Дисертації з теми "Modèle de filtration"

Cette étude cherche à évaluer le Débit de la Filtration Glomérulaire (DFG) dans le rein humain par IRM. L'estimation de ce paramètre quantitatif nécessite le suivi de la cinétique intrarénale de Gd après son injection en bolus. Pour atteindre cet objectif, nous avons développé sous IDEA Siemens une séquence SR-FLASH strictement pondérée en T1 capable de suivre en dynamique l'évolution du signal RMN après l'injection d'un bolus de produit de contraste. Cette séquence possède un codage de phase centré permettant de déterminer le contraste au début de la période d'acquisition de l'image. Nous avons également mis en oeuvre une séquence d'inversion IR-FLASH (avec codage de phase centré) permettant la mesure de la relaxation longitudinale en l'absence de produit de contraste, ce paramètre étant indispensable à la conversion de l'intensité du signal en concentration. Sachant que la relation entre l'intensité du signal RMN et la concentration de Gd n'est pas linéaire, nous avons proposé deux méthodes originales et malgré tout rapides et robustes pour convertir le signal RMN en concentration locale de Gd. Ceci nous a permis d'évaluer l'évolution de la concentration dans les deux reins et dans l'aorte au cours des premiers passages du produit. L'ajustement des ces mesures de concentration sur les équations décrivant une modélisation bicompartimentale de la fonction rénale a permis de calculer le DFG de chaque rein dans une population de cinq sujets possédant un fonctionnement rénal normal
This study seeks to assess the Glomerular Filtration Rate (GFR) in the human kidney by MRI. To quantitatively estimate this parameter requires monitoring of the intrarenal kinetics of Gd after its bolus injection. To achieve this goal, we have developed under IDEA Siemens a SR-FLASH T1-weighted MRI sequence which can follow dynamic NMR signal changes after a bolus injection of Gd. This sequence has a centric phase-encoding scheme, and thus the image contrast was determined at the beginning of the acquisition period. Subsequently, we have implemented an IR-FLASH (with centric phase-encoding scheme) sequence to measure the longitudinal relaxation time in the absence of any injection of Gd ; this parameter is required to convert NMR signal intensities into Gd concentrations. knowing that the relation between the NMR signal intensities and the Gd concentrations is not linear, we have proposed two novel methods and yet fast and robust for conversion of the NMR signal intensities into local Gd concentration. This allowed us to estimate the temporal evolution of Gd concentrations in both kidneys and aorta. The fit of these concentrations measurements by a two-compartments model describing the function of the kidney allowed us to calculate the GFR of each kidney in a population of five subjects with normal renal function

Après avoir mis au point une méthode d'identification et de quantification des triglycérides du beurre, un modèle de variation naturelle (saison et terroir) reliant la texture du produit à sa composition a pu être établi. Quatre groupes de triglycérides ont été identifiés comme étant des éléments déterminants de la variation naturelle de la fermeté du beurre. En tenant compte des résultats obtenus, deux procédés de modification de la texture ont été étudiés, procédés compatibles avec la conservation de l'image légale et traditionnelle du beurre: tout d'abord, une technique classique, fondée sur l'application de traitements thermiques à la crème avant barattage a été testée. Un phénomène d'inversion de la réponse au traitement a été mis en évidence, montrant l'existence d'une étroite liaison entre la composition triglycéridique et l'effet relatif d'un traitement thermique sur la texture du produit fini. Le second procédé fait appel à une technique de modification de la composition par la mise en œuvre d'une séparation membranaire. Cette étude constitue une première approche du phénomène de partition sur membrane hydrophobe de particules elles-mêmes hydrophobes. Sur un dispositif à percolation, les résultats montrent l'existence de seuils de coupure différents en fonction du taux de saturation des molécules triglycéridiques. En filtration tangentielle, les essais font apparaitre la superposition d'un phénomène d'adsorption préférentielle et d'un phénomène de filtration. Dans tous les cas, une différenciation des taux de matières grasses solides a été observée entre le perméat et le rétentat

