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In Peru, potato cultivation represents 25% of the agricultural gross domestic product yet only 0.2% of the agamic seed used is from certified sources. The use of temporary immersion bioreactors (TIB) has improved the quality of microtubers micropropagated along with savings in costs of production. The current study investigated the agronomic performances of Peruvian Canchan potato microtubers derived from TIB (basic agamic seed 1 and 2) under the low-input agro-technology in the coastal zone of Peru. Following 75 days of growth, plants derived from microtubers produced in TIBs displayed slower vegetative growth than those from conventional tubers. However, at harvest, these differences were no longer apparent as the plants from TIB derived-basic agamic seed 1 and 2 produced the highest numbers of tubers per plant. Although plants raised from conventional tubers produced the highest fresh mass of tubers, significantly more propagules were produced by plants regenerated from basic agamic seed 1 and 2 derived from micropropagation in liquid media. These results demonstrate that much more planting material (seed tubers) can be obtained from microtubers in the field (basic agamic seed 1) than from the conventional commercial seed tubers.

La prise en compte du microbiote intestinal porcin est une approche de plus en plus considérée dans la qualification des mesures de contrôle des pathogènes alimentaires issus de cette filière de production. Toutefois, ces études, en conditions protégées, sont généralement réalisées in vivo, nécessitent des installations spécialisées, coûteuses en fonctionnement. Une alternative possible à l’utilisation des animaux serait la disponibilité d’un système in vitro mimant le microbiote intestinal cultivé en bioréacteur. Ce projet de recherche vise la mise au point d’un système de culture en bioréacteur pour la production d’un microbiote dérivé du microbiote intestinal porcin, puis la mesure de l’effet de deux huiles essentielles sur le microbiote. Un système, original par son alimentation continue par un digestat d’aliment conventionnel porcin, a été utilisé dans le cadre de ce projet. En effet, ce système est composé de huit réacteurs, dont un réacteur mère permettant la croissance du microbiote qui a été distribué dans les sept réacteurs fils afin de disposer de conditions reproductibles. Les résultats obtenus par séquençage métagénomique 16S par Illumina MiSeq des échantillons démontrent une grande évolution de la composition des échantillons à 48 h par rapport au contenu intestinal utilisé pour l’inoculation. Toutefois, cette variation a diminué considérablement entre 48h et 72h, pour offrir une fenêtre d’analyse de microbiotes complexes d’origine intestinale porcine pour l’évaluation d’additifs alimentaires. Dans le cadre de cette étude, l’introduction de deux huiles essentielles, le Thymol et le Carvacrol, a été testée dans le système à 48h, pour deux concentrations (200 ou 1000 ppm). Les résultats de PCR quantitative ont démontré une augmentation significative des populations de Lactobacilles dans les réacteurs contenant du Thymol à 1000 ppm en 24h (entre l’ajout à 48h et la fin de l’expérience, à 72 h) ou par comparaison avec le réacteur contrôle sans huile à la fin de l’essai, mais aucune différence significative n’a été observée pour le Carvacrol. Toutefois, aucune différence significative n’a été observée au niveau de la composition du microbiote entre les réacteurs comportant des additifs différents. Cette étude a permis le développement d’un système de bioréacteur permettant de maintenir un microbiote dérivé du microbiote intestinal porcin sur 72h, ainsi que sa mise en oeuvre pour mesurer l’effet de l’addition d’une huile essentielle dans un réacteur., Pig intestinal microbiota is an approach more considered in the foodborne pathogen control qualification in the pig production. However, these studies are commonly conducted in vivo needing specific installation and significant costs. A possible alternative to the use of animals would be the used of an in vitro system to mimic the intestinal microbiota, in a bioreactor. This research project aims to setup a bioreactor system to produce a microbiota derived from the pig intestinal microbiota, and to assess the effect of two essentials oils on this microbiota. The system used in this project is unique by its design, continuously supplied using digested piglet feed as a culture media. This system is composed of eight reactors, including a mother reactor for the growth of the microbiota that was divided between seven daughter reactors to obtain reproducible conditions. Results obtained by 16S metagenomic sequencing using Illumina MiSeq of the samples showed an evolution of the sample composition at 48h compared to intestinal content used for inoculation. However, this variation decreases between 48h and 72h, offering a window for the analysis of food additives effect on the microbiota from piglet origin. In this study, two essentials’ oils, Thymol and Carvacrol, were added to the system at 48h, at a concentration of 200 and 1000 ppm, respectively. Quantitative PCR showed a significant increase of Lactobacilli in reactors containing Thymol at 1000 ppm in 24h (between the addition at 48h and the end of the experiment at 72h) or when comparing with the control reactor without oils at the end of the experiment, but no significative difference was observed for the Carvacrol. However, no significative difference was observed in microbiota composition between the reactors containing the different additives. This study enabled the development of a bioreactor system to maintain a microbiota derived from the pig intestinal microbiota over 72h, and the possibility to assess the effect of essential oils addition in a reactor.

This thesis describes the design and implementation of a tubular hydrogel bio reactor to cultivate bacteria. Hydrogel tubes are formed by a process of low flowrate coextrusion of an external viscous solution of alginate polymer and an aqueous internal solution in a gelling bath containing divalent cations which is placed at variable distance from the extrusion nozzle. The geometric properties and the stability of such a liquid bridge depend on the extrusion rate and on the composition of the core fluid, which in turn determine the characteristics of the hydrogel tube. The formation of the tube results from a competition between the spreading of the alginate solution on the free surface of the bath and the sol-gel transition induced by the diffusion of cations from the bath. The use of barium to gel a heat-sterilized alginate solution makes it possible to obtain a stable hydrogel under physiological conditions of microbial culture but leads to a heterogeneous hydrogel, thus making the tubes not functional. The gelation of the alginate with calcium, resulting in a homogeneous hydrogel, followed by an ion exchange step with barium makes it possible to obtain transparent tubes that are mechanically and thermodynamically stable. Subsequently, the tubes are placed in a flow cell having an observation window to be able to perfuse them but also to induce a flow of the external culture medium in contact with the semi-permeable membrane constituted by the hydrogel, allowing the culture of bacteria over several days., Cette thèse décrit la conception et la mise en place d’un bioréacteur tubulaire en hydrogel pour la culture de bactéries. Des tubes d’hydrogel sont formés par un procédé de coextrusion à bas débit d’une solution visqueuse de polymère d’alginate et d’une solution interne aqueuse dans un bain gélifiant contenant des cations divalents qui est placé à distance variable de la buse d’extrusion. Les propriétés géométriques et la stabilité d’un tel pont liquide dépendent notamment du débit d’extrusion et de la composition du fluide de cœur qui à leur tour déterminent les caractéristiques du tube d’hydrogel ainsi formé. La formation du tube résulte d’une compétition entre l’étalement de la solution d’alginate à la surface libre du bain et de la transition sol-gel induite par la diffusion des cations depuis le bain. L’utilisation du baryum pour gélifier l’alginate permet d’obtenir un hydrogel stable dans des conditions physiologiques de culture microbienne mais conduit à un hydrogel hétérogène, notamment en lien avec le traitement thermique pour stériliser la solution d’alginate, rendant alors les tubes non fonctionnels. La gélification de l’alginate par du calcium, conduisant à un hydrogel homogène, puis une étape d’échange ionique par du baryum permet alors d’obtenir des tubes mécaniquement et thermodynamiquement stables ainsi que transparents. Par la suite, les tubes sont placés dans une cellule de flux possédant une fenêtre d’observation afin de pouvoir les perfuser mais également d’induire un écoulement du milieu de culture extérieur au contact de la membrane semi-perméable que constitue l’hydrogel. Il est ainsi possible de cultiver bactéries sur plusieurs jours.

In Denmark, transport mitigation measures are crucial tools to limit water pollution linked to exceeding nitrate in agricultural outflows. In fact, the entire arable surface is described as NVZ (Nitrate vulnerable zone) by the European Commission and would have nitrate concentrations equal or above the legal threshold of 50mg/l without preventing measures. Woodchip bioreactors allow the denitrification of agricultural outflows by the enzymatic activity of microbial communities. However, it has been reported that those reactors emit nitrous oxide due to the denitrification process. The aim of this study was to assess the efficiency of the introduction of biochar to enhance denitrification and reduce N2O emissions. A semi-field trial lasting 6 weeks was conducted with 3 modalities: woodchips, woodchips with 5% biochar and woodchips with 10% biochar. For denitrification, no significant difference was found between the modalities. Regarding N2O emission reduction, a significant effect was found in presence of biochar. However other factors were more significant such as the heterogeneity of the triplicates and the impact of time. It can only be concluded that biochar probably has a reducing effect on, N2O emissions. These results are close to similar studies and metanalyses. Only further research will enable a full understanding of the efficiency of biochar to enhance denitrification and reduce N2O emissions.; Au Danemark, les méthodes de mitigation du transport du nitrate sont des outils cruciaux pour lutter contre la pollution de l’eau liée aux excédents de nitrate provenant des effluents agricoles. En effet, l’ensemble de la surface agricole du pays est classée ZVN (Zone vulnérable aux nitrates), c’est-à-dire qu’en l’absence de mesures visant à réduire la concentration de nitrate dans l’eau, le seuil réglementaire de 50mg/l de nitrate de la Commission Européenne serait atteint ou dépassé. Les bioréacteurs à copeaux de bois permettent la dénitrification des affluents agricoles par l’action enzymatique des communautés bactériennes. Il a cependant été observé que ces réacteurs rejetaient du peroxyde d’azote dû à ce processus de dénitrification. L’objet de cette étude était d’évaluer si l’introduction de biochar augmentait la dénitrification et permettait de réduire les émissions de N2O. Un essai en système semi ouvert de 6 semaines a été mené avec des triplicats suivant 3 modalités : copeaux de bois seuls, copeaux de bois plus de 5% de charbon actif, copeaux de bois plus 10% de charbon actif. Aucune différence significative entre les modalités n’a été observée pour la dénitrification. Concernant la réduction d’émissions de N2O, bien qu’un effet significatif ait été noté, d’autres facteurs, comme l’hétérogénéité des triplicats et l’effet jour étaient nettement plus significatifs. On ne peut donc conclure qu’en une probable réduction des émissions de N2O en présence de biochar. Seules de futures études permettront de statuer sur l’efficacité du biochar pour la dénitrification et la réduction d’émission de N2O.

