Gravity currents from non-axisymmetric releases

Les courants de gravité, écoulements issus de la présence d’un contraste de densité dans un fluide ou de la présence de fluides de densités différentes, sont rencontrés dans de nombreuses situations naturelles ou industrielles. Quelques exemples de courants de gravité sont les avalanches, les marées noires et les courants de turbidité. Certains courants de gravité peuvent représenter un danger pour l’homme ou l’environnement, il est donc nécessaire de comprendre et de prédire leur dynamique. Cette thèse a pour objectif d’étudier l’évolution de courants de gravité de masse fixée, et notamment l’influence d’une forme initiale non-axisymétrique sur la dynamique, effet jusque-là peu abordé dans la littérature. Pour cela, une large gamme de paramètres est couverte, incluant le rapport de masse volumique entre le fluide ambiant et le fluide dans le courant, le rapport de forme initiale, la forme de la section horizontale de la colonne de fluide (circulaire, rectangulaire ou en forme de croix), le nombre de Reynolds (couvrant jusqu’à 4 ordres de grandeur) et la nature du fluide lourd (salin ou chargé en particules). Deux campagnes d’expériences ont été menées et complétées par des simulations numériques hautement résolues. Le résultat majeur est que la propagation du courant et le dépôt de particules (lorsque particules il y a) sont fortement influencés par la forme initiale de la colonne de fluide. Dans le cas de la colonne initialement rectangulaire le courant se propage plus vite et dépose plus de particules dans la direction initialement de plus courte dimension. Ce comportement non-axisymétrique est observé dans une large gamme des paramètres étudiés ici. Pourtant les modèles analytiques existants et notamment le modèle dit de boîte (box model) qui prédit avec succès le comportement des courants de gravité/turbidité dans les cas plan et axisymétrique ne sont pas capables de reproduire ce phénomène. C’est pourquoi une extension du box model a été développée ici, et est en mesure de décrire la dynamique de courants de gravité de masse fixée dont la forme initiale est arbitraire. Le cas plus général d'un courant de gravité évoluant sur un plan incliné a été abordé et une dynamique intéressante a été observée. ABSTRACT : Gravity currents are buoyancy driven flows that appear in a variety of situations in nature as well as industrial applications. Typical examples include avalanches, oil spills, and turbidity currents. Most naturally occurring gravity currents are catastrophic in nature, and therefore there is a need to understand how these currents advance, the speeds they can attain, and the range they might cover. This dissertation will focus on the short and long term evolution of gravity currents initiated from a finite release. In particular, we will focus attention to hitherto unaddressed effect of the initial shape on the dynamics of gravity currents. A range of parameters is considered, which include the density ratio between the current and the ambient (heavy, light, and Boussinesq currents), the initial height aspect ratio (height/radius), different initial cross-sectional geometries (circular, rectangular, plus-shaped), a wide range of Reynolds numbers covering 4 orders of magnitude, as well as conservative scalar and non-conservative (particle-driven) currents. A large number of experiments have been conducted with the abovementioned parameters, some of these experiments were complemented with highly-resolved direct numerical simulations. The major outcome is that the shape of the spreading current, the speed of propagation, and the final deposition profile (for particle-driven currents) are significantly influenced by the initial geometry, displaying substantial azimuthal variation. Especially for the rectangular cases, the current propagates farther and deposits more particles along the initial minor axis of the rectangular cross section. This behavior pertaining to non-axisymmetric release is robust, in the sense that it is observed for the aforementioned range of parameters, but nonetheless cannot be predicted by current theoretical models such as the box model, which has been proven to work in the context of planar and axisymmetric releases. To that end, we put forth a simple analytical model (an extension to the classical box model), well suited for accurately capturing the evolution of finite volume gravity current releases with arbitrary initial shapes. We further investigate the dynamics of a gravity current resulting from a finite volume release on a sloping boundary where we observe some surprising features

Étude phénoménologique et modélisation d'un réacteur catalytique à membrane pour la valorisation d'eau tritiée