La modélisation du transport de matière à travers une structure microporeuse chargée constitue une étape indispensable à la compréhension de la sélectivité d'une membrane de nanofiltration. Dans ce travail, un modèle reposant sur l'équation étendue de Nernst-Planck pour décrire le transport et l'équation de Donnan modifiée pour décrire l'exclusion électrique-stérique des espèces est développé. Outre l'analyse théorique des phénomènes de transport, le modèle permet de relier les propriétés électriques et structurales d'une membrane au taux de rejet de solutés. Le rayon de pore (rp) et la charge volumique (X) de membranes ont pu être déduits de la modélisation des taux de rejets de solutés neutres et ioniques. La confrontation des valeurs de X et de rp à celles déduites de mesures indépendantes ne permet pas de conclure définitivement quant à la validité du modèle. Les résultats mettent en évidence un phénomène de régulation de charge intervenant à l'intérieur des pores de la membrane
Modeling of the matter transport through a charged microporous medium is a necessary step to understand and control the selectivity of a nanofiltration membrane. In this work, a model based on the application of the extended Nernst-Planck equation and the assumption of a modified Donnan equilibrium at both membrane/solution interfaces is developed. Besides the analysis of transport mechanisms, the model allows to relate a membrane's microscopic structural and charge properties to the solute retentions. The effective pore radius (rp) and effective volume charge (X) of nanofiltration membranes could be then determined by fitting the experimental retention of neutral and charged solutes. The comparison of the predicted values of the membrane X and rp with those determined from independent measurements does not allow to conclude definitively on the validity of the model. Results show that a charge regulation phenomenon occurs inside the membrane pores

Cette thèse avait pour but d'illustrer l'intérêt de méthodes statistiques avancées lorsqu'on s'in­ téresse aux associations entre différents facteurs et la progression de la maladie rénale chronique (MRC). Dans un premier temps, une revue de la littérature a été effectuée alin d'identifier les méthodes classiquement utilisées pour étudier les facteurs de progression de la MRC ; leurs limites et des méthodes permettant de mieux prendre en compte ces limites ont été discutées. Notre second travail s'est concentré sur les analyses de données de survie et la prise en compte de la censure par intervalle, qui survient lorsque l'évènement d'intérêt est la progression vers un stade spécifique de la MRC, et le risque compétitif avec le décès. Une comparaison entre des modèles de survie standards et le modêle illness-death pour données censurées par intervalle nous a permis d'illustrer l'impact de la modélisation choisie sur les estimations à la fois des effets des facteurs de risque et des probabilités d'évènements, à partir des données de la cohorte NephroTest. Les autres travaux ont porté sur les analyses de données longitudinales de la fonction rénale. Nous avons illustré l'intérêt du modèle linéaire mixte dans ce contexte et présenté son extension pour la prise en compte de sous-populations de trajectoires de la fonction rénale différentes. Nous avons ainsi identifier cinq classes, dont une avec un déclin très rapide et une autre avec une amélioration de la fonction rénale au cours du temps. Des perspectives de travaux liés à la prédiction permettent enfin de lier les deux types d'analyses présentées dans la thèse
The objective of this thesis was to illustrate the benefit of using advanced statistical methods to study associations between risk factors and chrouic kidney disease (CKD) progression. In a first time, we conducted a literature review of statistical methods used to investigate risk factors of CKD progression, identified important methodological issues, and discussed solutions. In our sec­ ond work, we focused on survival analyses and issues with interval-censoring, which occurs when the event of interest is the progression to a specifie CKD stage, and competing risk with death. A comparison between standard survival models and the illness-death mode! for interval-censored data allowed us to illustrate the impact of modeling on the estimates of both the effects of risk factors and the probabilities of events, using data from the NephroTest cohort. Other works fo­ cused on analysis of longitudinal data on renal function. We illustrated the interest of linear mixed mode! in this context and presented its extension to account for sub-populations with different trajectories of renal function. We identified five classes, including one with a strong decline and one with an improvement of renal function over time. Severa! perspectives on predictions bind the two types of analyses presented in this thesis

