Dissertationen zum Thema „Supervision en ligne des bioprocédés“

Cette thèse présente une nouvelle stratégie de modélisation pour le suivi en ligne des bioréacteurs, utilisant la spectroscopie Raman et Machine Learning. L'objectif principal de cette étude est de développer des modèles simplifiés utilisant des spectres Raman provenant d'étalons. Elle se compose de trois parties.La première partie de cette thèse consiste à optimiser les paramètres d'acquisition Raman et à élaborer un modèle de régression PLS en utilisant des étalons purs. Ensuite, une validation préliminaire est entreprise en employant des étalons mixtes afin de simuler les variations de composition moléculaire dans le milieu, au cours du procédé, la fermentation alcoolique. La deuxième partie propose une expression non linéaire pour interpréter l'atténuation Raman due à la présence de micro-organismes dans un bioréacteur réel, permettant ainsi la correction des spectres diffusés par les cellules. Pour évaluer la performance du modèle, des bioréacteurs batch et fed-batch ont été réalisés, afin de confirmer la fiabilité et la robustesse prédictive de la stratégie de correction et du modèle de régression élaborés. Enfin, la troisième partie met en lumière les avantages de la méthodologie de modélisation proposée, comparativement à l'approche traditionnelle utilisant les spectres des bioréacteurs pour l'entraînement du modèle de régression.Dans l'ensemble, cette approche innovante a démontré une excellente performance de prédiction sur tous les ensembles de données de validation et de test, présentant un potentiel significatif pour l'ingénierie des bioprocédés. Elle permet un suivi plus précis et plus efficace de plusieurs composés en temps réel, et améliore le contrôle et l'optimisation des processus. La stratégie proposée devrait avoir une application étendue dans l'industrie de la bioproduction
This thesis presents a novel and reproducible modeling strategy for online monitoring of bioreactors using Raman spectroscopy and Machine Learning. The main aim of this study is to develop simplified models using the Raman spectra of standards in solution. It consists of three key parts.The first part involves optimizing Raman acquisition parameters and developing a PLS regression model using pure standards. Subsequently, a preliminary validation was carried out using mixed standards to mimic changes in the composition of different molecules in the medium during the alcoholic fermentation process. The second part defined a nonlinear expression to interpret the Raman attenuation induced by the presence of microorganisms in a real bioreactor, allowing the correction of cell--scattered spectra. For model evaluation, numerous batches and one fed--batch bioreactor were launched to validate the working performance and predictive robustness of the obtained correction strategy and regression model. The third part highlights the advantages of our proposed modeling methodology over the traditional way that uses the spectra from bioreactors to train the regression model.Overall, the innovative approach demonstrated an excellent prediction performance on all validation and testing datasets, presenting significant potential for bioprocess engineering. It enables more accurate and efficient monitoring of multiple compounds in real time, as well as enhances process control and optimization. The proposed strategy is expected to have an extended application in the bioproduction industry

Dans ce travail, nous développons des algorithmes de détection et d'isolation de défauts pour la supervision des bioprocédés. Nous nous intéressons plus particulièrement aux défauts issus de la dynamique du procédé. Nous proposons d'utiliser pour cela deux approches complémentaires : les observateurs non-linéaires adaptatifs et les relations de parité. Dans la première approche, les observateurs adaptatifs nécessaires pour la génération des résidus sont développés en utilisant trois méthodes d'observation : l'estimateur à modèle de référence, l'observateur à grand gain et l'observateur asymptotique. Afin d'améliorer le temps d'isolation, nous proposons, dans le cas de l'estimateur à modèle de référence, l'ajout d'un paramètre de réglage permettant de contrôler la dynamique de ce type d'observateur. Nous présentons ensuite l'influence de bruit additif sur les résidus. L'utilisation d'une méthode de classification floue pour l'évaluation des résidus s'avère remarquablement robuste au bruit et permet de résoudre en outre le problème du temps d'isolation. L'évaluation des résidus est automatique et quasi instantanée. La seconde approche consiste à extraire du système des relations d'entrée/sortie appelées relations de redondance analytique. Ces relations sont générées en utilisant les algorithmes d'élimination des bases de Groebner. Leur structuration est ensuite obtenue par le calcul de résultants. L'approche des relations de parité semble être une alternative pertinente. Néanmoins, sa mise en œuvre pose des problèmes tels que la complexité de calcul de la base de Groebner et la réalisation du générateur de résidus à partir des In this work, we develop fault detection and isolation algorithms for bioprocesses supervision. We are specially interested in process faults. We propose to use two complementary approaches: non-linear adaptive observers and parity relations. In the former, the required adaptive observers are generated using three observation methods: a model reference-based estimator, a high-gain observer and an asymptotic observer. In order to improve the fault isolation time we propose, in the case of the model reference-based estimator, the restruscturation of the gain expressions by adding a tuning parameter that allows the control of the observer dynamics. The residual behaviour in the presence of measurement noise is then investigated. The use of a fuzzy classification method for residual evaluation seems to be very helpful in this case. Besides the robustness to measurement noise, this qualitative approach also resolves the fault isolation time problem. The residual evaluation is automatic and quasi instantaneous. The latter consists in extracting from the system input/output relations called analytical redundancy relations. These relations are generated by using the elimination algorithms based on the Groebner Basis method. The structured residuals are then obtained by using the resultant theory. The parity relations approach seems to be a suitable alternative. However, its application does cause some problems such as the complexity of the Groebner basis computing and the residual generator realization based on the analytical redundancy relations.