Le tritium est un radioélément produit par fission ternaire ou activation neutronique au sein des réacteurs de fission et utilisé comme combustible dans les machines de fusion (comme, en autres, le JET en Angleterre ou le futur ITER à Cadarache). Des études sont actuellement en cours sur la gestion de cette ressource que ce soit en vue de son utilisation ou de son élimination d’effluents gazeux, liquides ou de déchets. Cette thèse se propose d’étudier la revalorisation du tritium en tant que combustible pour les machines de fusion par le biais d’un Réacteur Catalytique à Membrane (RCM). Celui-ci associe les phénomènes de conversion catalytique de l’eau tritiée, par échange isotopique avec le diprotium selon la réaction générique Q_2 O+H_2⇌H_2 O+Q_2 (Q=H,D ou T), et de perméation sélective, d’une membrane à base de palladium. Ce matériau présente une perméabilité exclusive aux isotopes de l’hydrogène H, D et T par formation respective d’hydrures, deutérures ou tritiures de palladium. Au sein du RCM, ces flux transmembranaires permettent, par retrait des produits de réactions, d’atteindre des taux de conversion plus élevés que dans un réacteur à lit fixe à parois imperméables (loi de Le Chatelier). Au CEA, un banc d’essais utilisant le deutérium comme simulant du tritium a été construit dans l’objectif d’étudier de manière séparée, à l’échelle du laboratoire, ces propriétés de conversion et de perméation ainsi que leur couplage. Grâce au développement d’une méthode permettant l’analyse simultanée des isotopologues de l’eau et du dihydrogène par spectrométrie de masse, il a été montré, d’une part, que le catalyseur à base de nickel utilisé présente une activité suffisante pour que l’état d’équilibre thermodynamique des réactions d’échange isotopique soit atteint très rapidement et d’autre part, que le flux de perméation des isotopologues du dihydrogène suit une loi de Richardson. Des analyses de sensibilités sur les paramètres opératoires montrent que les performances globales du RCM (i.e. facteur de dédeutération) croissent avec la température, la différence de pression transmembranaire, le débit de balayage et le temps de séjour dans le tube, mais passent par un maximum avec la variation de la teneur en vapeur d’eau lourde dans le gaz à traiter. Sur la base de ces observations, un modèle phénoménologique quantifiant les transferts de quantités de mouvement et de matière a été développé. Il rend compte du comportement global observé expérimentalement même si un effort reste à fournir sur la modélisation de la perméation des espèces hétéronucléaires. Grâce aux principes physiques sur lesquels il est basé et aux règles de similitudes existant entre les propriétés physico-chimiques des différents isotopologues (loi de Graham), ce modèle est aisément extrapolable au traitement d’espèces tritiées. ABSTRACT : Tritium is produced in light and heavy water reactor fuel by ternary fission or neutron activation. This by-product is used as fuel in fusion fuel reactors such as JET in Culham or ITER in Cadarache (France). The growing interest of this research area will make the tritium fluxes increase; it is then worth addressing the question of its future whether it will be used or flushed out from liquid and gaseous effluents or waste. This thesis studies the recovery of tritium as fuel for fusion machines by means of packed bed membrane reactor (PBMR). Such a reactor combines catalytic conversion of tritiated water thanks to isotope exchange with hydrogen according to the reversible reaction Q_2 O+H_2⇌H_2 O+Q_2 (Q=H,D or T) and selective permeation of Q2 through Pd-based membrane. In fact, palladium has the ability to bond with hydrogen isotopes, creating a selective permeation barrier. In the PBMR, thanks to the reaction products withdrawal, these permeation fluxes drive the heavy water conversion rate, to higher values than those reached in conventional fixed bed reactors (Le Chatelier’s law). In order to study PBMRs, the CEA has built a test bench, using deuterium instead of tritium, allowing the analysis of their conversion and separation performances at the laboratory scale. An in-house method has been developed to determine simultaneously hydrogen and water isotopologues content by mass spectrometer analysis. It was experimentally shown that the activity of Ni-based catalyst used in this study was sufficient to allow the isotope exchange reactions to reach their thermodynamic equilibrium in a very short time. In addition, hydrogen permeation flux was shown to follow a Richardson’s law. Sensitivity studies performed on the PBMR’s main operating parameters revealed that its global performance (i.e. dedeuteration factor) increases with the temperature, the transmembrane pressure difference, the sweep gas flow rate and the residence time in the catalyst particle bed but reaches a maximum with the variation of heavy water content in the feed stream. According to these observations, a phenomenological 2D model, describing momentum and mass transfers, was developed. Simulations results are in good agreement with the general behavior observed experimentally. Results show that modeling of the permeation of heteronuclear species should account for crossed-interactions of the hydrogen isotopologues on the mass transfer of one specie. Nevertheless, thanks to the modeling approach used and the similitude rules existing between isotopologues’ physical and chemical properties (Graham’s law), this model can be easily extrapolated to the processing of tritium containing mixture

Valorisation chimique des condensats issus de la torréfaction de biomasses : modélisation thermodynamique, conception et analyse de procédés.

