Modélisation et commande robuste des systèmes biologiques : exemple de la production d’acide lactique en fermenteur industriel

This PhD thesis focuses on the optimization of the bioprocess of lactic acid production from wheat flour. Indeed, lactic acid has received much attention for the production of PLA (Poly Lactic Acid), a biopolymer, since different inexpensive raw material such as wheat flour are now used as carbon source for its production. This work was performed in three main steps. In the first step, an innovative wheat transformation process is proposed, whose main steps are the following: a liquefaction followed by a simultaneous saccharification, proteins hydrolysis (SSPH) and and a final simultaneous saccharification, proteins hydrolysis and fermentation (SSPHF). Secondly, the modeling of the SSPHF (limiting step) in a continuous bioreactor is considered. The determination and validation of model parameters is performed by means of experimental campaigns in a 5 L bioreactor.In the last step, the development of control strategies to maintain the process at its optimal operating point is considered. To do so, due to the absence of sensors for real-time measurement of the concentrations of key variables of the bioreactor, estimators of these concentrations and of the lactic acid production rate are first developed. Then, control strategies for regulating the lactic acid concentration at its optimal value are designed and compared in simulation. An adaptive control combining a state feedback linearizing control and an estimator of the lactic acid production rate is finally chosen to be experimentally validated on an instrumented reactor. This strategy showed good robustness features with respect to modeling mismatches and was able during experiments to increase twice the lactic acid productivity.Cette thèse de doctorat porte sur l’optimisation du bioprocédé de production d’acide lactique à partir de la farine de blé. L'acide lactique s’avère en effet de plus en plus attractif pour la production de PLA (acide poly lactique), un bio polymère, d’autant plus que différentes matières premières peu coûteuses comme la farine de blé sont désormais utilisées comme sources de carbone pour sa production. Cette thèse comprend trois parties principales. Une première partie propose pour l’optimisation du procédé de transformation du blé un schéma innovant composé de trois étapes successives : une liquéfaction, suivi d’une étape de saccharification et hydrolyse des protéines simultanées (SSPH) et une étape finale de saccharification, hydrolyse des protéines et fermentation simultanées (SSPHF). La deuxième partie s’intéresse à la modélisation de l’étape SSPHF (étape limitante) dans un bioréacteur continu. La détermination des paramètres du modèle ainsi que leur validation sont réalisées à l’aide de campagnes d’essais sur un bioréacteur de 5 L.Enfin, la dernière partie développe la mise en oeuvre de stratégies de commande permettant de maintenir le bioprocédé à son point optimal de fonctionnement. Pour ce faire, du fait de l’absence de capteurs pour la mesure en temps réel des concentrations des variables clé dans le bioréacteur, des estimateurs de ces concentrations ainsi que du taux de production en acide lactique sont tout d’abord élaborés. Des stratégies de commande régulant la concentration d’acide lactique à sa valeur optimale sont ensuite synthétisées et comparées en simulation. Une commande adaptative combinant une commande linéarisante par retour d’état et un estimateur du taux de production en acide lactique est finalement retenue et validée expérimentalement sur un réacteur instrumenté. Cette dernière s’est avérée robuste vis-à-vis des erreurs de modélisation et a permis lors des expériences de doubler la productivité de l’acide lactique

Faisabilité et intérêt du monitorage de la fatigue ventilatoire en anesthésie et réanimation par la mesure de l'électromyographie diaphragmatique temps réel

Muscular activity can be described in terms of performance and fatigue. Diaphragmatic muscle is charactarized by its resistance to fatigue, making of it a good representative of ventilatory autonomy. While of clinical interest, its measurement is difficult. We considered this measurement by analyzing the electrical diaphragmatic signal gathered from direct recordings. To be obtained, the parameters have to be filtered. We developped the tools to record as well as to filter the signal and have validated them in clinical settings during anesthesia and intensive care. A multielectrodes probe and the associated hardware and software were developped for the signal recording. The filtering which followed compared using differnt wavelet analysis algorithms (MuRw, LiFw), and a morphological filter (MoFi), through a RISC-ARM processor for a real-time measurement. MuRw was the best compromise for calcul duration and signal noise ratio. Clinical evaluation on patients and healthy volounteers demonstrated the pertinence of frequential parameters extracted from the filtered signal, particularly the High Low ratio obtained after spectral analysisL’activité musculaire peut être caractérisée par la performance et un état de fatigue. Le muscle diaphragmatique est caractérisé par sa résistance à la fatigue, en faisant un témoin de capacité à l'autonomie respiratoire. Bien que cliniquement d'intérêt, la mesure de l'état de fatigue de ce muscle est difficile. Nous avons approché cette mesure en analysant les signaux de son activité électrique recueillis par contact. L'obtention des paramètres requière un traitement du signal. Nous avons développé les outils de recueil et de traitement de ce signal et les avons analysé pendant l'anesthésie. Le recueil a fait l'objet du développement d'une sonde multiélectrodes et des logiciels hardware et software de recueil du signal. L'analyse du signal a été l'objet de différentes méthodes mathématiques de débruitage temps réel sur des processeurs RISC-ARM, comparant des algorithmes de deux types d’ondelettes (MuRw, LiFw), et un filtre morphologique (MoFi), le choix portant finalement sur l'ondelette MuRw offrant le meilleur compromis en temps de calcul et en rapport signal sur bruit. L'évaluation clinique de sujets sains et de patients a montré la pertinence des paramètres fréquentiels de l'activité électrique MuRw du diaphragme comme représentants de son état de fatigue, en particulier par le rapport hautes sur basses fréquences obtenu par analyse spectral