Les systèmes actuels deviennent chaque jour de plus en plus complexe; à la distribution s’ajoutent les contraintes temps réel. Les méthodes classiques en charge de garantir la sûreté de fonctionnement, comme le test, l’injection de fautes ou les méthodes formelles ne sont plus suffisantes à elles seules. Afin de pouvoir traiter les éventuelles erreurs lors de leur apparition dans un système distribué donné, nous désirons mettre en place un programme, surveillant ce système, capable de lancer une alerte lorsque ce dernier s’éloigne de ses spécifications ; un tel programme est appelé superviseur (ou moniteur). Le fonctionnement d’un superviseur consiste simplement à interpréter un ensemble d’informations provenant du système sous forme de message, que l’on qualifiera d’évènement, et d’en déduire un diagnostic. L’objectif de cette thèse est de mettre un place un superviseur distribué permettant de vérifier en temps réel des propriétés temporelles. En particulier nous souhaitons que notre moniteur soit capable de vérifier un maximum de propriétés avec un minimum d’information. Ainsi notre outil est spécialement conçu pour fonctionner parfaitement même si l’observation est imparfaite, c’est-à-dire, même si certains évènements arrivent en retard ou s’ils ne sont jamais reçus. Nous avons de plus cherché à atteindre cet objectif de manière distribuée pour des raisons évidentes de performance et de tolérance aux fautes. Nous avons ainsi proposé un protocole distribuable fondé sur l’exécution répartie d’un réseau de Petri temporisé. Pour vérifier la faisabilité et l’efficacité de notre approche, nous avons mis en place une implémentation appelée Minotor qui s’est révélée avoir de très bonnes performances. Enfin, pour montrer l’expressivité du formalisme utilisé pour exprimer les spécifications que l’on désire vérifier, nous avons détaillé un ensemble de propriétés sous forme de réseaux de Petri à double sémantique introduite dans cette thèse (l’ensemble des transitions étant partitionné en deux catégories de transitions, chacune de ces parties ayant sa propre sémantique).

Ce travail présente la conception, la fabrication et le test d’une unité de préparation d’échantillons utilisant une approche originale combinant les microfluidiques digitale et continue. L'avantage du préconditionnement ‘numérique’ est d’éviter l’introduction d'un réseau complexe de micro-vannes pour manipuler les échantillons, tandis que le format ‘continu’ en entrée et sortie de l’unité permet de coupler facilement ce dispositif avec des composants microfluidiques situés en amont et en aval. Nous avons travaillé sur deux procédés de fabrication. Le premier comprend un tricouche PSP (Pyrex-Silicium-Pyrex) pour lequel les interfaces liquide-solide sont de nature hydrophobe. Un procédé original de collage thermoplastique a été optimisé qui est suffisamment générique pour être utilisé dans d’autres procédés MEMS. Cependant, les résultats des caractérisations ont montré que bon nombre des échantillons ne pouvaient pas être manipulés. Pour résoudre ce problème, nous avons développé un procédé bicouche PS (Pyrex-silicium) où les interfaces liquide-solide sont de nature superhydrophobe suite à une nanotexturation du silicium par traitement chimique. Grâce à la faible hystérésis, la résistance de friction et la pollution biologique sont largement réduites ce qui permet la manipulation de liquides complexes. Cette technologie a été employée pour fabriquer une unité microfluidique dédiée à de la préparation d’échantillons issus de bioprocédés à base de levures. Ces échantillons préparés sont ensuite analysés soit par une méthode immuno-enzymatique (ELISA) soit par une analyse par spectrométrie de masse précédée par une étape de séparation par électrophorèse capillaire
This work presents the concept, fabrication technology and characterization of a sample preparation unit using an original approach coupling channel-based continuous and electrowetting-on-dielectric (EWOD)-based digital microfluidics. The major advantage of ‘digital’ is the accurate control of multiple reagents without the need of a complex network of microvalves, while unprocessed and reprocessed ‘continuous’ format is ideal for coupling with upstream and downstream microfluidic devices. We have developed two generations. In our first work, a three layers PSP (Pyrex-Silicon-Pyrex) configuration with hydrophobic liquid-solid interfaces was employed. An original adhesive wafer bonding technique has been optimized that is sufficiently generic to be used in diverse MEMS processes. However, the preliminary characterization results have shown that most real samples used in bioprocessing could not be handled by this first prototype. To address this issue, we have developed a bilayer PS (Pyrex-Silicon) configuration with superhydrophobic liquid-solid interfaces made by chemical nanotexturation of silicon. Thanks to the low contact angle hysteresis of this superhydrophobic surface, the friction resistance and bio-adsorption on the surface were largely reduced allowing transport of real complex liquids. Finally, this prototype has been successfully used for preconditioning samples taken from a yeast bio-reactor and then delivered to analytical modules either an enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) or a capillary electrophoresis (CE) device coupled with a mass spectrometry (MS)