Membrane filtration is a simple concept for water purification: water containing particulate contaminants is forced through a semi-permeable membrane that rejects the particulates leaving clean water to flow out. Nevertheless, there are many complex features of membrane filtration, the most important of which is the accumulation of the particulates at the membrane surface. This leads ultimately to fouling of the membrane and a reduction in the efficiency of the process. Concentration polarization is the precursor of fouling, that is, a high concentration of contaminants develops in front of the membrane without the contaminants attaching to each other or the membrane surface. However, several types of acute membrane fouling develop from the layer formed in concentration polarization, including internal fouling, pore blocking and caking. Addressing these and related problems has been at the forefront of membrane research since the process' inception. In this thesis we develop mathematical models of aspects of crossflow and directflow filtration operating at constant flux. We begin by addressing questions related to the initial stages of concentration polarization in crossflow systems. In particular, we study the influence of particulates on the viscosity of the filtrate, and show how the filtration efficiency may be improved by tailoring the wall permeability to reduce the effects of osmosis. We then address the development of membrane fouling and caking in directflow systems: the transmembrane pressure difference, the possibility of elastic deformations during filtration, and the influence of these on the development of fouling and caking are all considered. We show that even small elastic effects can worsen fouling and suggest how the process can be operated to avoid this. We then discuss further opportunities for mathematical modelling in this area.

Pour évaluer la déformabilité érythrocytaire qui est un facteur important du comportement rhéologique du sang au niveau de la microcirculation, il existe plusieurs techniques. Parmi ces techniques, on distingue celle de mesure du temps de transit des globules rouges a travers des micropores. Cette technique de filtration permet d'étudier la variation de la conductance électrique du filtre à travers lequel passent les globules rouges considérés comme particules non conductrices. Afin de pouvoir mieux comprendre ce phénomène, un modèle théorique approprié à été mis au point pour valider la méthode utilisée et interpréter qualitativement et quantitativement les résultats expérimentaux obtenus. Par ailleurs, un nouveau système l'analyseur des impulsions électriques générées par le passage des cellules à travers des micropores a été développé. Ce système, rapide et convivial à l'utilisateur, présente plusieurs possibilités de réglages des paramètres expérimentaux. L'analyse du signal acquis permet l'étude de la forme des impulsions électriques qui portent une information intéressante sur le passage des globules rouges et sur les phénomènes d'entrée et de sortie du pore. De plus, le système offre la possibilité d'étudier par analyse statistique la distribution des cellules vis à vis des paramètres mesures et de détecter les éventuelles sous populations globulaires dont la présence est très importante surtout dans les cas pathologiques. La modélisation théorique aide à définir certains paramètres indispensables à la détection et à l'interprétation de la forme des impulsions obtenues par le nouveau système. Les différentes expériences réalisées permettent d'illustrer les possibilités offertes par le nouveau système et aussi de confronter les valeurs théoriques avec les résultats expérimentaux.

Cette thèse traite des problèmes associés à la théorie de grossissement de filtration. Elle est divisée en deux parties.La première partie est consacrée aux temps aléatoires. On étudie les propriétés des différentes classes de temps aléatoires du point de vue du grossissement de la filtration.La deuxième partie concerne l'étude de la stabilité de condition d'arbitrage sur le grossissement de la filtration. On se concentre sur la condition no unbounded profit with bounded risk. Dans un premier temps, on étudie l'absence d'arbitrage dans le cas de grossissement progressif avec un temps aléatoire. Puis on regarde le grossissement initial avec une variable aléatoire qui vérifie l'hypothèse de Jacod
This thesis treats the problems settled in elargement of filtration theory. It consists of two parts.The first part is devoted to random times. We study the properties of different classes of random times from enlargement of filtration point of view.The second part concerns the study of the stability of the non-arbitrage condition under anlargement of filtration. We are mainly interested in no bounded profit with bounded risk condition. We study absence of arbitrage in the case progressive enlargement up to random time. Then we look at the case of initial enlargement with random variable satisfying Jacod's hypothesis