In this work, we study the shape optimization of a continuous bioreactor in which a substrate is degraded by a microbial ecosystem in a nonhomogeneous environment. The bioreactor considered here is a three-dimensional vertically oriented cylindrical tank. The behavior of reactants is described with a spatial chemostat model based on an Advection-Diffusion-Reaction system while the fluid flow is modeled using incompressible Navier-Stokes equations. We consider that the reaction rate between biomass and nutrient shows either monotonic or non-monotonic behavior. We tackle an optimization problem which aims to minimize the considered total reactor volume, with an output concentration (at stationary state) maintained below a desired threshold, by choosing a suitable bioreactor shape. We propose a methodology to create three different discrete parametrizations of the bioreactor geometry and obtain the optimized shapes with the help of a Hybrid Genetic Algorithm. We show that the optimized reactors exhibit height much larger than width and their exterior wall is concavely curved (the concavity at the upper part of the exterior wall being more pronounced for non-monotonic functions).

Monoclonal cultures of microorganisms in bioreactors have long been considered homogeneous (i.e. all cells are identical). However, population heterogeneities may occur, due to stochastic changes in gene expression, plasmid instability or concentration gradients. This heterogeneity can negatively impact the performance of the processes by decreasing their robustness, especially in the case of recombinant molecule production. The objective of this work is to identify the sub-populations coming from a pure culture bioreactor, to understand their effectors and to control their distribution. The chosen study model is the production of isopropanol by a recombinant strain of Cupriavidus necator. Tools need to be developed to monitor the behavior of these sub-populations during culture. However, such tools are not yet adapted to the dynamic monitoring of bacterial cultures. Thus, to answer the scientific questions, an eGFP biosensor (coded on a recombinant plasmid in C. necator) has been built to dynamically monitor sub-populations by flow cytometry during bioreactor cultures. Different plasmid stabilization strategies, under different controlled environment conditions, were studied in order to characterize their response and efficacy. Two different but complementary methods for monitoring the stability of plasmid expression have been implemented: plate count and flow cytometry. In a first step, isopropanol production by C. necator in fed batch culture was studied with different plasmid constructs. Isopropanol yields and production rates decreased drastically as the instability of plasmid expression increased. This threshold can be modulated according to the plasmid design (plasmid stabilization system or not). In a second step, a technique for plasmid expression monitoring at the single-cell level has been developed. The gene coding for eGFP was inserted into the recombinant plasmid. The impact of the strength of different constitutive promoters was quantified in order to determine the construct with the lowest metabolic load on host cells while ensuring satisfactory sensitivity of the fluorescence measurements. The tool defined was then confronted with culture conditions allowing the generation of population heterogeneity, in order to understand its responses according to the operating conditions. Thus, the impact of growth rate on plasmid expression level was studied in continuous culture, under stringent conditions of plasmid loss. In addition, the robustness of non-isopropanol-producing strains was evaluated under different conditions of substrate feeding and plasmid stabilization systems. Finally, the plasmid expression monitoring system was inserted into a plasmid coding for isopropanol production. Its insertion led to a decrease in isopropanol productivity, linked to instability of plasmid expression compared to the non-fluorescent strain. Different levels of plasmid expression could be identified and quantified during culture. This work has allowed, through the development of a biosensor, to better understand the link between the operating conditions imposed during bacterial cultures and the appearance of plasmid expression heterogeneity on the robustness of a process.; Les cultures monoclonales de microorganismes en bioréacteur ont longtemps été considérées comme homogènes (i.e. toutes les cellules sont identiques). Cependant, des hétérogénéités de population peuvent survenir, dues à des modifications stochastiques de l’expression génétique, une instabilité plasmidique ou à des gradients de concentration. Cette hétérogénéité peut impacter négativement les performances des procédés en diminuant leur robustesse, notamment dans le cas de production de molécules recombinantes. L’objectif de ce travail est d’identifier les sous-populations provenant d’une culture pure en bioréacteur, de comprendre leurs effecteurs et de contrôler leur distribution. Le modèle d’étude choisi est la production d’isopropanol par une souche recombinante de Cupriavidus necator. Des outils doivent être développés pour suivre le comportement de ces sous-populations en cours de fermentation. Néanmoins, de tels outils ne sont, à ce jour, pas encore adaptés au suivi dynamique des cultures bactériennes. Ainsi pour répondre aux questions scientifiques, un biosenseur eGFP (codé sur un plasmide recombinant chez C. necator) a été construit afin de suivre dynamiquement des sous-populations par cytométrie en flux en cours de cultures en bioréacteurs. Différentes stratégies de stabilisation plasmidique, dans différentes conditions d’environnements contrôlées, ont été étudiées afin de caractériser leur réponse et efficacité. Deux méthodes différentes mais complémentaires pour le suivi de stabilité de l’expression plasmidique ont été mises en place : la numération sur boîte et la cytométrie en flux. Dans un premier temps, la production d’isopropanol par C. necator en culture discontinue alimentée a été étudiée avec différentes constructions plasmidiques. Les rendements et vitesses de production en isopropanol diminuent drastiquement lorsque l’instabilité de l’expression plasmidique augmente. Ce seuil peut être modulé en fonction du design plasmidique (système de stabilisation plasmidique ou non). Dans un second temps, une technique de suivi de l’expression plasmidique à l’échelle de la cellule unique a été développée. Le gène codant pour l’eGFP a été inséré sur le plasmide recombinant. L’impact de la force de différents promoteurs constitutifs a été quantifié afin de déterminer la construction présentant la charge métabolique la plus faible sur les cellules hôtes tout en garantissant une sensibilité satisfaisante des mesures de fluorescence. L’outil ainsi défini a ensuite été confronté à des conditions de cultures permettant de générer une hétérogénéité de population, afin de comprendre ses réponses en fonction des conditions opératoires. Ainsi, l’impact du taux de croissance sur le niveau d’expression plasmidique a pu être étudié en culture continue, dans des conditions stringentes de perte plasmidique. De plus, la robustesse de souches non productrices d’isopropanol, a été évaluée dans différentes conditions d’alimentation en substrat et de systèmes de stabilisation plasmidique. Dans un dernier temps, le système de suivi de l’expression plasmidique a été inséré dans un plasmide codant pour la production d’isopropanol. Son insertion a conduit à une diminution de la productivité en isopropanol, liée à une instabilité d’expression plasmidique par rapport à la souche non fluorescente. Des niveaux différents d’expression plasmidique ont pu être identifiés et quantifiés en cours de culture. Ces travaux ont permis, de par le développement d’un biosenseur, de mieux comprendre le lien entre les conditions opératoires imposées au cours des cultures bactériennes et l’apparition d’hétérogénéité de l’expression plasmidique sur la robustesse d’un procédé.

H2, a promising energetic vector, can be synthesized by Thermococcales. High pressure (HP) could influence the associated metabolism, but was not practically considered. After having screened isolates for assets in substrate degradation and H2 yields, T. barophilus MPT, growing optimally at 40 MPa, was chosen as a model and its metabolism was characterized in an applied context. Methods for HP culture were optimized for H2 studies. Our HP bioreactor for continuous culture underwent major improvements. This 400 mL container, able to maintain corrosive fluids at hydrostatic (up to 120 MPa) and gas (up to 40 MPa) pressures, at up to 150 °C, served to assess H2 production of our strain at high gas pressure. We also created a compressible device for discontinuous leak-free gas-phase incubations, allowing to measure T. barophilus HP H2 production (hydrostatic). HP adaptations of T. barophilus were observed thanks to previous deletions of key genes (mbh, mbs, co-mbh, shI, shII).We refined the roles of each concerned enzyme by assessing growths, end-products (H2, H2S, acetate), and gene expressions of the mutants, at 0.1 and 40 MPa. Additionally, we enhanced H2 tolerance in our model by adaptive laboratory evolution. “Evol”, the ensuing strain acclimatized to H2-saturating conditions for 76 generations, grew in 10% H2, contrarily to the parent strain. To understand such adaptation, we compared both strains’ end-products (H2, H2S, acetate), transcriptomes, and genomes.119 mutations were detected and the H2 metabolism was changed in the new variant. This work underlines the interest of Thermococcales’ piezophily for H2 bio-production and permits to propose optimization strategies., L’H2, vecteur d’énergie prometteur, peut être synthétisé par les Thermococcales. La haute pression (HP) influencerait le métabolisme associé, mais n’a pas été envisagée en pratique. Après criblage d’isolats pour dégradations de substrats et productions d’H2, T. barophilus MPT, croissant préférentiellement à 40 MPa, a été choisi comme modèle, et sa fermentation a été décrite dans un contexte appliqué. Des méthodes HP ont été optimisées pour étudier l’H2. Un bioréacteur de 400mL de culture continue a été amélioré, maintenant des fluides corrosifs à HP hydrostatique (jusqu’à 120 MPa) et gazeuse (jusqu’à 40 MPa) jusqu’à 150 °C. Il a permis de mesurer la production d’H2 de notre souche à HP gazeuse. Un tube compressible pour culture discontinue à phase gaz étanche a été inventé, et a servi à mesurer la production d’H2 de T. barophilus en HP hydrostatique. Le métabolisme HP de la souche a été étudié grâce à des délétions préalables de gènes clés (mbh, mbs, co-mbh, shI, shII). Les rôles des enzymes liées ont été précisés via des mesures de croissances, produits (H2, H2S, acétate) et expressions génétiques des mutants, à 0,1 et 40 MPa. La tolérance à l’H2 de T. barophilus a été augmentée par évolution adaptative en laboratoire.« Evol », la souche fille acclimatée durant 76 générations à une saturation d’H2, a crû dans 10% d’H2, contrairement à la souche mère. Pour comprendre ces adaptations, les produits (H2, H2S, acétate), transcriptomes et génomes des deux souches ont été comparés. Avec 119 mutations génomiques, le métabolisme de l’H2 a été modifié dans le variant. Ce projet souligne l’intérêt du caractère piézophile des Thermococcales dans la bio-production d’H2 et permet de proposer des stratégies d’H2 et permet de proposer des stratégies d’optimisation.