TLes travaux présentés ont pour objectif d'aider les biologistes au diagnostic de la viabilité cellulaire en utilisant des méthodes de classification floues. Notre travail fait part d'une stratégie de classification permettant de construire un partitionnement d'images de cellules venant d'un microscope optique. Nous aboutissons à une classification automatique des cellules, en segmentant l'image, par l'algorithme T-LAMDA que nous avons développé. Une étude portant sur les méthodes de classification existantes, l'espace couleur et la résistance au bruit, permet de trouver la structure la plus adaptée à notre étude. L'analyse comparative de différentes méthodes (dont les méthodes LAMDA et T-LAMDA), nous permet de mettre en exergue la plus appropriée pour la classification des cellules mélangées au bleu de méthylène. Nous proposons quelques algorithmes supervisés basés sur LAMDA afin de voir si le sens de traitement des données au niveau de cet algorithme influe sur le résultat. L'algorithme T-LAMDA, basé sur les arbres de décisions, se révèle le mieux adapté pour notre étude et donne ainsi des résultats plus précis que les autres méthodes, avec un temps d'exécution plus court. Nous suggérons de faire un apprentissage en utilisant l'application CELCA, Cell Classification Application, qui utilise l'algorithme T-LAMDA. Le logiciel se charge des calculs des cinétiques, en fonction des images qui respectent un protocole bien défini. Le temps de traitement de 117 images est de 6'47'' minutes, ce qui est largement en dessous du temps mis par les biologistes en effectuant manuellement le comptage
The presented works have for objective to help the biologists in the diagnosis of the cellular viability by using some methods of classification. Our work announces a strategy of classification allowing to building partition of images of cells coming from an optical microscope. We classify automatically the cells by operating the segmentation on images using the developed algorithm T-LAMDA. A statement concerning the existing classification methods, the color space and the resistance to noise, allows to finding the structure the most adapted to our study. The comparative analysis of various methods (of which LAMDA and T-LAMDA methods), allows us to put in evidence the most appropriate for the classification of cells subjected to the blue of methylene solution. We propose some supervised algorithms based on LAMDA to show if the way of treating the data influence the result. The T-LAMDA algorithm, based on the decision trees, shows itself the best adapted for our study and so gives more precise results than other methods, with a shorter time of execution. We suggest learning by using the CELCA application, Cell Classification Application, which uses the developed T-LAMDA algorithm. The software takes care of calculations of the kinetics, according to the images which respect to a well defined protocol. Time for treating 117 images is 6 '47'' minutes, what is widely below the time taken by biologists to count the cells

L'étude présentée concerne l'analyse d'une ligne de galvanisation en continu de tôle laminée. L'objectif général de ce travail est la conception d'un système de détection précoce des défauts, de diagnostic et d'aide aux opérateurs dans la conduite et la maintenance de cette installation complexe, ceci dans le but d'améliorer la qualité du produit fabriqué tout en augmentant la productivité et la disponibilité du processus de fabrication. La première phase de l'étude a été la prise de connaissance du procédé et des différents processus impliqués dans la fabrication de tôle galvanisée. Ensuite nous avons procédé à l'analyse bibliographique de diverses stratégies de diagnostic, dans laquelle nous avons privilégié la présentation des méthodes à base de connaissances (réseaux de neurones, systèmes experts, logique floue, physique qualitative), car la compréhension que nous avons pu avoir du fonctionnement de la ligne nous a conforté dans l'idée que les approches à base de modèles risquaient d'être peu applicables sur l'installation considérée. Cette phase de l'analyse a été suivie par la réalisation d'un ensemble de campagnes de mesures destinées à élaborer une base de connaissance sur les défauts, leurs causes et leurs effets. L'architecture informatique du système de supervision a alors été définie. Une structure de type multi-agent associée a un langage de programmation orienté objet a été proposé pour la réalisation du produit final
The subject of this study is about a continuous galvanising line. The general objective of this work is the realisation of a default detection, diagnosis and operators assistance system. That kind of system is intended to the control and to the maintenance of the Sollac complex plant, in order to improve the production and the product quality and the productivity. At first, we have searched any interesting information about the galvanising line, to understand the functioning of each processes which are involved in the production of galvanised iron sheet. Then, the bibliographical analysis of knowledged based diagnosis methods (neural networks, expert systems, fuzzy logic, qualitative physics) is writen to find a strategy to supervise such a non linear multi-variable system. The model based methods are useless because of the lack of available models. The next stage concerned the mesurements collections. The measurements analysis results allow us to build a knowledge base with some defaults trees (defaults, causes and effects) and treatment rules. Then the supervision system architecture is defined. A multi-agent system is described to realise the whole monitoring system and a structure based on an object model is proposed to implement that system