Dans un contexte environnemental, l'industrie laitière se doit de trouver de nouvelles solutions pour traiter ces eaux de procédés qui, bien que non toxiques, ont un fort pouvoir polluant du fait des pertes en matière première (lactose, protéines du lait). Les procédés membranaires sont bien adaptés à ce type d'application. Nous avons effectué des études en nanofiltration et osmose inverse afin de produire une eau réutilisable au sein même de l'usine ou qui puisse être rejetée dans le milieu naturel suivant des normes de rejets strictes. Ces études, réalisées sur des systèmes vibrants et rotatifs évitant le colmatage des membranes et donc maintenant leurs performances en termes de flux et de rétentions, ont permis, en nanofiltration, d'obtenir une eau rejetable, alors que les systèmes classiques de filtration tangentielle ne le permettent pas, et d'atteindre, en osmose inverse, des caractéristiques spécifiques de réutilisation (eau de chaudière par exemple)
Ln an environmental context, the dairy industry must find new solutions to treat this process waters which, although not toxic, have a strong polluting capacity because of the raw material losses (lactose, milk proteins). The membrane processes are weIl adapted to this type of application. Studies were carried out in nanofiltration and reverse osmosis in order to produce a reusable water or water which can be rejected into the natural environment according to rejection standards. These studies, carried out on vibrating and rotating systems avoiding the fouling of membranes and thus maintaining their performances in terms of fluxes and retentions, have permitted, in nanofiltration, to obtain a rejectable water, whereas the classical crossflow systems do not allow it, and to reach, in reverse osmosis, specific characteristics of reuse (boiler feed water for example)

Le champ électrique d'une puissance suffisante peut provoquer une augmentation de conductivité et perméabilité de la membrane cellulaire. L'effet est connu comme l'électroporation, attribuée à la création de voies aqueuses dans la membrane. Quantifier le transport de la matière dans le cadre d'électroporation est un objectif important. Comprendre ces processus a des ramifications dans l’extraction du jus ou l’extraction sélective des composés de cellules végétales, l'amélioration de l'administration de médicaments, et des solutions aux défis environnementaux. Il y a un manque de modèles qui pourraient être utilisés pour modéliser le transport de la matière dans les structures complexes (tissus biologiques) par rapport à l'électroporation. Cette thèse présente une description mathématique théorique (un modèle) pour étudier le transport de la matière et le transfert de la chaleur dans tissu traité par l’électroporation. Le modèle a été développé en utilisant les lois de conservation et de transport et permet le couplage des effets de l'électroporation sur la membrane des cellules individuelles au transport de la matière ou la chaleur dans le tissu. Une solution analytique a été trouvée par une simplification, mais le modèle peut être étendu avec des dépendances fonctionnelles supplémentaires et résolu numériquement. La thèse comprend cinq articles sur l'électroporation dans l'industrie alimentaire, la création de modèle pour le problème de diffusion, la traduction du modèle au problème lié à l’expression de jus, validation du modèle, ainsi que des suggestions pour une élaboration future du modèle. Un chapitre supplémentaire est dédié au transfert de la chaleur dans tissu
An electric field of sufficient strength can cause an increase of conductivity and permeability of cell membrane. Effect is known as electroporation and is attributed to creation of aqueous pathways in the membrane. Quantifying mass transport in connection with electroporation of biological tissues is an important goal. The ability to fully comprehend transport processes has ramifications in improved juice extraction and improved selective extraction of compounds from plant cells, improved drug delivery, and solutions to environmental challenges. While electroporation is intensively investigated, there is a lack of models that can be used to model mass transport in complex structures such as biological tissues with relation to electroporation. This thesis presents an attempt at constructing a theoretical mathematical description – a model, for studying mass (and heat) transfer in electroporated tissue. The model was developed employing conservation and transport laws and enables coupling effects of electroporation to the membrane of individual cells with the resulting mass transport or heat transfer in tissue. An analytical solution has been found though the model can be extended with additional dependencies to account for the phenomenon of electroporation, and solved numerically. Thesis comprises five peer-reviewed papers describing electroporation in the food industry, model creation for the problem of diffusion, translation of the model to the mathematically-related case of juice expression, model validation, as well as suggestions for possible future development, extension, and generalization. An additional chapter is dedicated to transfer of heat in tissue

