (ep) d’une membrane organique de NF (polyamide) àpartir de mesures de potentiel de membrane et (ii) la validation de cette méthode. Les valeursobtenues s’avèrent être inférieures à celle de la solution externe (effet du confinement) etdiminuer avec l’augmentation de la proportion en ions calcium du mélange (effet structurantdes ions). L’accord entre les constantes diélectriques ep déterminées à partir de mesures depotentiel de membrane et de taux de rejet ionique (mélanges ternaires) valide la cohérence dumodèle de transport utilisé (exclusion stérique, électrique et diélectrique aux interfaces) etmontre que les mesures de potentiel de membrane peuvent être envisagées pour l’évaluationcorrecte de la constante diélectrique à l’intérieur de nanopores / The complexity of transport mechanisms in nanofiltration (NF) requires the developmentof reliable modelling tools for understanding and optimizing the separation process.This study is composed of two parts. The first one focuses on the retention of a neutralsolute – poly(ethylene glycol) 600 g mol-1 (PEG) – in single solute solutions and in thepresence of mineral salts by an organic NF membrane (polyamide). Results show that PEGrejection is significantly lower in mixed-solute solutions and that rejection rate drop increaseswith salt concentration. This phenomenon cannot be imputed to only the partial dehydrationof PEG molecules by surrounding ions (salting-out effect). The additional hypothesis whichwas considered in the present work is an increase in the effective pore size (pore swelling).This hypothesis was supported by electrokinetics charge density data. The contribution ofpore swelling and salting-out to the overall decrease in the rejection rate of PEG wasevaluated for different salts at various concentrations.The second part of this study deals with (i) the determination of the dielectric constantinside pores (ep) of an NF organic membrane from membrane potential measurements and (ii)the validation of this technique. Membrane potential data were analyzed by means of theSEDE (steric, electric and dielectric exclusion) transport model. ep values were found to besmaller than the bulk value and to decrease when sodium ions were replaced by calcium ions.The agreement between ep values obtained from membrane potential measurements and thosecalculated from ion rejection rate data (ternary mixtures) highlights the global coherence ofthe transport model used and shows that membrane potential measured with electrolytemixtures can be used to determine the dielectric constant inside pores with no requirement ofadditional rejection rate measurements.

Les industries de production de boissons génèrent quotidiennement des volumes importants d’eaux usées. Du fait des résidus de production et des produits de lavage et de désinfection, ces rejets industriels, en plus d’être chargés en matière organique, contiennent des polluants minéraux comme le sodium. L’osmose inverse (OI), l’électrodyalyse (ED) et la nanofiltration (NF) sont des procédés performants pour l’élimination des polluants minéraux dissouts et le bioréacteur réacteur à membrane (BàM) pour la dégradation de la pollution organique. 4 pilotes de BàM, 2 de NF et 1 d’ED ont été utilisées pour étudier le traitement d’effluents d’industrie de production de bières et de boissons gazeuses par des technologies membranaires dans le contexte climatique sahélien. L’évolution de la biomasse dans le réacteur biologique et les performances épuratoires des systèmes ont été suivies. L’influence des conditions opératoires sur le fonctionnement des installations a également été évaluée. Les résultats obtenus montrent que les caractéristiques des eaux usées industrielles étudiées connaissent des variations importantes avec des teneurs moyennes de demande chimique en oxygène (DCO) de 5 gO2/L, de sodium de 0,5 mg/L et de pH de 11. L’évolution des microorganismes dans le réacteur biologique est influencée par les conditions opératoires notamment le pH, la température, la charge organique de l’alimentation, le temps de séjour des boues et les performances mécaniques du système. L’élimination de la pollution organique a été influencée par l’acclimatation de la biomasse et par la charge massique dans le réacteur. Des rendements d’élimination de la DCO compris entre 93 et 96 % ont été obtenus aussi bien en conditions aérobie qu’anaérobie. Le sodium a été très peu retenu par le traitement au BàM avec des rendements d’élimination faibles. Le rendement moyen de production de biogaz avec le BàM anaérobie est estimé à 0,21±0,03 L biogaz/gDCO éliminé pour un débit moyen de 89±40 L/j. L’application de la NF au perméat du BàM a conduit à des effluents de meilleure qualité avec une élimination aussi bien de la matière organique dissoute que des ions. L’ED a conduit à une meilleure élimination de la salinité à la suite du BàM mais moins de la matière organique dissoute. Les concentrations de sodium dans les produits finaux de traitement avec la NF et l’ED sont inférieures à 150 mg/L autorisant ainsi une possible réutilisation des eaux traitées pour l’irrigation et un déversement sans risque dans l’environnement. Tenant compte des différentes activités, le cout d’exploitation de la station de prétraitement actuelle de la Brakina est évaluée à 140 FCFA/m3 d’eau traitée (0,213 euros) dont environ 70% consacré à la neutralisation des eaux usées par l’addition d’acide