Durant l’exploitation d’une ligne de métro, l’opérateur de supervision est responsable de l’exécution de procédures pour la gestion des incidents. Cependant, lors de l’occurrence combinée d’incidents, les procédures utilisées peuvent se retrouver en concurrence. Dans ce cas, des situations ne garantissant pas la sécurité des personnes existent et un accident peut se déclencher. La démarche d’étude des procédures intègre tout d’abord leur représentation graphique avec la notation BPMN. Ces modèles de procédure, compréhensibles et accessibles, constituent ainsi une base de connaissances pour les industriels concernés. Ces modèles sont ensuite interprétés sous forme de réseaux de Petri pour ajouter une dynamique au système étudié. La notion de contrôlabilité et l’influence du contexte d’exécution sont alors introduites dans l’étude de procédures de gestion d’incident. Afin d’assurer la sécurité des personnes, des états interdits sont définis et identifiés parmi l’ensemble des états accessibles par l’application de la théorie du contrôle par supervision. Ces états interdits se caractérisent de manière originale : suivant leur inclusion dans un ensemble d’états particuliers mais également suivant la contrôlabilité de leurs transitions sortantes. Cette caractérisation innovante s’accompagne des algorithmes permettant de déterminer et d’éviter les états interdits. Afin d’orienter l’opérateur de supervision dans les actions à exécuter lors d’incidents combinés, des critères de différenciation des trajectoires admissibles évitant les états interdits sont également définis. Les résultats obtenus permettent de proposer une assistance à l’opérateur de supervision sous forme d’alertes et de conseils. Cette étude se base sur le système de supervision ATS développé par Thales et sur les procédures de gestion d’incident de l’un de leurs clients, la RATP. Un prototype de fonctionnalité d’aide à l’opérateur pour la gestion des incidents reposant sur le savoir-faire client a ainsi pu être intégré au logiciel de Thales
During metro line operations, the supervision operator is responsible for the procedures’ execution when referring to incidents management. However, when combined incidents occur, procedures may be competing. In this particular case, situations which do not ensure people’s safety exist and an accident might happen. Firstly, the approach of studying these procedures integrates their graphical representation with the BPMN notation. These procedures’ models, understandable and accessible, provide a significant amount of knowledge for industrials in this area. Secondly, these models are performed as Petri nets to add dynamic to the system of interest. That is why, the notion of controllability and the influence of the execution context are introduced in the study of incidents management procedures. To ensure people’s safety, forbidden states are defined and identified among the states space with the supervisory control theory. These states are characterized in an original way : depending on their inclusion in a set of states but also depending on the controllability of their outgoing transitions. In addition to this innovative characterization, algorithms allow to determine and to avoid forbidden states. Criteria distinguish the admissible sequences which avoid forbidden states. These differentiation criteria are defined to steer the supervision operator through the actions he has to execute when combined incidents occur. Results allow us to provide assistance to the supervision operator with warnings and advice. This study is based on ATS supervision system developed by Thales and one of their customers’ incidents management procedures, the RATP. A prototype of operator support functionality for incidents management based on customer know-how has been implemented into Thales software

Ce travail porte sur la modélisation dynamique des fours de réchauffage en continu de la sidérurgie en développant une logique de supervision en ligne. Le premier axe présente l'élaboration d'un modèle dynamique global d'un four de réchauffage où seules l'équation de l'énergie et l'équation de continuité sont appliquées en utilisant et perfectionnant le logiciel THERMETTE du Centre Energétique et Procédés (CEP). Le modèle est applicable à tous les types de fours grâce à l'interface de l'outil SAFIR-4D développé pour la société Stein-Heurtey. A l'aide de cette interface, un four quelconque est décrit et le modèle dynamique est généré automatiquement après avoir calculé les facteurs de transferts radiatifs du four étudié. Les facteurs de transferts sont calculés par la méthode "Damier", méthode de calcul rapide des facteurs de transferts radiatifs développée dans cette thèse, couplée au logiciel MODRAY du CEP. La validation numérique de la méthode "Damier" est effectuée afin d'en démontrer son exactitude avec ce qu'elle apporte comme gain considérable en temps de calcul. La validation expérimentale, basée sur une brame instrumentée circulant dans un four, montre la cohérence du modèle dynamique global mis en place et couplé aux facteurs de transferts radiatifs issus de la méthode "Damier". Les résultats obtenus de températures, de débits de produits et de bilan thermique sont en bon accord avec les mesures. Le second grand axe de ce travail porte sur la supervision en ligne d'un four de réchauffage. Le modèle dynamique développé dans la première partie sert d'analogue de four réel et donc de fournisseur de données pour le fonctionnement en ligne du four. Le travail de supervision est une combinaison d'algorithmes de prévision et d'optimisation. La prévision rapide et en ligne des températures des brames permet d'obtenir les données nécessaires à l'optimisation dont la fonction est de mettre à jour les consignes du four afin de vérifier le critère technico-économique de production. La supervision est ensuite validée en comparant les résultats des tests menés à ceux obtenus lors d'une supervision classique où les consignes des zones ont des valeurs constantes. Les résultats sont satisfaisants du point de vue consommation énergétique et critère de températures sur les différentes brames.

Le diagnostic est une composante principale d'un module de supervision. Il consiste à déterminer à chaque instant le mode de fonctionnement, normal ou anormal du système. Il existe plusieurs approches pour réaliser le diagnostic, le choix d'une approche est lié au mode de représentation de la connaissance. Lorsque cette connaissance est de type numérique, issue de capteurs, et lorsqu'on ne peut pas construire un modèle analytique du système, l'approche par Reconnaissance des Formes (RdF) est particulièrement adaptée. L'application de la RdF au diagnostic se heurte souvent au problèmes d'une base de connaissance incomplète où tous les modes de fonctionnement ne sont pas représentés. En conséquence, un module de diagnostic doit être adaptatif afin d'inclure à sa base de connaissance les nouveaux modes dés qu'ils apparaissent. De plus lorsque le système évolue vers un mode anormal, il est intéressant d'anticiper cette évolution plutôt que d'attendre d'arriver à ce mode. En conséquence le module de diagnostic doit être prédictif. Enfin dans le cas d'un système évolutif, la base de connaissance doit être enrichie grâce à l'information apportée par les nouvelles observations. Cet enrichissement doit être réalisé en temps réel. . .