La biomasse lignocellulosique est considérée comme une ressource de carbone renouvelable possédant un grand potentiel pour la une valorisation énergétique et chimique. La torréfaction de la biomasse sèche (de type bois) est un procédé de transformation thermique s’effectuant à des températures comprises entre 200°C et 300°C, et un temps de séjour compris entre quelques minutes et plusieurs heures, opérant sous pression atmosphérique et en défaut d’air. Le produit principal de la torréfaction est un combustible solide hydrophobe et stable. Cette opération génère des coproduits gazeux à haute température qui sont habituellement considérés comme des effluents pénalisants, apportant au mieux un appoint d’énergie pour le procédé. Pourtant, de nombreux constituants présents dans les condensats – récupérés par condensation des coproduits de torréfaction – pourraient être valorisés comme produits chimiques bio-sourcés. ABSTRACT : Lignocellulosic biomass is considered as a renewable carbon resource with great potential for the energy and chemical recovery. Torrefaction is a thermal process carried out at temperatures below 300°C, under inert atmosphere, at atmospheric pressure, and with residence times for the solid biomass ranging from few minutes to several hours. Torrefied wood is a solid product constituted by more than 70% of the initial mass with properties close to those of coal. The 30% remaining part is a gaseous effluent, composed of about one third of non-condensable gases – carbon monoxide and carbon dioxide – and two thirds of condensable species. Currently, torrefied wood is the main product of interest and is usually transformed into energetic gases by the gasification process or directly used as coal for combustion. Conversely, gaseous by-products are considered at present time as a waste and in the best case are burned to provide energy to the process. Yet, the recovery and valorization of the condensable fraction as bio-sourced chemicals is worth considering

Promotion de la cancérogenèse colorectale par le fer héminique des viandes : prévention nutritionnelle, rôle du microbiote et de l'inflammation

Le cancer colorectal est un problème de santé publique majeur à travers le monde. Les données épidémiologiques mettent en avant une association positive entre consommation de viande rouge et risque de cancer colorectal. En 2007, le fond mondial de recherche contre le cancer (WCRF) et l’institut américain de recherche contre le cancer (AICR) ont établi deux recommandations fortes qui sont de limiter la consommation de viande rouge à 500 g par semaine et d’éviter la consommation de charcuterie. Cependant, la viande rouge possède des qualités nutritionnelles intéressantes. De plus, les recommandations alimentaires sont très peu suivies par les populations appartenant aux catégories socio-professionnelles inférieures, qui consomment le plus de produits à base de viande et sont donc les plus à risque. Deux mécanismes semblent expliquer l’effet promoteur de la viande : la peroxydation des acides gras alimentaires et la formation de composés N-nitrosés, ces deux réactions étant catalysées par le fer héminique provenant de la viande rouge. Dans ce contexte, le projet SécuriViande a été mis en place afin de développer de nouveaux moyens de production qui permettraient, à terme, de diminuer le risque de cancer colorectal en inhibant les deux réactions catalysées par l’hème. Cette thèse a permis de valider expérimentalement l’association épidémiologique en montrant que la consommation de viande rouge et de charcuteries modèles induit la promotion de la cancérogenèse colorectale dans deux modèles animaux : le rat initié à l’azoxyméthane et la souris Min. De plus, mariner la viande bovine avec un mélange aqueux de raisin-olive est efficace pour diminuer le nombre de lésions précancéreuses chez le rat initié et les biomarqueurs associés à la cancérogenèse hème-induite dans les deux modèles. Cette thèse a également permis de proposer de nouveaux mécanismes pouvant expliquer l’effet promoteur de l’hème. Ainsi, le microbiote intestinal participe à la lipoperoxydation induite par le fer héminique. De plus la consommation d’hème, via la production d’aldéhydes issus de la lipoperoxydation, induit une augmentation de la perméabilité, de l’inflammation et de la génotoxicité au niveau de la muqueuse intestinale. En conclusion, cette thèse apporte : (i) une validation expérimentale de l’effet promoteur de la consommation de viande rouge et de charcuterie fraîches, (ii) un mode de prévention par la marinade de la viande bovine avec des extraits d’un mélange d’antioxydants raisin-olive, (iii) la mise en évidence de l’implication du microbiote dans la lipoperoxydation hème-induite et (iv) une meilleure caractérisation des conséquences de la consommation de fer héminique sur la muqueuse intestinale, via la formation d’aldéhydes. A terme, ces résultats pourraient être utilisés afin de mettre sur le marché des produits à base de viande plus sains vis-à-vis du risque de cancer colorectal, sans modifier les habitudes des consommateurs et ainsi de diminuer l’incidence du cancer colorectal. ABSTRACT : Colorectal cancer is a real health issue worldwide. Epidemiological studies show positive association between red meat intake and colorectal cancer risk. In 2007, the World Cancer Research Fund (WCRF) and the American Institute for Cancer Research (AICR) made two strong recommendations: reduce fresh red meat intake less than 500 g per week and avoid cured meat. Nevertheless, red meat has nutritional interest and dietary recommendations are poorly followed by people in the lowest socio-professional category, who consume the most meat products and so who have the highest risk. Two mechanisms appear to explain promoting effect of meat: dietary fatty acids peroxidation and N-nitroso compounds formation, both reactions being catalyzed by heme iron from red meat. In this context, SécuriViande project was set up to develop new production ways which could lead to reduced colorectal cancer risk inhibiting the two reactions catalyzed by heme. This thesis has shown that fresh red meat and cured-meat intake induce colorectal carcinogenesis promotion in two animal models: azoxymethane induced-rats and Min mice. Marinate beef with an aqueous mixture of grape-olive is effective to reduce the number of precancer lesions in rats and biomarkers associated with heme-induced carcinogenesis in both models. This thesis also highlights new potential mechanisms of promoting effect of heme. Thus, microbiota is involved in heme-induced lipid peroxidation. Moreover, heme iron intake increases intestinal mucosa permeability, inflammation and genotoxicity, via aldehydes produced by lipoperoxidation. In conclusion, this thesis provides (i) an experimental validation of fresh red meat and cured meat promoting effect, (ii) a way to prevent this promoting effect by marinating beef with extracts of grape-olive antioxidants, (iii) the demonstration of microbiota involvement in heme-induced lipoperoxidation and (iv) a better characterization of heme iron intake consequences on intestinal mucosa via aldehydes formation. Ultimately, these findings could be used to market safer meat products, without changing consumer habits and so reduce colorectal cancer incidence