The reconstruction of large bone defects requires the implantation of scaffolds that are biocompatible, biodegradable and able to promote bone healing. This thesis focused on a porous biomaterial that had already demonstrated its osteo-inductive properties after implantation in rats and goats. This biomaterial is produced by freeze-drying of a chemically crosslinked polysaccharide-based (pullulan and dextran) hydrogel.First, we studied the influence of the process parameters on the properties of the biomaterial porous structure. The scaffolds were characterized at each step of the fabrication process: by dynamic rheometry during crosslinking, by electron cryo-microscopy just after freezing, by X-ray microtomography in the dry state and finally by confocal microscopy in the swollen state. It appears that the porous structure obtained at the end of freeze-drying strongly depends on the microstructure of the ice formed during the freezing stage: each pore results from the growth of one to a few crystals. Ice grains are mostly generated by secondary nucleation, this phenomenon is enhanced by the presence of the polymer network. Two parameters controlling the porous structure were particularly examined: the amount of crosslinker that reacts with the polysaccharides (which affects the correlation length of the polymer network), and the nucleation temperature at the onset of freezing. After sublimation of ice, the biomaterial becomes highly porous (92-94%).The seeding efficiency of the dried scaffolds was quantified using suspensions of narrow-sized calibrated microspheres and suspensions of cells: the seeding threshold is in the order of the average diameter of the dry pores. After swelling (occurring simultaneously with seeding), porosity is significantly lower (~ 30%) and the average diameter of the swollen pores is 2 to 4 times lower than in the dry state (depending on the crosslink density).Secondly, we investigated in vitro the interactions between the porous hydrogel scaffolds and osteo-competent cells derived from a mouse cell line. The experimental device was designed in order to mimic the physiological conditions. A perfused bioreactor was chosen because of its ability to generate a 3D environment with controlled shear stress and controlled solute concentration. Such a system should help to optimize the biomaterial while reducing the use of animal experiments. A multiscale characterization of the bioreactor tests was implemented: use of biomarkers and confocal microscopy at the spheroid and scaffold scales, magnetic resonance imaging at the bioreactor scale. We also investigated the hydrodynamics and the transport of oxygen within the bioreactor using computational fluid dynamics: fluid, hydrogel and spheroids were described at the MRI spatial resolution (i.e. 55 µm), NavierStokes equations and advection-diffusion equation were simulated using lattice-Boltzmann methods. These methods are indeed particularly suitable for complex geometries. The influence of organoid size and density on the oxygen concentration field was studied to optimize cell viability.This thesis provides key elements to control the microstructure of the porous hydrogel scaffolds and proposes a workflow to optimize the bone healing properties of the biomaterial by coupling tests in perfused bioreactors, experimental characterizations and numerical modelling.; La reconstruction de larges défauts osseux nécessite l’implantation de matrices jouant le rôle d’échafaudage, biocompatibles, biodégradables et capables de promouvoir la régénération osseuse. Cette thèse porte sur un biomatériau poreux dont certaines formulations ont déjà démontré leur potentiel de régénération osseuse chez le rat et la chèvre. Il est obtenu par lyophilisation d’un hydrogel de polysaccharides (pullulane et dextrane) réticulé chimiquement.Dans un premier temps, on s’intéresse à l’influence des paramètres du procédé d’élaboration sur la structure poreuse du biomatériau. Les matrices sont caractérisées à chaque étape du procédé : par rhéométrie en mode dynamique lors de la réticulation, par cryomicroscopie électronique à l’issue de la congélation, par microtomographie à rayon X à l’état déshydraté et enfin par microscopie confocale à l’état solvaté. Il apparaît que la structure poreuse obtenue à l’issue de la lyophilisation dépend fortement de la microstructure de la glace formée lors de l’étape de congélation : chaque pore résulte de la croissance d’un à quelques cristaux. Le nombre et la taille des grains de glace après solidification complète sont étroitement liés à la germination secondaire, un phénomène qui est exacerbé par la présence du réseau polymère.Deux paramètres d’élaboration contrôlant la structure poreuse sont particulièrement examinés : d’une part la quantité de réticulant introduit lors de la synthèse de l’hydrogel (qui modifie la longueur de corrélation du réseau polymère), d’autre part la température de germination lors de la congélation. Après sublimation de la glace, le biomatériau obtenu est extrêmement poreux (92 − 94%).L’efficacité d’ensemencement des matrices déshydratées est quantifiée à l’aide de suspensions de microsphères de différents diamètres et de suspensions de cellules : le seuil de coupure est de l’ordre du diamètre moyen des pores secs. Après hydratation (concomitante à l’ensemencement), la porosité est nettement plus faible (~ 30%) et le diamètre moyen des pores hydratés diminue d’un facteur 2 à 4 en fonction de la densité de réticulation.Dans un second temps, cette thèse met en place une démarche d’étude in vitro portant sur les interactions des cellules osseuses (ostéoblastes de souris) avec le biomatériau. L’objectif est de disposer d’un système d’étude mimant les conditions physiologiques afin d’optimiser les propriétés de régénération osseuse du biomatériau. Le choix d’un dispositif in vitro permet de faire l’économie d’expérimentations animales. Un bioréacteur à perfusion est choisi comme modèle d’étude car il permet un environnement 3D où les transferts de matière peuvent être contrôlés. Une caractérisation multi-échelle est mise en place : marquage biologique et microscopie confocale à l’échelle des amas cellulaires et des matrices, imagerie par résonnance magnétique à l’échelle du bioréacteur. Celle-ci est complétée par la simulation numérique de l’hydrodynamique et du transport d’oxygène dissous dans le bioréacteur où chaque phase (fluide, hydrogel, amas cellulaires) est décrite avec une résolution spatiale de 55 µm correspondant à celle de l’IRM. Les équations de Navier-Stokes et l’équation de convection-diffusion sont simulées à l’aide de méthodes de Boltzmann sur réseau, particulièrement adaptées aux géométries complexes. On étudie l’influence de la taille des amas cellulaires et de la densité d’amas sur le champ de concentration d’oxygène en vue d’optimiser leur viabilité.Cette thèse donne des éléments clés pour contrôler la microstructure d’un hydrogel poreux destiné à l’ingénierie tissulaire et fournit un protocole expérimental d’étude en bioréacteur à perfusion couplé à une modélisation numérique pour optimiser les propriétés d’usage du biomatériau.

The reconstruction of large bone defects requires the implantation of scaffolds that are biocompatible, biodegradable and able to promote bone healing. This thesis focused on a porous biomaterial that had already demonstrated its osteo-inductive properties after implantation in rats and goats. This biomaterial is produced by freeze-drying of a chemically crosslinked polysaccharide-based (pullulan and dextran) hydrogel.First, we studied the influence of the process parameters on the properties of the biomaterial porous structure. The scaffolds were characterized at each step of the fabrication process: by dynamic rheometry during crosslinking, by electron cryo-microscopy just after freezing, by X-ray microtomography in the dry state and finally by confocal microscopy in the swollen state. It appears that the porous structure obtained at the end of freeze-drying strongly depends on the microstructure of the ice formed during the freezing stage: each pore results from the growth of one to a few crystals. Ice grains are mostly generated by secondary nucleation, this phenomenon is enhanced by the presence of the polymer network. Two parameters controlling the porous structure were particularly examined: the amount of crosslinker that reacts with the polysaccharides (which affects the correlation length of the polymer network), and the nucleation temperature at the onset of freezing. After sublimation of ice, the biomaterial becomes highly porous (92-94%).The seeding efficiency of the dried scaffolds was quantified using suspensions of narrow-sized calibrated microspheres and suspensions of cells: the seeding threshold is in the order of the average diameter of the dry pores. After swelling (occurring simultaneously with seeding), porosity is significantly lower (~ 30%) and the average diameter of the swollen pores is 2 to 4 times lower than in the dry state (depending on the crosslink density).Secondly, we investigated in vitro the interactions between the porous hydrogel scaffolds and osteo-competent cells derived from a mouse cell line. The experimental device was designed in order to mimic the physiological conditions. A perfused bioreactor was chosen because of its ability to generate a 3D environment with controlled shear stress and controlled solute concentration. Such a system should help to optimize the biomaterial while reducing the use of animal experiments. A multiscale characterization of the bioreactor tests was implemented: use of biomarkers and confocal microscopy at the spheroid and scaffold scales, magnetic resonance imaging at the bioreactor scale. We also investigated the hydrodynamics and the transport of oxygen within the bioreactor using computational fluid dynamics: fluid, hydrogel and spheroids were described at the MRI spatial resolution (i.e. 55 µm), NavierStokes equations and advection-diffusion equation were simulated using lattice-Boltzmann methods. These methods are indeed particularly suitable for complex geometries. The influence of organoid size and density on the oxygen concentration field was studied to optimize cell viability.This thesis provides key elements to control the microstructure of the porous hydrogel scaffolds and proposes a workflow to optimize the bone healing properties of the biomaterial by coupling tests in perfused bioreactors, experimental characterizations and numerical modelling., La reconstruction de larges défauts osseux nécessite l’implantation de matrices jouant le rôle d’échafaudage, biocompatibles, biodégradables et capables de promouvoir la régénération osseuse. Cette thèse porte sur un biomatériau poreux dont certaines formulations ont déjà démontré leur potentiel de régénération osseuse chez le rat et la chèvre. Il est obtenu par lyophilisation d’un hydrogel de polysaccharides (pullulane et dextrane) réticulé chimiquement.Dans un premier temps, on s’intéresse à l’influence des paramètres du procédé d’élaboration sur la structure poreuse du biomatériau. Les matrices sont caractérisées à chaque étape du procédé : par rhéométrie en mode dynamique lors de la réticulation, par cryomicroscopie électronique à l’issue de la congélation, par microtomographie à rayon X à l’état déshydraté et enfin par microscopie confocale à l’état solvaté. Il apparaît que la structure poreuse obtenue à l’issue de la lyophilisation dépend fortement de la microstructure de la glace formée lors de l’étape de congélation : chaque pore résulte de la croissance d’un à quelques cristaux. Le nombre et la taille des grains de glace après solidification complète sont étroitement liés à la germination secondaire, un phénomène qui est exacerbé par la présence du réseau polymère.Deux paramètres d’élaboration contrôlant la structure poreuse sont particulièrement examinés : d’une part la quantité de réticulant introduit lors de la synthèse de l’hydrogel (qui modifie la longueur de corrélation du réseau polymère), d’autre part la température de germination lors de la congélation. Après sublimation de la glace, le biomatériau obtenu est extrêmement poreux (92 − 94%).L’efficacité d’ensemencement des matrices déshydratées est quantifiée à l’aide de suspensions de microsphères de différents diamètres et de suspensions de cellules : le seuil de coupure est de l’ordre du diamètre moyen des pores secs. Après hydratation (concomitante à l’ensemencement), la porosité est nettement plus faible (~ 30%) et le diamètre moyen des pores hydratés diminue d’un facteur 2 à 4 en fonction de la densité de réticulation.Dans un second temps, cette thèse met en place une démarche d’étude in vitro portant sur les interactions des cellules osseuses (ostéoblastes de souris) avec le biomatériau. L’objectif est de disposer d’un système d’étude mimant les conditions physiologiques afin d’optimiser les propriétés de régénération osseuse du biomatériau. Le choix d’un dispositif in vitro permet de faire l’économie d’expérimentations animales. Un bioréacteur à perfusion est choisi comme modèle d’étude car il permet un environnement 3D où les transferts de matière peuvent être contrôlés. Une caractérisation multi-échelle est mise en place : marquage biologique et microscopie confocale à l’échelle des amas cellulaires et des matrices, imagerie par résonnance magnétique à l’échelle du bioréacteur. Celle-ci est complétée par la simulation numérique de l’hydrodynamique et du transport d’oxygène dissous dans le bioréacteur où chaque phase (fluide, hydrogel, amas cellulaires) est décrite avec une résolution spatiale de 55 µm correspondant à celle de l’IRM. Les équations de Navier-Stokes et l’équation de convection-diffusion sont simulées à l’aide de méthodes de Boltzmann sur réseau, particulièrement adaptées aux géométries complexes. On étudie l’influence de la taille des amas cellulaires et de la densité d’amas sur le champ de concentration d’oxygène en vue d’optimiser leur viabilité.Cette thèse donne des éléments clés pour contrôler la microstructure d’un hydrogel poreux destiné à l’ingénierie tissulaire et fournit un protocole expérimental d’étude en bioréacteur à perfusion couplé à une modélisation numérique pour optimiser les propriétés d’usage du biomatériau.