Cette thèse porte sur les modèles à densité pour les temps de défaut et leur application au risque de crédit et de contrepartie. La première partie est une contribution théorique à l'étude des projections sur différentes filtrations de la densité de Radon-Nikodym, sous la forme d'exponentielle de Doléans-Dade, intervenant lors de changements de mesure. Le résultat principal est la caractérisation des changements de mesure qui préservent l'immersion, obtenue par application de nos formules de projection. La deuxième partie a pour objet une dynamisation informationnelle du modèle de copule gaussienne statique appliqué à un portefeuille de crédit, pouvant être vue comme un modèle à densité permettant de traîter de la couverture des CDO par CDS ou bien du risque de contrepartie sur les dérivés de crédit. Les principales contributions sont l'introduction de la perspective dynamique , qui permet de donner une justification théorique aux bump-sensibilités de copule gaussienne utilisées par les praticiens, et l'application aux calculs de CVA sur un CDS
This thesis is about density models of default times and applications to credit and counterparty risk. The rest part is a theoretical contribution to the study of projections on different filtrations of the Radon-Nikodym density of a measure change. The main result is a characterization of the measure changes preserving immersion in a density setup, obtained by application of our projection formulas. The second part is about an informational dynamization of the Gaussian copula model of portfolio credit risk, resulting in a density model of default times suitable to del with dynamic issues such as hedging of CDO through CDS or counterparty risk on credit derivatives. Here the main contributions are the introduction of the dynamic perspective, which allows one to give a theoretical justification to the Gaussian copula bump sensitivities used by practioners, and the application to CVA computations on CDS

A mathematical model has been developed which describes the fluid exchange from a capillary network of realistic topology, and calculates the spatial distribution of extravascular pressure. In this model, the capillaries are represented by a superposition of sources and sinks, resulting from a D'Arcy's Law description of flow in tissue of uniform fluid conductivity. The combination of this representation and Starling's Hypothesis, which relates the forces influencing transmural fluid exchange, yields an integral equation of the second kind which is solved numerically for the source strength distribution. Two important features of this approach are that: (i) it allows for interaction between the local tissue pressure field and fluid exchange (the model is called, therefore, the tissue pressure interaction model); and (ii) complex network morphologies are easily modeled. In single capillaries, this interaction, which decreases the predicted fluid exchange, increases with the magnitude of the ratio of capillary wall to extravascular fluid conductivities. For multiple capillaries, in addition to the "self" interaction of a capillary with the local extravascular pressure field, there is the possibility of interaction between capillaries ("capillary-capillary" interaction). The ratio of conductivities, and the additional factors of intercapillary distance and the number of capillaries, also affect interaction in capillary networks. Although interaction is only a weak function of intercapillary distance, it depends strongly on the number of capillaries. The major result from this work is that for the entire physiological range of conductivity ratios, interaction cannot be neglected in predicting fluid exchange. Although tissue pressure interaction affects the magnitude of fluid exchange, it does not greatly alter the pattern of extravascular flow. Therefore, previous models which neglected interaction are not invalidated by the present findings. The effect of interaction on planar capillary networks within a semi-infinite tissue space was also investigated. Flow boundary conditions were imposed at opposed planar boundaries, parallel with the capillary network. Interaction was found to decrease with decreasing distance between the boundary and plane of the capillaries. It still exerted a large effect, however, for distances greater than one-fourth the reference capillary length.

Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2010.
Cataloged from PDF version of thesis.
Includes bibliographical references (p. 50).
A new small-scale continuous linear motion pharmaceutical filtration prototype was designed, fabricated, and tested. The goal of this unit is to filter an Active Pharmaceutical Ingredient (API) from a mixture of API molecules, ethyl acetate, and possible contaminants. This unit is important in the development of a small-scale continuous pharmaceutical manufacturing process by Novartis, which would lower costs and increase product flexibility and production. A compliant blade is mounted onto a linear guide assembly and driven by a stepper motor to filter the API mixture through a porous metal filter. The mixture enters into the middle of the filtration unit; the excess ethyl acetate and dissolved contaminants are pulled through the filter by a vacuum pump, leaving the desired API molecules on the filter surface. The API is then moved across the filter by the blade to output collectors at either end. The unit itself takes up 0.03 cubic meters, an eighth of the size of the current equivalent production model. This unit has been tested to successfully filter the API from the rest of the mixture and will help determine if a rotary or linear style filtration system should be used as the final design.
by Katherine Wing-Shan Wong.
S.B.

L'objectif de ce travail est d'etudier le mecanisme de passage de macromolecules flexibles en solution a travers des systemes microporeux en regime de convection. L'etude a ete realisee avec un polyacrylamide hydrolyse (hpam) polydisperse de grande masse couramment utilise en recuperation assistee des hydrocarbures. Les experiences de filtration ont ete conduites a travers des membranes de type nuclepore comportant des pores cylindriques paralleles bien definis dont le diametre est plus petit que la dimension moyenne des macromolecules en solution. Les resultats montrent que le passage des macromolecules de rayon de giration superieur au rayon des pores s'effectue grace a la formation d'une couche d'accumulation (surconcentration en polymere) en amont de la membrane. Cette augmentation de la concentration induite par l'ecoulement de solvant entraine un confinement des chaines qui leur permet de traverser la membrane

On peut definir une methodologie de dimensionnement des essoreuses centrifuges a cycles. Proposition d'un modele mathematique fonde essentiellement sur l'equation de filtration adaptee aux filtres centrifuges. Pour caracteriser le milieu poreux on utilise une cellule de compression permeabilite (c. C. P. ) et une essoreuse de taille reduite. Cette c. C. P. Permet de donner une approche theorique de la filtration centrifuge, et peut etre un outil pour le dimensionnement des essoreuses. Il y a une bonne concordance entre le modele mathematique et les resultats experimentaux. Ce meme modele, ainsi que le programme de calcul correspondant, permettent d'optimiser un cycle d'essorage centrifuge

Les processus elementaires de la filtration ont deja ete etudies, par contre une representation mathematique de l'operation dans son ensemble n'est pas encore disponible. Ceci est du au grand nombre de parametres qui ont une influence sur l'efficacite de filtration. L'etude a porte sur trois points: 1) modelisation en ecoulement radial (qui a plusieurs applications comme l'injection d'eau pendant la recuperation secondaire du petrole et la recharge artificielle de nappe). Les modeles developpes (microscopique et macroscopique) ont ete utilises pour simuler la performance d'un filtre radial en utilisant les resultats experimentaux obtenus sur un filtre vertical, 2) modelisation du cycle entier de filtration. La plupart des modeles existants ne decrivent que l'etape initiale du murissement du filtre. L'etape de percage a ete peu etudiee, malgre son importance. Deux modeles mathematiques sont presentes. L'un est base sur l'hypothese de detachement par la contrainte de cisaillement, l'autre sur l'existence d'une valeur ultime de depot correspondant a la saturation. Les deux modeles sont verifies experimentalement. La simulation du profil de concentration est possible moyennant l'identification des coefficients caracteristiques a partir de l'experimentation, 3) prise en compte d'une structure poreuse. Ce modele est base sur une representation tridimensionnelle du milieu poreux. La simulation est faite pour differentes repartitions granulometriques des pores en utilisant l'approche de la moyenne effective