Surveillance des expositions alimentaires aux résidus de pesticides : développement d’une méthode globale d’appréciation quantitative du risque pour optimiser l’évaluation et la gestion du risque sanitaire

L'évaluation des produits phytopharmaceutiques, leur mise sur le marché et la surveillance des résidus de pesticides dans les aliments sont harmonisés au niveau européen. Les estimations des expositions alimentaires a posteriori réalisées en Europe sont cependant incomplètes au regard du nombre de denrées et de pesticides évalués, et les données de consommation utilisées sont souvent anciennes. L’amélioration des connaissances sur les risques alimentaires liés aux pesticides constitue l’un des enjeux majeurs de santé publique. L’objectif de cette thèse est de construire un système national de surveillance a posteriori des expositions et des risques alimentaires afin de guider (1) d’une part les gestionnaires du risque dans le cadre de l’élaboration de leurs programmes de surveillance et des mesures préventives et correctives ; (2) d’autre part les évaluateurs du risque dans l’orientation des travaux de recherche et d’expertise en métrologie, expologie et toxicologie. Ce système de surveillance comprend deux outils complémentaires : (1) une méthode d’appréciation quantitative du risque dite « globale » basée sur quatre indicateurs chroniques et aigus actualisés annuellement à partir des résultats des derniers plans de surveillance et des limites maximales de résidus ; (2) des études pluriannuelles dites études de l’alimentation totale (EAT) dont la première EAT française sur les pesticides. Ces deux approches sont basées sur les données de l’étude individuelle et nationale des consommations alimentaires Inca 2 de l’Anses. La méthode globale annuelle intègre une échelle de priorités ayant permis de hiérarchiser les risques pour 519 pesticides. Les niveaux d’exposition estimés dans l’EAT2 sont globalement plus réalistes que ceux issus de la méthode annuelle. Cependant, les deux outils n’ont pas permis initialement d’affiner suffisamment l’évaluation pour certains pesticides. Par conséquent, la méthode a été ajustée afin de mieux gérer les résultats d’analyse censurés. Après ajustement, 14% des pesticides sont identifiés comme prioritaires en termes d’évaluation et/ou de gestion du risque (niveaux 2 à 6), compte tenu de dépassements des valeurs toxicologiques de référence. A partir des couples prioritaires pesticide/denrée, un plan d’échantillonnage est défini pour les prochains plans de surveillance. Des mesures de gestion correctives et une intensification des contrôles à la production et à la distribution sont recommandés pour 11 pesticides de niveau de risque maximal (niveau 6) en lien avec 16 couples pesticide/denrée. Au final, ce système national est plus complet et plus adapté à la population française que l’évaluation communautaire annuelle. Les résultats obtenus sont par ailleurs cohérents avec ceux de la première étude nationale de biosurveillance sur les pesticides. Enfin, la méthode globale annuelle intégrera les évolutions méthodologiques communautaires récentes pour l’évaluation des risques cumulés. ABSTRACT : The evaluation of plant protection products, their marketing and the monitoring of pesticide residues in food are harmonized in the European Union. Nevertheless, the assessment of dietary exposure at post-regulation level is incomplete due to the small number of foods and pesticides taken into account. In addition, consumption data are often obsolete. Improving knowledge on the dietary risk of pesticide residues is one of the major challenges to public health. The aim of this thesis is to build a national system for the ex post monitoring of dietary exposure and risk to the general population in order to guide (1) risk managers in the development of their monitoring programmes and preventive and corrective measures; (2) risk assessors in guiding research and expertise in metrology, exposure assessment and toxicology. This monitoring system includes two complementary tools: (1) an annual method of quantitative risk assessment based on four chronic and acute indicators updated each year and based on the results of the latest monitoring plans and maximum residue levels; (2) multi-year total diet studies (TDS), including the first TDS on pesticide residues (TDS2). These two approaches are based on the results of ANSES’s INCA2 individual and national consumption survey. This annual method includes a 6-level risk scale that enables the prioritization of risk for 519 pesticides. The exposure levels estimated in TDS2 are in general more realistic than those of the annual method. However, for certain pesticides it was not possible to sufficiently refine exposure levels using these two tools. Consequently, the annual method was adjusted to improve management of left-censored analytical results. After adjustment, 14% of pesticides were identified as a priority in terms of risk assessment and/or risk management (levels 2 to 6), given that they exceeded the toxicological reference values. Based on priority pesticide/foodstuff pairs, a sampling plan has been established for subsequent monitoring programmes. Corrective management measures and intensified controls of production and distribution are recommended for 11 pesticides scored at maximal risk level (level 6) in association with 16 pesticide/foodstuff pairs. In the end, this national system is more comprehensive and better suited to the French population than the annual EU assessment. The results are also consistent with those of the first national biomonitoring study on pesticides. The annual method will also incorporate recent European methodological developments for cumulative risk assessment