International audience; This paper investigates-via modeling-several possible explanations of overyielding observed in mixed cultures cultivated in batch reactors. It is first shown that the classical model of competition of N species for a single resource cannot explain such overyielding. Then, three hypotheses are introduced and discussed at the light of numerical simulations.

This study compared two anammox sequencing batch reactors (SBR) for one year. SBRconstantT was kept at 30 degrees C while temperature in SBRloweringT was decreased step-wise from 30 degrees C to 20 degrees C and 15 degrees C followed by over 140 days at 12.5 degrees C and 10 degrees C. High retention of anammox bacteria (AnAOB) and minimization of competition with AnAOB were key. 5-L anoxic reactors with the same inoculum were fed synthetic influent containing 25.9 mg NH4+-N/L and 34.1 mg NO2--N/L (no COD). Specific ammonium removal rates continuously increased in SBRconstantT, reaching 785 mg NH4+-N/gVSS/d, and were maintained in SBRloweringT, reaching 82.2 and 91.8 mg NH4+-N/gVSS/d at 12.5 and 10 degrees C respectively. AnAOB enrichment (increasing hzsA and 16S rDNA gene concentrations) and adaptation (shift from Ca. Brocadia to Ca. Kuenenia in SBRloweringT) contributed to these high rates. Rapidly settling granules developed, with average diameters of 1.2 (SBRconstantT) and 1.6 mm (SBRloweringT). Results reinforce the potential of anammox for mainstream applications.

Ligament tissue engineering offers a potential approach to recover or replace injured ligament. The three essential elements that have been investigated towards ligament regeneration consist in a suitable scaffold, an adapted cell source, and the supply of biomechanical/biochemical stimulations. In the current study, synthetic polymer poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) and silk have been evaluated as suitable candidates to constitute an adapted scaffold. A series of multilayer braided scaffolds based on PLCL and silk, as well as an original silk/PLCL composite scaffold, have been developed and compared. The conducted physicochemical and biological characterizations have demonstrated that both PLCL and silk constitute adapted candidate material to form ligament scaffolds from the mechanical and biological points of view. Moreover, it has been observed that silk/PLCL composite scaffold resulted in adequate mechanical properties and biocompatibility, and therefore could constitute suitable candidate scaffolds for ligament tissue engineering. Both Wharton’s Jelly mesenchymal stem cells (WJ-MSCs) and Bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) have been evaluated to be cell source for ligament regeneration. MSCs behaviors including cell attachment, proliferation, migration and extracellular matrix synthesis have been investigated. In the present study, both MSCS showed a good biocompatibility to interact with PLCL and silk scaffolds. No significant differences have been detected between WJ-MSCs and BM-MSCs. Finally, the effect of biomechanical stimulation on MSCs differentiation towards ligament tissue has been carried out with a tension-torsion bioreactor. Although few cells were detected on scaffold after 7 days of stimulation, MSCs were observed to exhibit an elongated shape along the longitudinal direction of fibers, which may indicate that an adapted mechanical stimulation could promote MSC-scaffold constructs differentiation towards ligamentous tissue. As a conclusion, this study demonstrates the potential of WJ-MSCs and BM-MSCs combined with a new silk/PLCL composite scaffold towards ligament regeneration.; L'ingénierie tissulaire du ligament constitue une approche prometteuse pour réparer ou remplacer un ligament endommagé. Les trois piliers essentiels de l'ingénierie tissulaire ligamentaire sont la matrice de support (aussi appelée scaffold), la source cellulaire, ainsi que l'apport de stimulations biomécaniques/biochimiques : ces trois piliers ont été partiellement étudiés par le passé dans le but de s’orienter vers une régénération ligamentaire. Dans la présente étude, le polymère synthétique poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) et la soie ont été proposés et comparés comme de potentiels candidats pour la constitution d’une matrice de support. Une série de matrices tressées multicouches à base de PLCL et de soie, ainsi qu'un nouveau composite soie/PLCL ont été développés et comparés. Les caractérisations physico-chimiques et biologiques ont démontré que le PLCL et la soie constituent des candidats pertinents, tant sur les plans mécaniques que biologiques, pour la constitution d’une matrice de support. De plus, nous avons montré que le composite soie/PLCL offrait des propriétés mécaniques et une biocompatibilité accrue par rapport aux autres matrice testées, et constituait probablement le candidat le plus approprié pour l'ingénierie tissulaire du ligament. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) de la gelée de Wharton (WJ-MSCs) ainsi que les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse (BM-MSCs) ont été évaluées et comparées en tant que sources cellulaires potentielles pour la régénération ligamentaire. Les caractéristiques biologiques de ces cellules incluent l’adhésion cellulaire, la prolifération, la migration et la synthèse de matrice extracellulaire. Ces deux types de cellules ont montré une bonne biocompatibilité dans leurs interactions avec les matrices de support en PLCL et en soie. Aucune différence significative n'a été observée entre les WJ-MSCs et les BM-MSCs. Enfin, l'effet de la stimulation biomécanique sur la différentiation des CSM en tissu ligamentaire a été évalué par le biais d’un bioréacteur de traction-torsion. Bien que peu de cellules aient été détectées la matrice après 7 jours de stimulation, des CSM de forme allongée le long des fibres ont été détectées, ce qui permet de penser qu'il est possible de promouvoir la différenciation des biosubstituts matrice-cellules grâce à la stimulation mécanique en bioréacteur. En conclusion, cette étude démontre le potentiel prometteur de l’association de cellules souches mésenchymateuses issues de la gelée de Wharton ou de la moelle osseuse avec une matrice de support composite soie/PLCL pour la régénération ligamentaire dans le futur.