Les bioprocédés industriels mettant en œuvre la culture de cellules animales sont devenus incontournables pour la production d’anticorps monoclonaux (AcM). Cependant, l'état physiologique des cellules et la qualité des AcM produits, en particulier leur glycosylation, sont tributaires des variations intervenant au cours du procédé. Il en découle des risques d'altération de l'efficacité et de la sûreté des AcM. C'est pourquoi, depuis quelques années, l'initiative Process Analytical Technology (PAT) encourage le développement du suivi en ligne de ces procédés, avec l'objectif de mieux les maîtriser et d'assurer la qualité finale des produits. Dans ce contexte, cette thèse propose des approches innovantes pour le suivi en ligne de procédés de culture de cellules CHO (Chinese Hamster Ovary) en bioréacteur, basées sur l'utilisation de trois types de spectroscopies in situ (diélectrique, Raman, proche infrarouge(NIR)). Le premier chapitre présente une nouvelle démarche permettant de prédire en temps réel l'état physiologique des cellules, au travers de la vitesse spécifique de croissance cellulaire (μ). A partir de la mesure en ligne de la permittivité grâce à la spectroscopie diélectrique, la µ a été calculée en temps réel, permettant de détecter le moment critique correspondant au moment où μ diminue. Comparée à une démarche hors ligne, l'utilisation de cette méthode pour le pilotage de cultures en mode recharge-récolte, permet d’assurer à la fois la quantité et la qualité de glycosylation des AcM. Le second chapitre aborde l'utilisation des spectroscopies NIR et Raman in situ combinées à des méthodes chimiométriques. Les performances de ces deux spectroscopies ont été comparées en parallèle. Des modèles en ligne ont été développés pour prédire la concentration de différents paramètres (cellules viables, glucose, lactate, glutamine, ions ammonium, anticorps). L'évaluation de ces modèles par facteurs de mérite (FOM), a révélé certains avantages de la spectroscopie Raman. La combinaison de ces deux spectroscopies par diverses stratégies de fusion de données a été également évaluée. Dans le troisième chapitre, l'intérêt de la spectroscopie Raman a été démontré pour le suivi en ligne, non seulement, de la concentration, mais aussi, de la glycosylation des AcM. Des modèles ont été développés pour la prédiction en ligne, à la fois, de la macro-hétérogénéité (sites de glycosylation), et de la micro-hétérogénéité (structures glycanniques) de la glycosylation des AcM dans le cas de cultures en mode discontinu et recharge-récolte. Le dernier chapitre a utilisé les spectroscopies NIR et diélectrique, en les intégrant à un « capteur logiciel » combinant des équations de bilans de matière. Ce « capteur logiciel », mis en œuvre au cours d'une culture en mode semi-continu pour le contrôle automatique du débit d'alimentation, a conduit à une augmentation de la productivité du procédé ainsi qu'à une meilleure glycosylation des AcM produits
Bioprocesses of mammalian cell culture have become essential for the production of therapeutic recombinant proteins, such as monoclonal antibodies (mAb). However, the physiological state of the cells and the quality of the mAb produced, in particular their glycosylation, may vary during the process, and may lead to the alteration of the safety and efficacy of the final product. Consequently, the Process Analytical Technology (PAT) initiative has encouraged the development of online monitoring techniques, with the aim to better control the process and ensure the quality of the final product. In this context, this thesis proposes innovative approaches for online monitoring of CHO (Chinese Hamster Ovary) cells bioreactor cultures, by using three types of in situ spectroscopic measurements (dielectric, Raman, near infrared (NIR)). The first chapter presents a novel approach to predict in real-time one of the major cell physiological state parameters, the specific growth rate (µ). Based on online permittivity measured by in situ dielectric spectroscopy, the cell concentration was estimated and µ was calculated in real-time, making possible to detect the critical moment when µ begins to decrease significantly. Compared to an offline approach, this online approach allowed to maintain the cells in a stable physiological state, ensuring the glycosylation of the mAb produced in feed-harvest cultures. The second chapter shows the use of in situ NIR and Raman spectroscopies combined with chemometric methods. For the first time, the performances of these two spectroscopies were compared in parallel in the same cultures. Online models were developed to predict in real-time the concentration of different parameters (viable cells, glucose, lactate, glutamine, ammonium ions and antibodies). The evaluation of these models by the multivariate Figures of Merit (FOM) revealed some of the advantages of Raman spectroscopy. The combination of the two spectroscopies by various data fusion strategies has also been evaluated. In the third chapter, the interest of Raman spectroscopy for the online monitoring of both the quantity and the glycosylation of the mAb was demonstrated. Models were developed for online prediction of both macroheterogeneity (glycosylation site occupancy) and microheterogeneity (glycan structures) of mAb glycosylation in batch and feed-harvest cultures. The last chapter used models previously developed for NIR and dielectric spectroscopies, to integrate into a “soft sensor” by combining with cell metabolic and mass balance equations. This “soft sensor”, implemented in a fed-batch cell culture for the automatic control of the feed rate, leads to an increased mAb productivity and better mAb glycosylation

La supervision est l'ensemble des outils et méthodes qui permettent de conduire des installations industrielles tant en fonctionnement nonnal qu'en présence de défaillances. Les méthodes de surveillance à base de modèle représentent une activité essentielle de la supervision. Dans ce domaine les procédures classiques génèrent des fausses alarmes en raison de la présence d'erreurs dues aux bruits des mesures, les erreurs étant amplifiées à cause du calcul de la dérivée quand celle-ci existe. Le travail de recherche développé, permet de générer des alarmes robustes en tenant compte des incertitudes de mesure, de modélisation et des paramètres. L'approche à base des Suites de Bandes Temporelles (SBTs) proposée, appelée méthode SBTs, est déjà appliquée au diagnostic des circuits électroniques. Elle consiste à avoir les résidus sous une forme bien définie, afin d'éliminer les dérivées et donc de les évaluer plus sûrement. Une SBT représente un encadrement polynomial par morceaux couplant temps et intervalle des valeurs. Elle est destinée à représenter la variation des quantités dans le temps. Le travail proposé consiste à étendre cette approche pour les composants en génie des procédés définis par des modèles complexes (en raison de couplages des variables et de la nature des paramètres) et dont l'obtention de SBTs nécessite des transformations pour obtenir la forme des résidus souhaitée. Cette recherche est finalisée, par la mise en oeuvre d'un logiciel pour l'automatisation des procédures de génération des SBTs et des alannes, et validée par des applications industrielles.