Optimisation de convertisseurs DC-DC SoC (System on Chip)pour l'automobile

L’équipe de conception de Freescale à Toulouse développe des circuits intégrés dédiés au marché de l’automobile pour des applications châssis, sécurité ou loisir. Les contraintes associées à l’embarquement des circuits sont nombreuses : niveau d’intégration, fiabilité, températures élevées, et compatibilité électromagnétique. Les produits conçus par Freescale intègrent des convertisseurs à découpage pour l’alimentation en énergie des microcontrôleurs. Cette thèse a pour objet l’étude de nouvelles topologies de convertisseur d’énergie pour la baisse de l’encombrement et des perturbations électromagnétiques. La structure multiphase répond à la problématique dans son ensemble. Un prototype est réalisé dans une technologie silicium Freescale haute tension 0.25µm. Le volume des composants externes de filtrage est optimisé et réduit. Les mesures sur le prototype montrent des performances en accord avec les objectifs, et des émissions électromagnétiques particulièrement faibles. The Freescale design team in Toulouse develops integrated circuits for automotive application such as chassis, safety or infotainment. Constraints associated with the embodiment of such circuits are many: die-size, safety, EMC (Electromagnetic Compliance). Switching Mode Power Supplies are integrated in these products to supply power to microcontrollers. This PhD thesis is to study new topologies of power supply to reduce the volume and electromagnetic disturbances. The multiphase structure responds to the raised issue. A prototype is produced in a Freescale 0.25µm high voltage silicon technology. Volume of the external components for filtering is optimized and reduced. Measures show upgrades in performance and reduced electromagnetic emissions

Sélectionner et cultiver Stevia rebaudiana Bertoni en milieu tempéré : exploration de la variabilité de la teneur et de la composition en glycosides de steviol

Stevia rebaudiana Bertoni, une herbe vivace de la famille des Asteraceae originaire du Paraguay, est d'un intérêt croissant en tant que source d’édulcorants naturels acoloriques, les glycosides de steviol (SVglys). Ces diterpénoïdes sont organisés autour d’un noyau de steviol et diffèrent par le nombre et la nature d’unités de sucre liées à ce noyau. Ils sont accumulés à des concentrations allant de 4 à 20% de la masse sèche des feuilles, selon le génotype, le stade phénologique et les conditions de croissance. S. rebaudiana apparaît comme une espèce alternative prometteuse en Europe, mais nécessite au préalable une évaluation de ses besoins en culture et un travail de sélection variétale afin d’optimiser la teneur et la composition en SVglys en milieu tempéré. L'objectif de ce travail était d'étudier les sources de variabilité génotypique et environnementale pour l’accumulation en SVglys et la production de biomasse foliaire. Une forte variabilité génotypique a été observée pour la composition en SVglys et, à un degré moindre, pour la teneur en SVglys ainsi que pour des critères morphologiques et de précocité. L’environnement (fertilisation, durée du jour, stade phénologique, âge de la plante) a également eu un effet sur l’élaboration de la biomasse foliaire et sur la teneur en SVglys, alors que la composition en SVglys a été moins affectée par ces facteurs. Ces résultats suggèrent des mécanismes biochimiques et génétiques complexes régissant la voie de biosynthèse des SVglys. Ils laissent également entrevoir des possibilités de sélection variétale et donnent des indications sur les exigences de S. rebaudiana pour sa culture sous nos climats. ABSTRACT : Stevia rebaudiana Bertoni, a perennial shrub of the Asteraceae family originating from Paraguay, is of increasing interest as a source of zero-calorie natural sweeteners: the steviol glycosides (SVglys). These diterpenoids differ in the number and the nature of sugar units bound to a steviol skeleton. They accumulate in leaves at concentrations ranging from 4 to 20%, according to genotype, phenological stage, and growth conditions. S. rebaudiana appears as a promising alternative culture in Europe, but requires investigations to assess its cultivation plant requirements and a breeding effort to optimize SVgly content and composition under temperate climate. The objective of this work was to explore the sources of genotypic and environmental variability for SVglys accumulation and leaf biomass production. High genotypic variability has been observed for SVgly composition and, to a lesser extent, for SVgly content as well as for morphological criteria and precocity. Leaf biomass and SVgly content varied also with the environment (fertilization, daylength, phenological stage) and over the years in perennial culture, while SVgly composition was less affected by these factors. These results suggested complex biochemical and genetic mechanisms regulating SVglys biosynthetic pathway. In parallel they revealed breeding potentialities and gave indications on S. rebaudiana requirements for its cultivation under temperate climate

Développement d'un procédé de lissage de charge par adsorption/désorption en amont d'une épuration biologique pour le traitement d'eaux résiduaires industrielles.