Ligament tissue engineering offers a potential approach to recover or replace injured ligament. The three essential elements that have been investigated towards ligament regeneration consist in a suitable scaffold, an adapted cell source, and the supply of biomechanical/biochemical stimulations. In the current study, synthetic polymer poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) and silk have been evaluated as suitable candidates to constitute an adapted scaffold. A series of multilayer braided scaffolds based on PLCL and silk, as well as an original silk/PLCL composite scaffold, have been developed and compared. The conducted physicochemical and biological characterizations have demonstrated that both PLCL and silk constitute adapted candidate material to form ligament scaffolds from the mechanical and biological points of view. Moreover, it has been observed that silk/PLCL composite scaffold resulted in adequate mechanical properties and biocompatibility, and therefore could constitute suitable candidate scaffolds for ligament tissue engineering. Both Wharton’s Jelly mesenchymal stem cells (WJ-MSCs) and Bone marrow mesenchymal stem cells (BM-MSCs) have been evaluated to be cell source for ligament regeneration. MSCs behaviors including cell attachment, proliferation, migration and extracellular matrix synthesis have been investigated. In the present study, both MSCS showed a good biocompatibility to interact with PLCL and silk scaffolds. No significant differences have been detected between WJ-MSCs and BM-MSCs. Finally, the effect of biomechanical stimulation on MSCs differentiation towards ligament tissue has been carried out with a tension-torsion bioreactor. Although few cells were detected on scaffold after 7 days of stimulation, MSCs were observed to exhibit an elongated shape along the longitudinal direction of fibers, which may indicate that an adapted mechanical stimulation could promote MSC-scaffold constructs differentiation towards ligamentous tissue. As a conclusion, this study demonstrates the potential of WJ-MSCs and BM-MSCs combined with a new silk/PLCL composite scaffold towards ligament regeneration., L'ingénierie tissulaire du ligament constitue une approche prometteuse pour réparer ou remplacer un ligament endommagé. Les trois piliers essentiels de l'ingénierie tissulaire ligamentaire sont la matrice de support (aussi appelée scaffold), la source cellulaire, ainsi que l'apport de stimulations biomécaniques/biochimiques : ces trois piliers ont été partiellement étudiés par le passé dans le but de s’orienter vers une régénération ligamentaire. Dans la présente étude, le polymère synthétique poly (L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) et la soie ont été proposés et comparés comme de potentiels candidats pour la constitution d’une matrice de support. Une série de matrices tressées multicouches à base de PLCL et de soie, ainsi qu'un nouveau composite soie/PLCL ont été développés et comparés. Les caractérisations physico-chimiques et biologiques ont démontré que le PLCL et la soie constituent des candidats pertinents, tant sur les plans mécaniques que biologiques, pour la constitution d’une matrice de support. De plus, nous avons montré que le composite soie/PLCL offrait des propriétés mécaniques et une biocompatibilité accrue par rapport aux autres matrice testées, et constituait probablement le candidat le plus approprié pour l'ingénierie tissulaire du ligament. Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) de la gelée de Wharton (WJ-MSCs) ainsi que les cellules souches mésenchymateuses de la moelle osseuse (BM-MSCs) ont été évaluées et comparées en tant que sources cellulaires potentielles pour la régénération ligamentaire. Les caractéristiques biologiques de ces cellules incluent l’adhésion cellulaire, la prolifération, la migration et la synthèse de matrice extracellulaire. Ces deux types de cellules ont montré une bonne biocompatibilité dans leurs interactions avec les matrices de support en PLCL et en soie. Aucune différence significative n'a été observée entre les WJ-MSCs et les BM-MSCs. Enfin, l'effet de la stimulation biomécanique sur la différentiation des CSM en tissu ligamentaire a été évalué par le biais d’un bioréacteur de traction-torsion. Bien que peu de cellules aient été détectées la matrice après 7 jours de stimulation, des CSM de forme allongée le long des fibres ont été détectées, ce qui permet de penser qu'il est possible de promouvoir la différenciation des biosubstituts matrice-cellules grâce à la stimulation mécanique en bioréacteur. En conclusion, cette étude démontre le potentiel prometteur de l’association de cellules souches mésenchymateuses issues de la gelée de Wharton ou de la moelle osseuse avec une matrice de support composite soie/PLCL pour la régénération ligamentaire dans le futur.

International audience; We revisit the minimal time problem of in-situ decontamination of large water resources with a bioreactor, considering a recirculation flow rate in the resource as an additional control. This new problem has two manipulated inputs : the flow rate of the treatment in the bioreactor and the recirculation flow rate of the water resource between the pumping and reinjection locations. Although the velocity set of the dynamics is non convex, we show that the optimal control is reached among non-relaxed controls. The optimal strategy consists in three sequential steps: 1. do not mix and take the flow rate of treatment that maximizes the concentration decay in the resource. 2. mix as much as possible and carry on with the flow rate that maximizes the concentration decay. 3. carry on mixing but do not treat the water. Finally, we show on numerical simulations that a significant gain in processing time can be achieved time when controlling in addition the recirculation flow rate.

Mesenchymal stem cells (MSC) are becoming increasingly involved in the regenerative medicine field, particularly to treat diseases that are not effectively curable with the current therapies. Two scientific barriers are nevertheless responsible for MSC use and commercialization limitations. On one side, large amounts of cells are needed to reach the high cell dose requirements. On the other side, cells being the final product themselves, directly injected into the patient, their quality have to be controlled (stem cell phenotype, differentiation capability). MSC cultivation on microcarriers in a stirred bioreactor seems to meet these challenges. However, a precise knowledge about the impact of the technologies and the hydrodynamics generated, on the physiological cell response, is necessary to improve the scale-up of MSC cultures in bioreactors. In this context, present work is dedicated to the study of the impact of the agitation mode (orbital or mechanical) on the cell attachment, expansion and detachment on various microcarrier types, in the case of MSC derived from the Wharton’s jelly (WJ-MSC) of umbilical cords. To quantify more precisely cell distribution and expansion on microcarriers, an automatic and in situ counting method was developed, which need no detachment step. This allowed the identification of commercial microcarriers suitable for WJ-MSC cultures, which were then compared to home-made microcarriers, synthesized by a partner laboratory, in terms of cell attachment and expansion, and detachment efficiency. In parallel to these works, the impact of the impeller design on the microcarrier suspension in stirred tank bioreactors was investigated. Based on a dimensional analysis and CFD simulations, it resulted in the establishment of two models relating the minimal agitation rate to ensure all particle suspension (Njs) with the impeller geometrical characteristics (design, size, off-bottom clearance) and the material properties of both the solid and the liquid phases. CFD models validation allowed then to develop a strategy to optimize the geometrical configuration of an impeller, dedicated to MSC cultures on microcarriers in a minibioreactor. Parameters characterizing the hydromechanical stress encountered by the solid phase were wisely chosen and integrated into CFD simulations. Based on a design of experiments, and the hydrodynamics data recovered from simulations, response surfaces were built and a multiobjective optimization was achieved in order to determine the geometry minimizing the particle stress, and also by adhered cells. WJ-MSC cultures in minibioreactors equipped with impellers displaying various geometries were finally validated, with a preliminary comparison of the impact of these geometries on the cell expansion, Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) interviennent de plus en plus dans le domaine de la médecine régénérative, notamment pour traiter des maladies aujourd’hui difficilement curables avec les moyens actuels. Deux verrous scientifiques limitent pourtant leur utilisation et leur commercialisation. D’une part, de grandes quantités de cellules sont nécessaires pour répondre à la forte demande médicale. D’autre part, les cellules étant elles-mêmes le médicament final, délivré chez le patient, leur qualité doit être préservée (phénotype souche, capacité de différenciation). La mise en culture de ces cellules, sur des microporteurs, en bioréacteur agité, semble répondre à ces enjeux. Cependant, une connaissance plus précise de l’impact, sur la réponse physiologique des cellules, des technologies utilisées et de l’hydrodynamique générée est nécessaire pour améliorer les lois d’extrapolation des bioréacteurs de culture de CSM. Dans ce contexte, des travaux ont été mis en œuvre pour étudier l’influence du mode d’agitation (orbital ou mécanique) sur l’attachement, l’expansion et le détachement de CSM issues de la gelée de Wharton (GW-CSM) de cordons ombilicaux, sur des microporteurs de différentes compositions. Pour contribuer à la quantification de l’expansion cellulaire, une méthode de comptage automatique in situ a été développée pour estimer le nombre de cellules par microporteur, ainsi que leur répartition, sans avoir à procéder à leur détachement. Des microporteurs commerciaux ont ensuite pu être comparés à des microporteurs synthétisés dans un laboratoire partenaire, en termes d’attachement et expansion cellulaire, ainsi que de facilité de détachement. En parallèle de ces travaux, l’impact de la conception du mobile d’agitation, en bioréacteur mécaniquement agité, sur la mise en suspension de microporteurs a été analysé. A l’issue de cette étude, une analyse dimensionnelle et des simulations CFD ont été mises en place et deux modèles reliant la fréquence minimale de juste mise en suspension (Njs) avec la géométrie du mobile d’agitation (forme, taille, position dans la cuve) et les propriétés matérielles des particules et de la phase liquide ont été proposés. Une stratégie d’optimisation des paramètres géométriques d’un mobile en minibioréacteur, dédié à la culture de CSM sur microporteurs, a été mise en place, à partir de paramètres caractérisant les contraintes hydromécaniques perçues par la phase solide, judicieusement choisis et intégrés lors des simulations CFD. Selon un plan d’expérience, et les résultats extraits des simulations, des surfaces de réponse ont été construites et une optimisation multi-objective a été réalisée afin de déterminer la géométrie minimisant les contraintes perçues par les particules, et donc par les cellules adhérées. Des cultures de GW-CSM en minibioréacteurs équipés de différents mobiles ont finalement été validées, avec une comparaison préliminaire de l’impact de ces géométries sur l’expansion cellulaire