Les bioprocédés industriels mettant en œuvre la culture de cellules animales sont devenus incontournables pour la production d’anticorps monoclonaux (AcM). Cependant, l'état physiologique des cellules et la qualité des AcM produits, en particulier leur glycosylation, sont tributaires des variations intervenant au cours du procédé. Il en découle des risques d'altération de l'efficacité et de la sûreté des AcM. C'est pourquoi, depuis quelques années, l'initiative Process Analytical Technology (PAT) encourage le développement du suivi en ligne de ces procédés, avec l'objectif de mieux les maîtriser et d'assurer la qualité finale des produits. Dans ce contexte, cette thèse propose des approches innovantes pour le suivi en ligne de procédés de culture de cellules CHO (Chinese Hamster Ovary) en bioréacteur, basées sur l'utilisation de trois types de spectroscopies in situ (diélectrique, Raman, proche infrarouge(NIR)). Le premier chapitre présente une nouvelle démarche permettant de prédire en temps réel l'état physiologique des cellules, au travers de la vitesse spécifique de croissance cellulaire (μ). A partir de la mesure en ligne de la permittivité grâce à la spectroscopie diélectrique, la µ a été calculée en temps réel, permettant de détecter le moment critique correspondant au moment où μ diminue. Comparée à une démarche hors ligne, l'utilisation de cette méthode pour le pilotage de cultures en mode recharge-récolte, permet d’assurer à la fois la quantité et la qualité de glycosylation des AcM. Le second chapitre aborde l'utilisation des spectroscopies NIR et Raman in situ combinées à des méthodes chimiométriques. Les performances de ces deux spectroscopies ont été comparées en parallèle. Des modèles en ligne ont été développés pour prédire la concentration de différents paramètres (cellules viables, glucose, lactate, glutamine, ions ammonium, anticorps). L'évaluation de ces modèles par facteurs de mérite (FOM), a révélé certains avantages de la spectroscopie Raman. La combinaison de ces deux spectroscopies par diverses stratégies de fusion de données a été également évaluée. Dans le troisième chapitre, l'intérêt de la spectroscopie Raman a été démontré pour le suivi en ligne, non seulement, de la concentration, mais aussi, de la glycosylation des AcM. Des modèles ont été développés pour la prédiction en ligne, à la fois, de la macro-hétérogénéité (sites de glycosylation), et de la micro-hétérogénéité (structures glycanniques) de la glycosylation des AcM dans le cas de cultures en mode discontinu et recharge-récolte. Le dernier chapitre a utilisé les spectroscopies NIR et diélectrique, en les intégrant à un « capteur logiciel » combinant des équations de bilans de matière. Ce « capteur logiciel », mis en œuvre au cours d'une culture en mode semi-continu pour le contrôle automatique du débit d'alimentation, a conduit à une augmentation de la productivité du procédé ainsi qu'à une meilleure glycosylation des AcM produits
Bioprocesses of mammalian cell culture have become essential for the production of therapeutic recombinant proteins, such as monoclonal antibodies (mAb). However, the physiological state of the cells and the quality of the mAb produced, in particular their glycosylation, may vary during the process, and may lead to the alteration of the safety and efficacy of the final product. Consequently, the Process Analytical Technology (PAT) initiative has encouraged the development of online monitoring techniques, with the aim to better control the process and ensure the quality of the final product. In this context, this thesis proposes innovative approaches for online monitoring of CHO (Chinese Hamster Ovary) cells bioreactor cultures, by using three types of in situ spectroscopic measurements (dielectric, Raman, near infrared (NIR)). The first chapter presents a novel approach to predict in real-time one of the major cell physiological state parameters, the specific growth rate (µ). Based on online permittivity measured by in situ dielectric spectroscopy, the cell concentration was estimated and µ was calculated in real-time, making possible to detect the critical moment when µ begins to decrease significantly. Compared to an offline approach, this online approach allowed to maintain the cells in a stable physiological state, ensuring the glycosylation of the mAb produced in feed-harvest cultures. The second chapter shows the use of in situ NIR and Raman spectroscopies combined with chemometric methods. For the first time, the performances of these two spectroscopies were compared in parallel in the same cultures. Online models were developed to predict in real-time the concentration of different parameters (viable cells, glucose, lactate, glutamine, ammonium ions and antibodies). The evaluation of these models by the multivariate Figures of Merit (FOM) revealed some of the advantages of Raman spectroscopy. The combination of the two spectroscopies by various data fusion strategies has also been evaluated. In the third chapter, the interest of Raman spectroscopy for the online monitoring of both the quantity and the glycosylation of the mAb was demonstrated. Models were developed for online prediction of both macroheterogeneity (glycosylation site occupancy) and microheterogeneity (glycan structures) of mAb glycosylation in batch and feed-harvest cultures. The last chapter used models previously developed for NIR and dielectric spectroscopies, to integrate into a “soft sensor” by combining with cell metabolic and mass balance equations. This “soft sensor”, implemented in a fed-batch cell culture for the automatic control of the feed rate, leads to an increased mAb productivity and better mAb glycosylation