Theoretical and numerical analysis of the magnetohydrodynamics equations (application to dynamo action)

On s'intéresse dans ce mémoire aux équations de la magnétohydrodynamique (MHD) dans des milieux hétérogènes, i.e. dans des milieux pouvant présenter des variations (éventuellement brutales) de propriétés physiques. En particulier, on met ici l'accent sur la résolution des équations de Maxwell dans des milieux avec des propriétés magnétiques inhomogènes. On présentera une méthode non standard pour résoudre ce problème à l'aide d'éléments finis de Lagrange. On évoquera ensuite l'implémentation dans le code SFEMaNS, développé depuis 2002 par J.-L. Guermond, C. Nore, J. Léorat, R. Laguerre et A. Ribeiro, ainsi que les premiers résultats obtenus dans les simulations de dynamo. Nous nous intéresserons par exemple au cas de la dynamo dite de Von Kármán, afin de comprendre l'expérience VKS2. En outre, nous aborderons des cas de dynamo en précession, ou encore le problème de la dynamo au sein d'un écoulement de Taylor-Couette.We focus on the magnetohydrodynamics (MHD) equations in hetereogeneous media, i.e. media with (possibly brutal) variations on the physical properties. In particular, we are interested in solving the Maxwell equations with discontinuous magnetic properties. We introduce a method that is, to the best of our knowledge, new to solve this problem using only Lagrange Finite Elements. We then discuss its implementation in SFEMaNS, a numerical code developped since 2002 by J.-L. Guermond, C. Nore, J. Léorat, R. Laguerre and A. Ribeiro. We show the results of the first dynamo simulations we have been able to make with this solver. For instance, we present a kinematic dynamo in a VKS setup, as well as some results about dynamo action induced either by a Taylor-Couette flow, or by a precessionnally driven flow.PARIS11-SCD-Bib. électronique (914719901) / SudocSudocFranceF

Modélisation, simulation numérique et problèmes inverses. Contributions en physique des plasmas de Tokamak, en écologie marine et autres travaux

Dans ce document je décris mon activité scientifique depuis la fin de ma thèse soutenue en octobre 2002. Il est constitué de deux parties. La première est une synthèse de mon travail et la seconde un recueil de mes articles les plus représentatifs en rapport avec les travaux décrits en première partie. La partie synthèse est constituée de deux chapitres. Le premier regroupe mes travaux les plus récents, depuis fin 2007, sur la thématique de la simulation numérique et des problèmes inverses pour les plasmas de Tokamak. Le second regroupe des travaux plus anciens concernant la modélisation et l'assimilation variationnelle de données en écologie marine ainsi que deux autres travaux isolés

Contribution à la modélisation non linéaire des matériaux et des structures

Le document présenté synthétise des activités de recherche liées à la mécanique non linéaire des matériaux et à la modélisation thermomécanique des structures. L’ensemble des développements associe des études expérimentales et numériques portant sur la modélisation du comportement élasto-viscoplastique d’alliages de brasure et au comportement viscoélastique non linéaire de films polymères. Cette activité se prolonge par plusieurs développements engagés autour de l’identification paramétrique des modèles de comportement. Ces axes de recherche ont contribué à l’enrichissement de modèles numériques de comportements de structures ou de procédés dont ils permettent une meilleure étude et compréhension. Les domaines applicatifs sont variés : aéronautique, astronautique, électronique de puissance et génie-chimique. Plusieurs applications originales de modélisations thermomécaniques sont exposées

Master of Advanced Studies (MAS) in Water Resources Management and Engineering, Edition 2005 - 2007. "Collection des articles des travaux de diplôme / Collection of papers of the diploma theses"

Dans la présente communication, les 29 diplômés de l’édition 2005-2007 du MAS (anciennement cycle d’études postgrades depuis 1999) présentent le résultat de leur travail de fin d’études. Les sujets traités par ces travaux remarquables couvrent le vaste domaine des aménagements hydrauliques et de la gestion des ressources en eau. In the present communication, the 29 graduated participants of the 2005-2007 MAS edition (formerly postgraduate studies since 1999) present the results of their practical master thesis. The topics treated of these remarkable thesis projects cover the wide field of hydraulic schemes and water resources management