Mesenchymal stem cells (MSC) are becoming increasingly involved in the regenerative medicine field, particularly to treat diseases that are not effectively curable with the current therapies. Two scientific barriers are nevertheless responsible for MSC use and commercialization limitations. On one side, large amounts of cells are needed to reach the high cell dose requirements. On the other side, cells being the final product themselves, directly injected into the patient, their quality have to be controlled (stem cell phenotype, differentiation capability). MSC cultivation on microcarriers in a stirred bioreactor seems to meet these challenges. However, a precise knowledge about the impact of the technologies and the hydrodynamics generated, on the physiological cell response, is necessary to improve the scale-up of MSC cultures in bioreactors. In this context, present work is dedicated to the study of the impact of the agitation mode (orbital or mechanical) on the cell attachment, expansion and detachment on various microcarrier types, in the case of MSC derived from the Wharton’s jelly (WJ-MSC) of umbilical cords. To quantify more precisely cell distribution and expansion on microcarriers, an automatic and in situ counting method was developed, which need no detachment step. This allowed the identification of commercial microcarriers suitable for WJ-MSC cultures, which were then compared to home-made microcarriers, synthesized by a partner laboratory, in terms of cell attachment and expansion, and detachment efficiency. In parallel to these works, the impact of the impeller design on the microcarrier suspension in stirred tank bioreactors was investigated. Based on a dimensional analysis and CFD simulations, it resulted in the establishment of two models relating the minimal agitation rate to ensure all particle suspension (Njs) with the impeller geometrical characteristics (design, size, off-bottom clearance) and the material properties of both the solid and the liquid phases. CFD models validation allowed then to develop a strategy to optimize the geometrical configuration of an impeller, dedicated to MSC cultures on microcarriers in a minibioreactor. Parameters characterizing the hydromechanical stress encountered by the solid phase were wisely chosen and integrated into CFD simulations. Based on a design of experiments, and the hydrodynamics data recovered from simulations, response surfaces were built and a multiobjective optimization was achieved in order to determine the geometry minimizing the particle stress, and also by adhered cells. WJ-MSC cultures in minibioreactors equipped with impellers displaying various geometries were finally validated, with a preliminary comparison of the impact of these geometries on the cell expansion; Les cellules souches mésenchymateuses (CSM) interviennent de plus en plus dans le domaine de la médecine régénérative, notamment pour traiter des maladies aujourd’hui difficilement curables avec les moyens actuels. Deux verrous scientifiques limitent pourtant leur utilisation et leur commercialisation. D’une part, de grandes quantités de cellules sont nécessaires pour répondre à la forte demande médicale. D’autre part, les cellules étant elles-mêmes le médicament final, délivré chez le patient, leur qualité doit être préservée (phénotype souche, capacité de différenciation). La mise en culture de ces cellules, sur des microporteurs, en bioréacteur agité, semble répondre à ces enjeux. Cependant, une connaissance plus précise de l’impact, sur la réponse physiologique des cellules, des technologies utilisées et de l’hydrodynamique générée est nécessaire pour améliorer les lois d’extrapolation des bioréacteurs de culture de CSM. Dans ce contexte, des travaux ont été mis en œuvre pour étudier l’influence du mode d’agitation (orbital ou mécanique) sur l’attachement, l’expansion et le détachement de CSM issues de la gelée de Wharton (GW-CSM) de cordons ombilicaux, sur des microporteurs de différentes compositions. Pour contribuer à la quantification de l’expansion cellulaire, une méthode de comptage automatique in situ a été développée pour estimer le nombre de cellules par microporteur, ainsi que leur répartition, sans avoir à procéder à leur détachement. Des microporteurs commerciaux ont ensuite pu être comparés à des microporteurs synthétisés dans un laboratoire partenaire, en termes d’attachement et expansion cellulaire, ainsi que de facilité de détachement. En parallèle de ces travaux, l’impact de la conception du mobile d’agitation, en bioréacteur mécaniquement agité, sur la mise en suspension de microporteurs a été analysé. A l’issue de cette étude, une analyse dimensionnelle et des simulations CFD ont été mises en place et deux modèles reliant la fréquence minimale de juste mise en suspension (Njs) avec la géométrie du mobile d’agitation (forme, taille, position dans la cuve) et les propriétés matérielles des particules et de la phase liquide ont été proposés. Une stratégie d’optimisation des paramètres géométriques d’un mobile en minibioréacteur, dédié à la culture de CSM sur microporteurs, a été mise en place, à partir de paramètres caractérisant les contraintes hydromécaniques perçues par la phase solide, judicieusement choisis et intégrés lors des simulations CFD. Selon un plan d’expérience, et les résultats extraits des simulations, des surfaces de réponse ont été construites et une optimisation multi-objective a été réalisée afin de déterminer la géométrie minimisant les contraintes perçues par les particules, et donc par les cellules adhérées. Des cultures de GW-CSM en minibioréacteurs équipés de différents mobiles ont finalement été validées, avec une comparaison préliminaire de l’impact de ces géométries sur l’expansion cellulaire

This thesis focus on the development of a 3D bioprinting process for living tissue. This new field of research, 3D bioprinting, aims to fabricate tissues using a bioprinter based on the tissue engineering fundamentals.To carry out this work, a specific bioink was formulated using natural biomaterials to meet the requirement of biocompatibility, cell viability and support of a three-dimensional cellular network. Several characterizations have been used to demonstrate the cells viability during the 3D bioprinting process.The bioprinter technological evolution is then presented, starting from an open-source technology and ending with the use of a 6-axis robotic arm. The specifications of this bioprinter evolved through different prototypes.The last part of this thesis concerns tissue bioprinting results obtained through multiple collaborations. Several tissues will be studied and characterized: the dermis and its maturation towards a total skin, the cartilage and the mesenchymal stem cells bioprinting, a microvascularized tissue thanks to the incorporation of endothelial cells and finally a perfusable tissue by using a dynamic culture approach in bioreactor, Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de bioimpression 3D de tissus vivants. Ce nouveau champ disciplinaire a pour but la fabrication de tissus grâce à une bioimprimante en s’appuyant sur les principes fondamentaux de l’ingénierie tissulaire. Pour mener à bien ces travaux, une bio-encre spécifique a été formulée à l’aide de biomatériaux naturels afin de répondre aux critères de biocompatibilité, de maintien de la viabilité cellulaire et de support pour la formation d’un réseau cellulaire en trois dimensions. Plusieurs caractérisations ont ainsi pu être réalisées afin de démontrer l’innocuité du procédé de bioimpression 3D sur les cellules utilisées.L’évolution technologique de la bioimprimante utilisée est ensuite présentée en partant d’une technologie open-source pour arriver à l’utilisation d’un bras robotique 6 axes. L’exigence du cahier des charges de cette bioimprimante a évolué au fil des différents prototypes utilisés.La dernière partie de ce travail de thèse présente les résultats de bioimpression de tissus obtenus grâce à de multiples collaborations. Plusieurs tissus seront étudiés et caractérisés : le derme et sa maturation vers une peau totale, le cartilage et la bioimpression de cellules souches mésenchymateuses, un tissu microvascularisé grâce à l’incorporation de cellules endothéliales et pour finir un tissu perfusable en utilisant une approche de culture dynamique en bioréacteur

This thesis focus on the development of a 3D bioprinting process for living tissue. This new field of research, 3D bioprinting, aims to fabricate tissues using a bioprinter based on the tissue engineering fundamentals.To carry out this work, a specific bioink was formulated using natural biomaterials to meet the requirement of biocompatibility, cell viability and support of a three-dimensional cellular network. Several characterizations have been used to demonstrate the cells viability during the 3D bioprinting process.The bioprinter technological evolution is then presented, starting from an open-source technology and ending with the use of a 6-axis robotic arm. The specifications of this bioprinter evolved through different prototypes.The last part of this thesis concerns tissue bioprinting results obtained through multiple collaborations. Several tissues will be studied and characterized: the dermis and its maturation towards a total skin, the cartilage and the mesenchymal stem cells bioprinting, a microvascularized tissue thanks to the incorporation of endothelial cells and finally a perfusable tissue by using a dynamic culture approach in bioreactor; Cette thèse a pour objectif de développer une méthode de bioimpression 3D de tissus vivants. Ce nouveau champ disciplinaire a pour but la fabrication de tissus grâce à une bioimprimante en s’appuyant sur les principes fondamentaux de l’ingénierie tissulaire. Pour mener à bien ces travaux, une bio-encre spécifique a été formulée à l’aide de biomatériaux naturels afin de répondre aux critères de biocompatibilité, de maintien de la viabilité cellulaire et de support pour la formation d’un réseau cellulaire en trois dimensions. Plusieurs caractérisations ont ainsi pu être réalisées afin de démontrer l’innocuité du procédé de bioimpression 3D sur les cellules utilisées.L’évolution technologique de la bioimprimante utilisée est ensuite présentée en partant d’une technologie open-source pour arriver à l’utilisation d’un bras robotique 6 axes. L’exigence du cahier des charges de cette bioimprimante a évolué au fil des différents prototypes utilisés.La dernière partie de ce travail de thèse présente les résultats de bioimpression de tissus obtenus grâce à de multiples collaborations. Plusieurs tissus seront étudiés et caractérisés : le derme et sa maturation vers une peau totale, le cartilage et la bioimpression de cellules souches mésenchymateuses, un tissu microvascularisé grâce à l’incorporation de cellules endothéliales et pour finir un tissu perfusable en utilisant une approche de culture dynamique en bioréacteur

Simulations are becoming an essential tool to design and improve processes in the field of biotechnologies. They are especially relevant to facilitate the scale-up of biological cultures from laboratory to industrial scales which is a key difficulty as of now. This thesis focuses on developping a model structure for fermenters, which does not neglect either mixing issues known to occur in industrial bioreactor, nor biological complexity inherent to micro-organisms, while enabling fast and low-cost simulations. To account for all coupled and dynamic phenomena that occur in bioreactors, the developed approach couples (i) a dynamic metabolic model to describe cells behaviour, (ii) a population balance model tracking biological cell-to-cell diversity and (iii) a compartment model to account for fermenter hydrodynamics. A structure for low-cost dynamic metabolic model has been developed, applied to E. coli and S. cerevisiae and successfully challenged against experimental data. Among multiple numerical methods tackling population balance equations, the EQMOM method has been selected for its stability and precision, and its algorithm has been improved by reducing its cost by a factor 10. The gas-liquid hydrodynamics of an industrial fermenter has been obtained through CFD simulations, and tools have been developed to extract compartment model from these simulation results. Finally, the coupling between all these modeling blocks has been demonstrated by simulating an actual industrial culture. This work paves the way to the emergence of fast bioreactor simulation tools, which will then enable new enginnering studies for designing and optimising industrial bio-processes., La simulation devient un outil incontournable pour concevoir ou optimiser les procédés en biotechnologies. Elle est particulièrement pertinente pour permettre le changement d'échelle de l'échelle laboratoire à la mise en œuvre de cultures biologiques industrielles. Cette thèse se concentre sur le développement d'une structure de modèle pour les fermenteurs, qui ne néglige ni les problématiques de mélange, ni la complexité biologique, tout en permettant des simulations rapides. Pour intégrer l'ensemble des phénomènes couplés et dynamiques interagissant dans les bioréacteurs, l'approche proposée couple (i) un modèle métabolique dynamique pour décrire le comportement des cellules, (ii) un modèle de bilan de population pour suivre la diversité biologique et (iii) un modèle de compartiments pour décrire l'hydrodynamique du fermenteur. Une structure de modèle métabolique, générique et numériquement peu couteuse a été appliquée à E. coli et S. cerevisiae et été confrontée avec succès à de nombreuses données expérimentales. Parmi plusieurs méthodes numériques permettant de traiter les équations de bilan de population, la méthode EQMOM a été sélectionnée pour sa stabilité et sa précision et son coût a été réduit d'un facteur 10. L'hydrodynamique gaz-liquide d'un fermenteur industriel a été obtenue par simulations CFD et des outils ont été développés pour en extraire des modèles de compartiments. Le couplage de ces différents aspects a finalement été illustré par la simulation d'une culture industrielle. Ce travail ouvre la voie à la création d'outil de simulation rapide, ce qui permettra des études d'ingénierie de design et d'optimisation de procédés industriels.