Les sites chimiques, pétrochimiques et pétroliers génèrent des effluents chargés en polluants soumis à une réglementation de plus en plus stricte. Le travail de thèse se focalise sur le traitement des effluents industriels et plus spécifiquement sur l'amortissement des pics de pollution via un procédé d'adsorption/désorption afin de minimiser les impacts négatifs sur l'épuration biologique. Pour cela, deux études complémentaires ont été menées en parallèle. La première étude concerne l'adsorption et la désorption de polluants en phase aqueuse avec notamment la sélection d’un adsorbant puis la détermination de ses capacités d'adsorption vis-à-vis de deux molécules modèles. Plusieurs cycles d'adsorption et de désorption ainsi que des pics de pollution ont été réalisés afin de (i) démontrer la faisabilité du procédé, (ii) d'identifier les phénomènes mis en jeu et les paramètres déterminants dans la capacité d'amortissement d'une colonne d'adsorbant et (iii) étudier les phénomènes de compétition entre molécules. Les données expérimentales ont pu être modélisées avec succès à l'aide d’un couplage du modèle Linear Driving Force (LDF) et de l'isotherme de Freundlich. D'autre part, l'impact d'une variation de charge sur les performances épuratoires du traitement biologique seul a été examiné et comparé aux effets observés lors d'un pic de pollution sur un procédé couplant une colonne d'adsorbant (en amont) et le traitement biologique. Un intérêt a également été porté aux foisonnements de bactéries filamenteuses, survenus à plusieurs reprises : une identification des filaments a été réalisée et un traitement de lutte efficace a été mis en place. Les résultats ont démontré qu'une colonne d'adsorbant placée en amont du bassin de biodégradation permet d'améliorer la qualité de l'effluent traité et ainsi de respecter les normes de rejet fixées par la législation. ABSTRACT : Chemical, petrochemical and oil industries generate polluted effluents which are covered by increasingly stricter regulations. This PhD work focuses on the treatment of industrial effluents and more specifically on pollution peaks dampening through a process of adsorption/desorption so as to minimize the negative impacts on biological purification. Two complementary studies have been carried out simultaneously as part of this work. The first study concerns the adsorption and desorption of pollutants in aqueous phase including adsorbent selection and determination of its adsorption capacities, for two model molecules. Several cycles of adsorption and desorption, as well as peaks of pollution, have been carried out in order to (i) identify the phenomena involved and the determining parameters of the attenuation capacity of the adsorbent column, and (ii) to study competitive phenomenon between two molecules. Experimental data has been successfully modelled using both Linear Driving Force (LDF) and Freundlich isotherm models. For the second study, the impact of load variation on the biological treatment purifying performances has been investigated and compared to effects observed in response to a pollution peak on the process coupling an adsorption/desorption column and biological treatment. Concerning filamentous bacteria bulking, which occurs frequently, filament identification has been carried out and struggle treatments have been efficiently implemented. The results showed that an adsorbent column placed before the biological biodegradation improves treated effluent quality and so allows for the respect of discharge norm

Etude physicochimique de l’association d’un antibiotique avec un ciment apatitique pour la substitution osseuse