Ce travail de recherche met en avant l'intérêt qu'offre la simulation en ligne comme outil d'aide à la décision, outil centré sur le pilotage d'atelier vis-à-vis d'événements se produisant en temps réel et pour un horizon à très court terme. Après avoir présenté le contexte général du pilotage des systèmes de production, nous avons étudié les outils existants et utilisés industriellement pour l'exploitation de la production, de même que les outils d'aide au pilotage permettant d'assurer le respect optimal des objectifs fixés. Après un travail préalable sur la simulation hors ligne, nous proposons de coupler un outil de simulation en ligne à un outil d'exécution d'atelier de type MES afin de piloter en temps réel le processus de production. Une démarche de modélisation faisant appel de façon complémentaire à deux approches, analytique et simulatoire, est finalement mise en place. Nous mettons en exergue l'utilisation de la simulation de flux en ligne pour aider au pilotage d'un processus opérationnel. Ainsi nous modélisons le processus de pilotage en temps réel afin de décrire les fonctions requises. Pour cela, nous utilisons différentes stratégies d'utilisation des simulateurs en ligne pour le pilotage, avec un ou deux modèles et avec plusieurs méthodes d'utilisation de ces modèles. La simulation en ligne apporte alors des informations objectives sur les conséquences à court terme d'un événement, ainsi que sur les divers scenarii de correction envisagés. Pour mieux convaincre les industriels de l'intérêt de la simulation en ligne, nous présentons des solutions pratiques aux spécifications et besoins énoncés précédemment en nous appuyant sur une plate-forme expérimentale
This research work highlights the interest of online simulation as a decision support tool. This tool is focused on workshop control in relation with real time and short-term events. Online simulation enables to analyze and compare scenarios affecting the production, such as failures or unexpected orders. Moreover online simulation allows a very short term projection in the future in order to quantify the consequences of some unexpected event: we call it projection simulation. Finally, online simulation is helpful to choose the solution that will reduce the impact of a critical event, through the simulation of several scenarios. To conclude, online simulation is one the most interesting decision support tool in workshop piloting. However, there are few industrial applications in manufacturing systems. The first part of this research work introduces the overall context of production system management. The different generic functions of controlling the production, the modes of piloting and the evolutions of workshop are detailed. We also explain piloting typologies according to their reactivity. In the second part, we study the existing software tools used in industry for the operation of production, and support tools that ensure optimal compliance in regard to the objectives. After a preliminary work on the offline simulation, we propose to couple an online simulation tool with a type MES delivery tool in order to control the production process in real time. A modeling approach using two complementary approaches, an analytical one and simulation, is then introduced. The objective of the third part is to emphasize the use of online flow simulation to assist in operating a production process. Thus we model the process in real time to describe the required functions. Therefore we try out different strategies of use of online simulators, through one or two models and several methods of using these models. Online simulation then provides realistic information on the short-term consequences of an event, as well as on the different ways of correcting the scenarios. To convince industry of the relevance of online simulation, the fourth part presents practical solutions to the specifications and requirements previously stated. An experimental platform helped us validate the concept of online simulation as piloting support tool, but also underline the difficulties of development

La supervision automatique des processus industriels permet d'accroître la productivité et de diminuer le coût d'entretien. Le diagnostic est une composante principale d'un module de supervision. Il existe plusieurs approches pour réaliser le diagnostic. Les performances de chaque approche dépendent du problème posé. Nous cherchons une méthode de diagnostic capable de résoudre les problèmes suivants :
- dans une base de connaissance incomplète, tous les modes de fonctionnement ne sont pas représentés. En conséquence, un module de diagnostic doit être adaptatif afin d'inclure à sa base de connaissance les nouveaux modes dés qu'ils apparaissent,
- lorsque le système évolue vers un mode anormal ou non désiré, il est nécessaire d'anticiper cette évolution plutôt que d'attendre d'arriver à ce mode afin d'éviter ses conséquences surtout s'il est dangereux. Le module de diagnostic doit donc être prédictif,
- dans le cas d'un système évolutif, la base de connaissance doit être enrichie grâce à l'information apportée par les nouvelles observations. Cet enrichissement doit être réalisé en temps réel,
- les données sont à la fois incertaines et imprécises.
L'objectif principal de ma thèse consistait à mettre au point un module de diagnostic en temps réel adaptatif et prédictif pour des systèmes évolutifs, en utilisant les techniques de Reconnaissance des Formes, la théorie des ensembles flous et la théorie des possibilités. Ce module a été appliqué sur plusieurs applications industrielles.