Since the abandonment for logistical and health security reasons in the 70s-80 of fresh grafts whose longevity exceeded two decades, the technical storage was organized around two techniques of eye banking: hypothermia (short term storage) in the USA and organ culture (long term storage) in Europe. Besançon was a pioneer in France for this technique. Induced stromal edema associated with these passive techniques leads to a significant endothelial cell loss and reduces grafts survival, limits quality control and obstructs further developments such as pre-cut endothelial graft or endothelial bioengineering.The laboratory "Biology, Imaging and Engineering of the Corneal Graft (BiiGC, EA 2521, Jean Monnet University of St-Etienne) has developed an active storage system, the bioreactor, that limits corneal edema by restoring a pressure corneal gradient and circulation of the storage medium. Bioreactor makes possible to overcome these two major disadvantages and to implement the developments of the future.The aim of this thesis is to 1 / trace the evolution of storage and control techniques of corneal graft; 2 / review the evolution of corneal graft techniques / indications in France; 3 / document early endothelial cell loss related to passive conservation in organ culture; 4 / Compare organ culture versus bioreactor storage.Key words: corneal storage, eye bank, endothelial viability, organ culture, bioreactor, graft survival; Depuis l’abandon depuis les années 70-80, pour des raisons logistiques et de sécurité sanitaire, des greffes fraiches dont la longévité dépassait deux décennies, la greffe s’est organisée autour de deux techniques d’eye banking: hypothermie aux USA et organoculture en Europe (dont Besançon fut pionnière pour la France) permettant une conservation respectivement à court et moyen terme. L’œdème stromal inéluctable lié à ces techniques passives engendre une perte endothéliale importante qui réduit la longévité des greffons, limite les contrôles qualités de plus en plus exigeants et obère les développements futurs tels les prédécoupes des greffons ou le bioingéniéring endothélial.Le laboratoire « Biologie, imagerie et ingéniérie de la Greffe de Cornée (BiiGC, EA 2521, Université Jean Monnet de St-Etienne) a développé une technologie de conservation active en bioréacteur qui limite l’œdème cornéen en restituant le gradient de pression de part et d’autre de la cornée et la circulation de milieu nutritif. Il permet ainsi de pallier à ces deux inconvenients majeurs et de mettre en œuvre les développements du futur.Notre travail de thèse 1/ retrace les évolutions des techniques de conservation et de contrôle des greffons ; 2/ dresse le bilan de l’évolution des techniques/indications de greffes en France; 3/ documente la perte cellulaire endothéliale précoce liée à la conservation passive en organoculture ; 4/ la compare avec la technologie active de conservation en bioréacteur.Mots clés : conservation cornéenne, banque de cornée, viabilité endothéliale, organoculture, bioréacteur, survie des greffons

International audience

International audience

To boost aldehyde deformylating oxygenase (ADO) activity in a Cupriavidus necator strain expressing a synthetic alkane pathway, the expression of two ferredoxin-ferredoxin reductase systems was tested. The genes of a native fd/FNR-like system were identified in C. necator and expressed in a previously engineered alka(e)ne producing strain. The improved production of alka(e)nes in this Re2061-pMAB1 strain confirmed the activity of the native Fd/FNR system in C. necator. Concomitantly, the expression of the heterologous system from Synechococcus elongatus was investigated identically, leading to a second strain, Re2061-pMAB2. In the bioreactor, the aldehyde production was strongly reduced compared with the original alka(e)ne producer, leading to alka(e)nes production up to 0.37 and 1.48 g/L (22 and 82 mg/g(CDW))(,) respectively. The alka(e)ne production yield of Re2061-pMAB2 accounted for 15% of the theoretical yield. We report here the highest level and yield of alka(e)nes production by an engineered bacterium to date.

Hydrogen is a valuable gas use as a clean energy source and feedstock for some industries. Biological hydrogen production processes are gaining importance due to their operational conditions and versatility in the substrates (including wastewater). A hydrogen production photo fermentative methodology was developed using cheese whey as a substrate for the bacteria Rhodobacter capsulatus strain IR3::LacZ and B10::LacZ . The project was carried out in three stages.The purpose of the first stage is to identify the relevant factors to produce hydrogen for a synthetic whey medium in a photofermentation process, using the Design of Experiments methodology. The products of this stage are four statistical models, obtained for each strain and buffer solution studied. The strain IR3::LacZ was selected for the experiments with industrial whey as substrate. The maximum volumetric yield and the product/substrate yield YP/S were 64 ml h-1L-1 and 2.08 mol H2 mol-1 C (C is the carbon source in this case lactose and lactate) and 43.01 ml h-1L-1 and 2.52 mol H2 mol-1 C for phosphate buffer and Kolthoff buffer, respectively.In the second stage the production of hydrogen with industrial whey was evaluated. A three-step pre-treatment was applied before using industrial cheese whey as substrate: fat reduction, deproteinization and sterilization. A validate statistical model describing hydrogen production was only obtained for phosphate buffer. The maximum volumetric yield and the product/substrate yield YP/S were 45.93 ml h-1L-1 and 2.29 mol H2 mol-1 C respectively. The addition of an homofermentation to the pretreatment improved the production yield, in this case a volumetric productivity of 69.71 ml h-1L-1 and a YP/S of 2.96 mol H2 mol-1 C were obtained.The third stage was the scale-up to 1.5 and 1 reactor L for synthetic whey and 1L for synthetic and industrial whey respectively. A fermentative process appeared due to a bacterial contamination, leading to a high biogas production. Biogas was exclusively composed of H2 and CO2 the last in a concentration not exceeding 30% (v/v). For this reason, it was concluded that the integrated production process coupling dark and photo fermentations) is an option with great potential for the use of whey as substrate in the production of hydrogen.; L'hydrogène est une source d'énergie précieuse en tant que source d'énergie propre et que matière première pour des innombrables industries.Les procédés biologiques de production d'hydrogène gagnent en importance en raison de leurs avantages opérationnelles et de leur polyvalence dans les substrats utilisés (y compris les eaux usées).Dans cette thèse doctoral, on a développé une méthodologie photo-fermentative de production d'hydrogène en utilisant du lactosérum en tant que substrat pour la bactérie Rhodobacter capsulatus IR3::LacZ et B10::LacZ.Ce projet a été réalisé en trois étapes, exposées dans les différents chapitres.Dans la première étape on a identifié les facteurs pertinents pour la production de l'hydrogène avec du sérum synthétique en utilisant la méthodologie de plan d'expériences.Les résultats de cet étape on a obtenu quatre modèles statistiques et on a choisi la souche IR3::LacZ pour les expériences avec du lactosérum industriel.Le rendement volumétrique maximal et le rendement produit / substrat Y P/S obtenus pour la première étape ont été de 64 ml h-1L-1 et 2,08 mol H2 mol-1 C (“C” représente la source de carbone dans ce cas lactose et lactate) pour la solution amortissant le phosphate et 43.01 ml h-1L-1 y 2.52 mol H2 mol-1 C pour la solution Kolthoff.Dans la deuxième étape, on a évalué la production d'hydrogène avec du lactosérum industriel. On a appliqué un pré-traitement de trois étapes avant d'utiliser le lactosérum comme substrat : réduction du contenu gras, déprotéinisation et stérilisation. On a obtenu un modèle validé qui décrit la production d'hydrogène seulement pour la solution amortissant de phosphate. Le rendement volumétrique maximal et le YP/S ont été de 45.93 ml h-1L-1 et de 2.29 mol H2 mol-1 C respectivement. On a déterminé que l'addition d'une étape d’homo-fermentation au processus de prétraitement es avantageuse au rendement du processus. On a obtenu une productivité volumétrique de 69.71 ml h-1L-1 et de YP/S de 2.96 mol H2 mol-1 CLa troisième étape a été la mise à l'échelle des expériences à réacteurs de 1,5 L pour sérum synthétique et de 1L pour serum industriel. On a décelé de la contamination dû à la présence d'un processus de fermentation, lequel a généré une haute production de biogas composé exclusivement par H2 y CO2 ce dernier dans une concentration non superieur à 30% (v/v).Pour ces raisons, on a conclu que conclu que le processus de production intégré, en couplant la fermentation obscure et la photo-fermentation est une option avec un énorme potentiel pour l'utilisation de lactosérum comme substrat dans la production d'hydrogène.

Conference: 9th International Symposium on Mixing in Industrial Processes Location: Birmingham, Angleterre Date: 2017/06/25-28; International audience; Cell growth in a chemostat is a well-documented research topic. How cells uptake the avail-able substrate to gain weight and engage cell division is not generally taken into account inthe modelling bioreactors. In fact, the growth rate is related to a population doubling timewhereas the microorganisms’ growth in mass is due to the mass transfer of substrates fromthe liquid phase to the biotic phase. Clearly, growth in mass precedes growth in number.Similarly, the transport of substrates down to the cell scale precedes the mass transfer. Thisarticle’s main feature is a two-dimensional population balance model that allows to uncou-ple growth in mass and growth in number when the equilibrium between a cell populationand its environment is disrupted. The cell length and the rate of anabolism are chosen asinternal variables. It is proved that the hypothesis “growth in number = growth in mass” isvalid at steady-state or in exponential growth only. The glucose uptake is assumed drivenby two transport systems with a different affinity constant for the substrate. This combina-tion of two regulated uptake systems operating in parallel explains a 3-fold increase in theuptake following a glucose pulse, but can also predict substrate uptake rates higher thanthe maximal batch value as observed in some experiments. These features are obtainedby considering carbon fluxes in the formulation of regulation principles for uptake dynam-ics. The population balance’s implementation in a multi-compartment reactor is a naturalprospective work and allows extensions to industrial processes.