L'intérêt pour le développement de ciments osseux à base de phosphates de calcium (CaP) en tant que systèmes de délivrance de médicament a augmenté en raison de sa capacité à être injecté et à permettre un traitement local et contrôlé des maladies ou défauts osseux. A cette fin, nous nous sommes intéressés à la formulation d’un ciment mixte à base de carbonate et phosphate de calcium (CaCO3-CaP) chargé avec différentes teneurs (3, 6 et 9% calculé par rapport à la masse de la phase solide du ciment) en acide fusidique (AF), composé pratiquement insoluble dans l’eau, ou en son sel hydrosoluble, le fusidate de sodium (SF). L’influence de l’incorporation de l’antibiotique sous ces deux formes sur les propriétés physicochimiques (temps et cinétique de prise, résistance à la compression, injectabilité) et la microstructure (porosité) du ciment ainsi que sur la libération in vitro de ce médicament a été étudiée. L’effet de la quantité d’eau (rapport liquide/solide (L/S)) utilisée pour l’élaboration du ciment sur ces propriétés a été également examiné. Les résultats obtenus ont révélé que l'ajout de l’antibiotique n’avait aucun effet sur la composition minérale du ciment durcit : la réaction de prise donne lieu à la formation d’une apatite carbonatée analogue au minéral osseux. Nous avons observé que le temps de prise du ciment a été prolongé par l’addition d’AF, tandis que la présence de SF le réduit et cet effet est dose dépendant. L’utilisation d’un accélérateur de prise (Na2HPO4) réduit le temps de prise d’une manière significative, et a permis d’atteindre un temps de prise de l’ordre de 25 à 30 minutes ; celui-ci se situe dans une gamme compatible avec une application en chirurgie orthopédique ou dentaire. Ce travail a également permis de mettre en évidence que l’incorporation de l’antibiotique dans le ciment s’accompagne d’ une diminution de la porosité et de la résistance à la compression. En outre, l’augmentation du rapport liquide-solide (L/S) se traduit par une augmentation du temps de prise, de la porosité des ciments et par une diminution de la résistance à la compression. Les mesures d’injectabilité des ciments étudiés ont montré que la charge nécessaire pour l’extrusion de la pâte est diminuée par l'ajout d’AF (injectabilité améliorée) et que cet effet est amplifié en présence de SF. Le phénomène de séparation de phases qui limitait l’injectabilité de la pâte du ciment de référence a été supprimé par l’ajout de 9 % de SF et par l’augmentation de la quantité d’eau utilisée (L/S plus élevé) pour l’élaboration du ciment. Les essais de libération in vitro du principe actif dans une solution de NaCl 0.9 % à 37°C pendant un mois montrent que la libération est prolongée et ce quels que soient la forme de l’antibiotique et le rapport L/S. Le taux libéré est lié à la porosité totale et à la taille des pores du ciment ainsi qu’à la solubilité de l'antibiotique. Les quantités libérées par jour sont de l’ordre de 0.5 à 2 mg/L. La libération du médicament a été modélisée en utilisant les équations de Korsmeyer-Peppas, de Higuchi ou de Kopcha. Les résultats ont montré que la libération du médicament est contrôlée principalement par un mécanisme de diffusion. Enfin, l’efficacité in vitro du système de délivrance préparé a été évaluée à travers des essais microbiologiques réalisés avec les ciments chargés en antibiotique ; les résultats préliminaires obtenus ont montré une activité anti-biofilm faible sur la souche bactérienne de type Staphylococcus aureus. ABSTRACT : The interest in developing calcium phosphate cements as a drug delivery system has risen because of its capability to be injectable and to enable local and controlled treatment of bone disease or defects. In the present work, we are interested in the development of a mixed cement based on calcium phosphate and carbonate (CaCO3-CaP) loaded with different concentrations (3, 6 and 9% calculated on the weight of the cement solid phase) of fusidic acid (FA) compound substantially insoluble in water, or its water soluble salt, sodium fusidate (SF). The influence of the incorporation of both forms of antibiotic on the physicochemical properties (setting time and setting reaction kinetics, compressive strength, injectability) and the microstructure (porosity) of the cement as well as on the in vitro release of this drug was studied. The effect of the amount of water (liquid / solid ratio (L / S)) used for the preparation of cement on these properties was also examined. The results obtained showed that the addition of the antibiotic had no effect on the final composition of the hardened cement: the setting reaction leads to the formation of a carbonated apatite analogous to bone mineral. The setting time of the cement was prolonged by the addition of AF, while it is reduced in the presence of SF and we showed that this effect is dose-dependent. The introduction of an accelerator (Na2HPO4) in the cement formulation reduces the setting time significantly in a range (25 to 30 minutes) which is adapted to orthopedic and dental applications. This work has also demonstrated that the incorporation of the antibiotic in the cement is accompanied by a decrease in the cement porosity and resistance to compression. In addition, increasing the liquid to solid ratio induced an increase in the setting time and in the porosity of the cement whereas the cement compressive strength is decreased. Measurements conducted on cement injectability have shown that the load required to extrude the paste is reduced by the addition of AF (improved injectability) and this effect is enhanced in the presence of SF. The phase separation phenomenon that limits the injectability of the reference cement paste was suppressed by the addition of 9% of SF and by increasing the amount of water (higher L / S) used for the preparation of cement. In vitro release test of the antibiotic in NaCl 0.9% solution at 37 °C over one month showed that the release is sustained regardless of the form of the antibiotic and of the L / S ratio. The released rate is related to the total porosity and pore size of the cement as well as the solubility of the antibiotic. The amounts released per day are in the range of 0.5 to 2 mg /L. Drug release was modeled using the Korsmeyer-Peppas, Higuchi or Kopcha equations. These modelisations showed that the drug release is mainly controlled by a diffusion mechanism. Finally, the in vitro efficiency of the prepared drug delivery systems was evaluated through microbiological tests on antibiotic-loaded cements; the preliminary results obtained showed a weak anti-biofilm activity against Staphylococcus aureus bacterial strain