concentré. L’amélioration du traitement avec un couplage BàM-NF fait ressortir un investissement estimé à 3,8 milliards de FCFA (5,7 millions d’euros). Les charges d’exploitation sont pour leur part évaluées à 322 FCFA/m3 d’eau traitée (0,49 euros/m3 d’eau traitée) pour un BàM aéré contre 227 FCFA/m3 d’eau traitée (0,34 euro/m3 d’eau traitée) pour un BàM anaérobie soit une baisse de 30%. La construction d’un tel système pourrait occasionner la pérennisation de la maraîcheculture en aval de la station de traitement de Kossodo et générer des centaines d’emplois permanents avec des revenus nets supérieurs à 12 millions FCFA/mois (18 675 euros). Aussi, cela pourrait constituer une vitrine pour la politique sociale et environnementale de la Brakina. Toutefois, les investissements importants, la disponibilité spatiale et l’absence de compétence technique pour la maintenance curative du système pourraient être les principales contraintes à la mise en œuvre de ce projet.Mots clés : bioréacteur à membrane, eaux usées industrielles, électrodyalyse, industrie de production de boissons, nanofiltration / The beverage industries generate large volumes of wastewater daily. Due to production residues and washing and disinfecting products, these industrial discharges, in addition to being loaded with organic matter, contain mineral pollutants such as sodium. Reverse osmosis (RO), electrodialysis (ED) and nanofiltration (NF) are efficient processes for the removal of dissolved inorganic pollutants and the membrane bioreactor (MBR) for the degradation of organic pollution. 4 MBR pilots, 2 from NF and 1 from ED were used to study the treatment of effluents from the beer and soft drinks industry using membrane technologies in the Sahelian climate context. The biomass evolution in the biological reactor and the treatment efficiency were followed. The influence of the operating conditions on the facilities running was also evaluated. The results obtained show that the characteristics of the industrial wastewater used vary significantly with average levels of chemical oxygen demand (COD) of 5 gO2 / L, sodium of 0.5 mg / L and pH of 11. The evolution of the microorganisms in the biological reactor is influenced by the operating conditions, in particular the pH, the temperature, the organic load of the feed, the sludge retention time and the mechanical performance of the system. COD removal efficiencies between 93 and 96% were obtained both aerobically and anaerobically. Elimination of organic pollution was influenced by the acclimation of the biomass and by the mass loading in the reactor. Sodium was poorly retained by MBR treatment with low retention rates. The average biogas production yield with anaerobic MBR is estimated at 0.21 ± 0.03 L biogas/gCOD removed for an average flow rate of 89 ± 40 L/d. The application of NF to the MBR permeate has led to higher quality effluents with removal of both dissolved organic matter and ions. ED led to better salinity removal as a result of MBR but less of dissolved organic matter. The sodium concentrations in the final products of treatments obtained with NF and ED are less than 150 mg / L thus allowing a possible reuse of treated water for irrigation and a safe rejection in the environment. Taking into account the different activities, the operating cost of the current Brakina pre-treatment station is estimated at 140 FCFA/m3 of treated wastewater (€ 0.213), of which about 70% for the neutralization of wastewater by the addition of concentrated acid. Improving treatment with MBR-NF coupling shows an investment estimated at 3.8 billion FCFA (5.7 million euros). Operating expenses are estimated at 322 FCFA/m3 of treated wastewater (0.49 euros/m3 of treated wastewater) for an aerated MBR compared to 227 FCFA/m3 of treated wastewater (0.34 euro/m3 of treated wastewater) for anaerobic MBR is a decrease of 30%. The construction of such a system could lead to the sustainability of market gardening downstream of the Kossodo treatment plant and generate hundreds of permanent jobs with net revenues of more than 12 million FCFA/month (18.675 euros). Also, this could be a showcase for the social and environmental policy of Brakina. However, the major investments, the space requirements that the implementation of this proposal requires and the unavailability on site of technical competence for the curative maintenance of the system could be the main constraints to the implementation of this project.Key words: beverage production industry, electrodialysis, industrial wastewater, membrane bioreactor, nanofiltration

In Taiwan, more than 25% of all water uses comes from groundwater, and thus groundwater is a very valuable water resource for both domestic and industrial uses. However, groundwater at many existing former industrial sites and disposal areas was contaminated by halogenated organic compounds that were released into the environment. The chlorinated solvent trichloroethene (TCE) is one of the most ubiquitous of these compounds. In this laboratory-scale feasibility study, a hybrid two-stage process combining fiber filtration (FF) and nanofiltration (NF) was applied to remove to suspended solids (SS) and TCE from contaminated groundwater for water purification. In this study, a man-made kaolin solution was used to simulate groundwater purification using FF system. Then, microfiltration (MF), ultrafiltration (UF), and