International audience; This article describes the use and characterization of an acoustic system coupled to a torrefaction reactor. The reactor, including phase shift and frequency, was characterized by applying both Lissajous/Hilbert and cross spectrum techniques. Optimum acoustic frequencies were identified and an exploratory torrefaction test combining frequencies and temperatures was performed. The results from dynamic solid yields, conversion rates and temperature profiles showed that acoustic fields may improve torrefaction treatment.

Background Lignocellulose is the most abundant renewable carbon resource that can be used for biofuels and commodity chemicals production. The ability of complex microbial communities present in natural environments that are specialized in biomass deconstruction can be exploited to develop lignocellulose bioconversion processes. Termites are among the most abundant insects on earth and play an important role in lignocellulose decomposition. Although their digestive microbiome is recognized as a potential reservoir of microorganisms producing lignocellulolytic enzymes, the potential to enrich and maintain the lignocellulolytic activity of microbial consortia derived from termite gut useful for lignocellulose biorefinery has not been assessed. Here, we assessed the possibility of enriching a microbial consortium from termite gut and maintaining its lignocellulose degradation ability in controlled anaerobic bioreactors. Results We enriched a termite gut-derived consortium able to transform lignocellulose into carboxylates under anaerobic conditions. To assess the impact of substrate natural microbiome on the enrichment and the maintenance of termite gut microbiome, the enrichment process was performed using both sterilized and non-sterilized straw. The enrichment process was carried out in bioreactors operating under industrially relevant aseptic conditions. Two termite gut-derived microbial consortia were obtained from Nasutitermes ephratae by sequential batch culture on raw wheat straw as the sole carbon source. Analysis of substrate loss, carboxylate production and microbial diversity showed that regardless of the substrate sterility, the diversity of communities selected by the enrichment process strongly changed compared to that observed in the termite gut. Nevertheless, the community obtained on sterile straw displayed higher lignocellulose degradation capacity; it showed a high xylanase activity and an initial preference for hemicellulose. Conclusions This study demonstrates that it is possible to enrich and maintain a microbial consortium derived from termite gut microbiome in controlled anaerobic bioreactors, producing useful carboxylates from raw biomass. Our results suggest that the microbial community is shaped both by the substrate and the conditions that prevail during enrichment. However, when aseptic conditions are applied, it is also affected by the biotic pressure exerted by microorganisms naturally present in the substrate and in the surrounding environment. Besides the efficient lignocellulolytic consortium enriched in this study, our results revealed high levels of xylanase activity that can now be further explored for enzyme identification and overexpression for biorefinery purposes. Electronic supplementary material The online version of this article (10.1186/s13068-018-1282-x) contains supplementary material, which is available to authorized users.

2. International Conference on Alternative Fuels and Energy (ICAFE) ; Daegu (Corée (Populaire)) - (2017-10-23 - 2017-10-25) / Conférence; Studies of the effects of electromagnetic waves on Saccharomyces cerevisiae emphasize the need to develop instrumented experimental systems ensuring a characterization of the exposition level to enable unambiguous assessment of their potential effects on living organisms. A bioreactor constituted with two separate compartments has been designed. The main element (75% of total volume) supporting all measurement and control systems (temperature, pH, agitation, and aeration) is placed outside the exposure room whereas the secondary element is exposed to irradiation. Measurements of the medium dielectric properties allow the determination of the electromagnetic field at any point inside the irradiated part of the reactor and are consistent with numerical simulations. In these conditions, the growth rate of Saccharomyces cerevisiae and the ethanol yield in aerobic conditions are not significantly modified when submitted to an electromagnetic field of 900 and 2400 MHz with an average exposition of 6.11 V.m−1 and 3.44 V.m−1 respectively.

In order to investigate the effect of potassium addition on the composition of torrefaction condensates, two demineralized wood species were impregnated with different concentrations of K2CO3 and then torrefied at 275 °C up to an anhydrous weight loss (AWL) of 25%. Torrefaction was carried out in both a thermogravimetric analysis (TGA) instrument and a laboratory fixed-bed reactor. Condensates from the fixed bed reactor were collected and analyzed by Gas Chromatography-Mass Spectroscopy (GC–MS). TGA of raw and K2CO3-impregnated biopolymers (cellulose, xylan and lignin) were performed to facilitate interpretation of the results. TGA showed that when potassium content increased in the biomass, shorter torrefaction times were sufficient to obtain the targeted AWL. GC–MS showed, for both wood species, that potassium promotes the formation of acetol and slightly enhances acetic acid yield. The amount of some lignin derivatives (guaiacol, syringol, 4-vinylguaiacol) also rose with potassium addition. Yields of levoglucosan, LAC (1-hydroxy-(1R)-3,6-dioxabicyclo[3.2.1]octan-2-one) and DGP (1,4:3,6-dianhydro-α-d-glucopyranose), as well as furfural and 5-hydroxymethylfurfural, decreased drastically in the presence of potassium. In conclusion, small additions of potassium carbonate deeply affected thermal degradation of wood species and the speciation of torrefaction condensates. (Resume d'auteur)

International audience

In: 16ème Congrès de la Société Française de Génie des Procédés (SFGP), 11 - 13 July 2017, Nancy, France. Récents Progrès en Génie des Procédés, Numéro 110 – 2017 ISSN: 1775-335X ; ISBN: 978-2-910239-85-5, Ed. SFGP, Paris, FranceIn: 16ème Congrès de la Société Française de Génie des Procédés (SFGP), 11 - 13 July 2017, Nancy, France. Récents Progrès en Génie des Procédés, Numéro 110 – 2017 ISSN: 1775-335X ; ISBN: 978-2-910239-85-5, Ed. SFGP, Paris, France; Bioprocess often associates bioreactor and membrane separation. Bioprocess performances are intrinsically related to the capacity to control and to maintain microbial cells to their optimal activity (integrity, viability and productivity) while industrial operating conditions generate stressful environment or at least no ideal conditions. In present case, high shear rates and Joule effects are generated within a specific dynamic filtration module. Then, Residence Time Distribution (RTD) in a module, named Rotating and Vibrating Filtration (RVF), in which a three-blade impeller rotates between two membranes, was studied in laminar (Remixing3×104) regimes. In addition, thermal effects of mixing rate under several flow rates and regimes were reported. The magnitude and duration of stressful conditions stand as critical parameters which were quantified and modeled to engineer and to design intensive bioprocess.

The results given in this thesis deal with the design of high gain observers forsome classes on nonlinear systems. A class of multi-inputs/multi-output non uniformlyobservable systems has been first considered and an observer the gain of which is issuedfrom the resolution of a Lyapunov ordinary differential equation has been proposed. Theexponential convergence of the underlying observation error has been established underan appropriate persistent excitation condition. The design of the proposed observerhas then been reconsidered in order to account for the sampling and delay processeswhich may occur on the output. The redesigned observer assumes a cascade structurewith chained systems where the head of the cascade is an observer for the delayedstate while the state of the last system in the cascade constitutes an estimation ofthe system actual state. The second class of systems considered in this thesis is amulti-outputs observable normal form involving some uncertainties and with a delayedsampled output. A cascade observer allowing the estimation of the system actual statehas been proposed. The performance and main properties of the proposed observershave been illustrated in simulation by considering many examples throughout thisthesis., Les résultats présentés dans cette thèse s’articulent autour de la synthèse d’observateurs de type grand gain pour des classes de systèmes non linéaires. Une classe de systèmes multi-entrées/multi-sorties non uniformément observables a tout d’abord été considérée et un observateur dont le gain est issu de la résolution d’une équation différentielle ordinaire de Lyapunov a été proposé. La convergence exponentielle de l’erreur d’observation sous-jacente a été établie sous une condition d’excitation persistante bien appropriée. La synthèse de l’observateur proposé a été ensuite reconsidérée pour prendre en compte l’échantillonnage et la présence de retard sur la sortie. L’observateur résultant de la resynthèse a une structure en cascade avec des systèmes en chaîne où le premier système de la cascade estime l’état retardé tandis que l’état du dernier système est une estimation de l’état instantané du système. La deuxième classe de systèmes considérée dans cette thèse est une forme normale observable multi-sorties comportant des incertitudes et dont la sortie est échantillonnée et retardée. Un observateur en cascade a été proposé pour l’estimation de l’état instantané du système. Les performances des différents observateurs proposés ont été illustrées à travers plusieurs exemples en simulation tout au long de de la thèse.

The present paper focuses on the development of a population balance model (PBM) accounting for microbial population dynamics in a fluctuating environment. Heterogeneity within the cell population has two origins: extrinsic/intrinsic noises (cell to cell variability due to biological processes) and external noise (due to fluctuations in the cell environment). Modelling the effects of concentration gradients on the population heterogeneity was addressed in previous works using a population balance model based on the specific growth rate. However that model was unable to predict the distribution of specific growth rates experimentally observed at steady state. Using recent experimental data, we now propose a suitable law for the probability that cells growing at a given specific rate produce daughter cells with a different growth rate. Characteristic times of substrate assimilation and mixing at the cell scale are then combined to produce a generic model for substrate uptake limited by micromixing. The simulated results compare favorably to experimental observations leading to a robust multiscale model for bioreactor dynamics combining liquid-cell mass transfer and population heterogeneity.

The present paper focuses on the development of a population balance model (PBM) accounting for microbial population dynamics in a fluctuating environment. Heterogeneity within the cell population has two origins: extrinsic/intrinsic noises (cell to cell variability due to biological processes) and external noise (due to fluctuations in the cell environment). Modelling the effects of concentration gradients on the population heterogeneity was addressed in previous works using a population balance model based on the specific growth rate. However that model was unable to predict the distribution of specific growth rates experimentally observed at steady state. Using recent experimental data, we now propose a suitable law for the probability that cells growing at a given specific rate produce daughter cells with a different growth rate. Characteristic times of substrate assimilation and mixing at the cell scale are then combined to produce a generic model for substrate uptake limited by micromixing. The simulated results compare favorably to experimental observations leading to a robust multiscale model for bioreactor dynamics combining liquid-cell mass transfer and population heterogeneity