Planification interactive de trajectoire en Réalité Virtuelle sur la base de données géométriques, topologiques et sémantiques

Pour limiter le temps et le coût de développement de nouveaux produits, l’industrie a besoin d’outils pour concevoir, tester et valider le produit avec des prototypes virtuels. Ces prototypes virtuels doivent permettre de tester le produit à toutes les étapes du Product Lifecycle Management (PLM). Beaucoup d’opérations du cycle de vie du produit impliquent la manipulation par un humain des composants du produit (montage, démontage ou maintenance du produit). Du fait de l’intégration croissante des produits industriels, ces manipulations sont réalisées dans un environnement encombré. La Réalité Virtuelle (RV) permet à des opérateurs réels d’exécuter ces opérations avec des prototypes virtuels. Ce travail de recherche introduit une nouvelle architecture de planification de trajectoire permettant la collaboration d’un utilisateur de RV et d’un système de planification de trajectoire automatique. Cette architecture s’appuie sur un modèle d’environnement original comprenant des informations sémantiques, topologiques et géométriques. Le processus de planification automatique de trajectoire est scindé en deux phases. Une planification grossière d’abord exploitant les données sémantiques et topologiques. Cette phase permet de définir un chemin topologique. Une planification fine ensuite exploitant les données sémantiques et géométriques détermine un trajectoire géométrique dans le chemin topologique défini lors de la planification grossière. La collaboration entre le système de planification automatique et l’utilisateur de RV s’articule autour de deux modes : en premier lieu, l’utilisateur est guidé sur une trajectoire pré-calculée à travers une interface haptique ; en second lieu, l’utilisateur peut quitter la solution proposée et déclencher ainsi une re-planification. L’efficacité et l’ergonomie des ces deux modes d’interaction est enrichie grâce à des méthodes de partage de contrôle : tout d’abord, l’autorité du système automatique est modulée afin de fournir à la fois un guidage prégnant lorsque l’utilisateur le suit, et plus de liberté à l’utilisateur (un guidage atténué) lorsque celui-ci explore des chemins alternatifs potentiellement meilleurs. Ensuite, lorsque l’utilisateur explore des chemins alternatifs, ses intentions sont prédites (grâce aux données géométriques associées aux éléments topologiques) et intégrées dans le processus de re-planification pour guider la planification grossière. Ce mémoire est organisé en cinq chapitres. Le premier expose le contexte industriel ayant motivé ces travaux. Après une description des outils de modélisation de l’environnement, le deuxième chapitre introduit le modèle multi-niveaux de l’environnement proposé. Le troisième chapitre présente les techniques de planification de trajectoire issues de la robotique et détaille le processus original de planification de trajectoire en deux phases développé. Le quatrième introduit les travaux précurseurs de planification interactive de trajectoire et les techniques de partage de contrôle existantes avant de décrire les modes d’interaction et les techniques de partage de contrôle mises en œuvre dans notre planificateur interactif de trajectoire. Enfin le dernier chapitre présente les expérimentations menées avec le planificateur de trajectoire et en analyse leurs résultats. ABSTRACT : To save time and money while designing new products, industry needs tools to design, test and validate the product using virtual prototypes. These virtual prototypes must enable to test the product at all Product Lifecycle Management (PLM) stages. Many operations in product’s lifecycle involve human manipulation of product components (product assembly, disassembly or maintenance). Cue to the increasing integration of industrial products, these manipulations are performed in cluttered environment. Virtual Reality (VR) enables real operators to perform these operations with virtual prototypes. This research work introduces a novel path planning architecture allowing collaboration between a VR user and an automatic path planning system. This architecture is based on an original environment model including semantic, topological and geometric information. The automatic path planning process split in two phases. First, coarse planning uses semantic and topological information. This phase defines a topological path. Then, fine planning uses semantic and geometric information to define a geometrical trajectory within the topological path defined by the coarse planning. The collaboration between VR user and automatic path planner is made of two modes: on one hand, the user is guided along a pre-computed path through a haptic device, on the other hand, the user can go away from the proposed solution and doing it, he starts a re-planning process. Efficiency and ergonomics of both interaction modes is improved thanks to control sharing methods. First, the authority of the automatic system is modulated to provide the user with a sensitive guidance while he follows it and to free the user (weakened guidance) when he explores possible better ways. Second, when the user explores possible better ways, his intents are predicted (thanks to geometrical data associated to topological elements) and integrated in the re-planning process to guide the coarse planning. This thesis is divided in five chapters. The first one exposes the industrial context that motivated this work. Following a description of environment modeling tools, the second chapter introduces the multi-layer environment model proposed. The third chapter presents the path planning techniques from robotics research and details the two phases path planning process developed. The fourth introduce previous work on interactive path planning and control sharing techniques before to describe the interaction modes and control sharing techniques involved in our interactive path planner. Finally, last chapter introduces the experimentations performed with our path planner and analyses their results