NF systems were applied for TCE removal. The hybrid membrane process using FF and NF units was used to evaluate the feasibility on TCE removal. The scanning electron microscope (SEM) and energy dispersive spectroscope (EDS) were used to investigate membrane morphology and structure after use. A 3-D excitation emission fluorescence matrix (EEFM) was used to evaluate the potential of membrane organic fouling. Results show that the optimization filtration velocity of FF was 15.3 m/hr, and the observed TCE and SS removal efficiencies were 80% and 60%, respectively. Removal mechanisms for MF and UF were mainly sieving, and the removal mechanism for NF was mainly electrostatic repulsion. Results indicate that NF had the highest TCE removal efficiency (98.2%). When initial TCE concentration was 1 mg/L, NF membrane pore might shrink caused increased TCE removal (rejection). When TCE concentration was higher 1 mg/L, membrane damage and pore enlargement was observed with decreased TCE removal efficiency. The observed SS, sulfate, and hardness removal efficiencies were 99.8%, 98.7%, and 98.7% respectively, when FF and NF hybrid process was used. Higher TCE concentration might enlarge membrane pore, which caused decreased membrane separation and increased flux. Approximately 46% of flux drop was observed when NF was used alone compared to the hybrid membrane process using FF as the first treatment stage. Membrane analyses show that residual TCE was adsorbed on the membrane. Low zeta potential of groundwater was observed due to the compressed electric double layer, which caused aggregation of particle. High zeta potential of permeate was due to the particle dispersive through hybrid process. Results from SEM analysis show that membrane morphology was damaged by TCE, and heavy metal in groundwater deposited on membrane. Results of EEFM analysis indicate that groundwater contained humic acid (HA) and soluble microbial by-product (SMP). HA and SMP might be adsorbed on fiber filter, and extracellular polymeric substances (EPS) that attached on fiber filter might be washed out. The organic powders on the surface of the fiber filter might be washed out causing the increased in NPDOC concentrations. Humic acid could be removed through NF process, and SMP might be adsorbed in membrane pore caused organic fouling, and SMP might be washed out after treatment by the FF+NF hybrid process. Results indicate that FF as pre-treatment can maintain higher flux. Higher TCE concentration caused membrane destruction and decreased membrane separation. TCE contaminated groundwater can be affectively treated by the hybrid membrane system to meet the groundwater standard and reclaimed water standard. Reclaimed water could be used for industrial cooling water and irrigation purposes.

Includes vita. / Title from PDF of title page. / Document formatted into pages; contains 187 pages. / Thesis (Ph.D.)--University of South Florida, 2003. / Includes bibliographical references. / Text (Electronic thesis) in PDF format. / ABSTRACT: This dissertation investigates the importance of diffusional and convective fluxes for salts in reverse osmosis (RO) and nanofiltration (NF) membranes. Moreover, the physical and thermodynamic factors controlling the salt permeability are analyzed. The study utilizes direct osmosis (DO) experiments and RO experiments, the later using both flat sheet and spiral wound membrane configurations. The salts considered are chlorides and acetates of alkali metals and alkaline earth metals. The equation governing the salt transport in DO experiments is derived and a phenomenon inverse to concentration polarization in RO is observed. The salt permeability in DO is equal to the salt permeability calculated for the valid cases of the used RO models. DO is suggested as an alternative method in characterizing the salt transport in membranes. The method can be more advantageous than RO due to the lower costs and simplicity of the apparatus. / ABSTRACT: The models used to calculate the salt transport parameters in RO experiments are Spiegler-Kedem model, which considers both diffusion and convection of salt, and Kimura-Sourirajan model, which considers only diffusion of salt. It is found that diffusion is the dominant mechanism of transport in both RO and NF membranes. The percentage of the salt diffusional flux of the total flux is highest for seawater membranes and it is approximately equal for brackish water and nanofiltration membranes. The salt diffusive flux contribute more to the total flux for the 1:2 salts than for 1:1 salts. The two RO models are found equivalent in determining the salt permeability for only the seawater membranes. The Kimura-Sourirajan model overestimates the salt permeability coefficient for salts with rejection coefficient lower than 86%. / ABSTRACT: The permeation rates for studied salts follow the lyotropic series regardless the membrane type (RO or NF), the membrane configuration (flat sheet or spiral wound), the process (DO or RO), or the models used for the calculations. This order of salt permeability is explained by the hydration of the cations, which is quantified by the enthalpy and entropy of hydration. The relative free energy theory can also be used to predict the salt permeability in a membrane based on preliminary data. / System requirements: World Wide Web browser and PDF reader. / Mode of access: World Wide Web.