Le déploiement d'une infrastructure de supervision permet une gestion plus intelligente des réseaux de distribution d'électricité comparé à un renforcement traditionnel pour répondre aux nouveaux enjeux de la maitrise de l'énergie (Consommations, EnR, VE, ...). Pour acheminer les données, les Courants Porteurs en Ligne (CPL) possèdent un atout majeur. En effet, cette technologie permet de superposer un signal de plus haute fréquence au signal électrique 50/60 Hz. Toutefois, le support de transmission est difficile et non maîtrisable. Ces travaux de recherche ont pour objectif d'apporter une contribution à cette problématique par l'élaboration d'une plateforme de simulation des réseaux pour des fréquences allant jusqu'à 1 MHz dans un but de transmission de données. Des éléments clés des réseaux sont traités de façon séparés puis assemblés pour estimer les performances des CPL « Outdoor » actuels. La variation du comportement des réseaux en fonction du temps et de la fréquence, en particulier des perturbations en tête d'installation clients sur 24h est étudiée. Les transformateurs entre les réseaux HTA et BT sont modélisés sous la forme d'un « modèle à constantes localisées » et d'un « modèle boite noire ». Les deux modèles sont appliqués sur un transformateur H61 100 kVA. Par la suite, une modélisation des câbles de distribution est proposée sous forme d'un « modèle cascadé ». Celle-ci est appliquée sur un câble souterrain BT. Chaque modèle est obtenu à l'aide de mesures d'impédances, et validé par des mesures de transmissions. Pour compléter, une étude préliminaire sur les communications radio mobile est réalisée pour la supervision des réseaux de distribution
Establishing a supervisory infrastructure allows a better smart management than an expensive strengthening of distribution network to respond to new constraints at the energies control (Consumption, REN, EV ...). To transmit data, Power Line Communication (PLC) technologies present an advantage in this context. In fact, it enables a superposition of High Frequency (HF) signals on electrical signal 50/60 Hz. However, electric networks have not been developed to this application because of difficult propagation conditions. This research work makes a contribution to develop a simulation platform in objective to transmit data to 1 MHz. In first time, each network element is studied singly and in second time, together, to estimate "Outdoor PLC" transmission performance. The first element studied is the networks variation in function of frequency and time. Several 24h disturbance measurements on LV customers are presented. The second element is the transformers which established connection between Medium Voltage (MV) and Low Voltage (LV). The proposed modeling method is based on a "lumped model" and a "black box model". These models are applied to a 100 kVA H61 transformer most commonly used by French distribution system operator in rural and suburban networks. The third element is the power line used in MV and LV networks. The proposed modeling method is based on a "cascaded model" from the theory of transmission line. This model is applied to one power line used in LV underground network. Each model is obtained from various impedance measurements. To complete, an introductory study on mobile radio communication is performed to remote network distribution

Un des objectifs de la recherche en biotechnologie et de la production industrielle réside dans la détermination des conditions optimales pour la production d'un métabolite. Pour avoir des performances optimales, la supervision en ligne de la croissance cellulaire est primordiale. Dans ces travaux de thèse nous présentons l'analyse d'images microscopiques de cellules afin de déterminer les caractéristiques de chaque cellule, à partir de la détection de leurs contours. La détection des contours joue un rôle primordial et a été résolue par les contours actifs. L'initialisation et l'évolution du modèle à l'intérieur des zones concaves des cellules bourgeonnantes sont des tâches difficiles. Elles ont été résolues par l'analyse de l'énergie image. Différente méthodes ont été comparées afin de différencier les cellules : les méthodes floues, la transformé en ondelette et l'analyse de la courbure. Le problème de la détection des paramètres morphométriques se traduit par un problème de détection d'ellipses dans une image. L'approximation du contour de la cellule par un modèle ellipsoïdal est réalisée par une méthode de moindres carrés sous contraintes qui a été comparée à la transformée de Hough, et aux algorithmes génétiques. Ce système de supervision de la population microbienne a constitué le moteur d'un logiciel de traitement et d'analyse d'images.

Bien qu'il existe une abondante littérature scientifique sur les infirmières praticiennes spécialisées de première ligne (IPSPL), le soutien et les modalités d’encadrement de cette pratique restent très peu explorés. Au Québec, ces questions semblent d’autant plus importantes à étudier car la diversité des milieux de pratique, l’éloignement physique entre les acteurs-clés, le partage de l’encadrement et le cadre légal complexifient l’opérationnalisation de ce soutien. Par le biais d’une étude de cas multiples, ce mémoire propose une analyse des différentes structures d’encadrement et des mécanismes déployés pour soutenir le développement de la pratique IPSPL au Québec. Issu d’un projet de recherche plus large et multicentrique, ce mémoire de maîtrise a étudié trois milieux distincts par le biais de 18 entrevues auprès de professionnels de la santé et de gestionnaires. Grâce à un modèle en trois niveaux, les besoins en termes de soutien des IPSPL et des équipes ont été identifiés. Les principaux résultats de cette recherche démontrent la pertinence d’un encadrement par les acteurs de la Direction des soins infirmiers. De plus, le soutien aux professionnels des équipes qui incluent des IPSPL semble bonifié lorsque certaines structures organisationnelles sont présentes. Finalement, les comités décisionnels autour de l’implantation des IPSPL s’avèrent davantage bénéfiques lorsqu’ils tiennent compte de l’environnement et de l’expérience acquise par les milieux.
Although there is an abundant literature on primary health care nurse practitioners (PHCNP), the optimal structures and practices to support PHCNPs remain largely unexplored. In Quebec, this issue needs particular attention because of practice settings diversity and physical distance between major key players. Furthermore, the supervision role that seems to be shared by multiple professionals and the legal framework add to the complexity of the implementation of support structures and practices. Through a multiple case study, this paper aimed to explore the managerial structures in place and to analyze the mechanisms deployed to support the development of PHCNP practice. Issuing from a larger scale multicenter research, this study analyzed three separate cases, totaling 18 interviews with health professionals and managers. Based on a three levels model built on the central concept of support, the needs of PHCNP and their teams have been identified. The main results of this research demonstrate the relevance of supervision by the key players of the Department of Nursing. In addition, the coordination between professionals seems enhanced when some organizational structures are implemented. Finally, decision-making committees linked to the implementation of PHCNP appear to be more useful when the environment and experience of the organizations are taken into consideration.