Dans un procédé de filtration, un fluide traverse une membrane (barrière sélective). Une force motrice s’applique entre les deux côtés de la membrane qui peut être un gradient de pression, température ou un potentiel électrique/chimique. Dans les procédés de filtration par un gradient de pression, certains composés du milieu fluide, traversent la membrane alors que d’autres sont retenues sur la surface membranaire. Ces procédés sont très utiles dans différents domaines de l’industrie, notamment en ce qui concerne le traitement des eaux et des effluents, biotechnologie, agroalimentaire et pharmacie. En plus les procédés de filtration offrent des installations plus compactes avec une optimisation des coûts opérationnels comparant avec des procédés traditionnels de séparation notamment distillation et cristallisation. Par ailleurs, ces procédés se réalisent en absence des additifs chimique et changement de la phase. Dans cette étude, on se focalise sur les procédés de microfiltration. L’inconvénient principal de ces procédés est l’accumulation continue de particules/molécules sur la surface de la membrane. Ceci affecte la sélectivité de la membrane, modifie la qualité et la quantité de liquide passant à travers la membrane et conduit à une augmentation des coûts et de l’énergie. Le Colmatage (encrassement) membranaire se produit dans tous les types de procédés membranaires et par conséquent est connu le principal obstacle à l’utilisation répandue de ces procédés. Différentes techniques sont utiles pour surmonter les effets de l’encrassement de la performance de la membrane: le traitement physico-chimique des membranes utilisées, la modification des conditions opératoires (flux tangentiel de la solution d’alimentation sur la surface de la membrane est souvent appliqué pour réduire au minimum l’accumulation de particules), l’utilisation de membranes moins sensibles au colmatage, etc. Tout dépendant de la nature des solutions traitées, les particules déposées sont très variables. Les micro-organismes, des matières organiques naturelles notamment les protéines, les polysaccharides, les substances humides, les oxydes inorganiques et les sels contribuent au colmatage des membranes. Dans les dernières années, un grand nombre d’études expérimentales ont été investis pour comprendre les mécanismes de colmatage. Il a été souligné que les propriétés physico-chimiques de la membrane, la chimie des solutions et les conditions opératoires sont les trois principaux facteurs influant sur les mécanismes de colmatage. En parallèle, les modèles théoriques ont été proposés pour confirmer / décrire les observations expérimentales. La modélisation du colmatage membranaire est un outil essentiel pour évaluer les mécanismes qui le causent. Il permet également prédire la performance du système de filtration et par conséquent trouver des stratégies adaptées pour empêcher la modification de la performance membranaire pendant le procédé de filtration. En général, les modèles de classifient en deux grandes catégories: les modèles de transport de masse qui se concentrent sur le transport de solutés dans le procédé de filtration, et les modèles de colmatage basés sur le blocage des particules/molécules sur la surface ou à l’intérieur de la membrane. Dans la plupart des cas, les modèles dépendent fortement des paramètres empiriques ou semi-empiriques et restent phénoménologique. 1. Avoir une meilleure compréhension des mécanismes du colmatage membranaire lors de la filtration d’un milieu liquide contenant les micro-organismes en suspension. Il est important de souligner que des eaux industrielles et des eaux usées dans plusieurs domaines appartiennent à ce type d’effluents. 2. Proposer un modèle macroscopique décrivant les mécanismes de colmatage observés. [...]
During a membrane filtration process, a liquid medium is filtered through a membrane(selective barrier). The applied driving force between two sides of the membrane can be a gradient of pressure, temperature or a chemical/electrical potential.In pressure driven filtration processes (application of a pressure gradient as driving force between two sides of the membrane), certain components of the liquid medium pass through the membrane, while others are retained at the membrane surface. These processes are widely used as separation techniques in different industrial fields like waste water treatment, biotechnology, food and pharmacy. Compared to conventional techniquesof separation (distillation, crystallization, ...), membrane processes offer more compact installations with more optimized operational costs. Moreover, membrane processes are mainly performed in absence of chemical additives and phase change. In this work we focus on the pressure-driven microfiltration membrane processes.The main disadvantage of these processes is the continuous accumulation of particles on the membrane surface. This affects the membrane selectivity, modifies the quality and the quantity of the liquid passing through the membrane and leads to an increase of energy costs. Membrane fouling occurs in all types of membrane processes and therefore is known as the major obstacle for widespread use of these processes. Different techniques are used to overcome the effects of fouling on the membrane performance : physical-chemical treatment of used membranes, modification of the operational conditions (tangential flow of the feed solution to the membrane is often applied for minimizing the particle accumulation to the membrane surface), use of membranes less susceptible to fouling, etc. Depending on the nature of the treated solutions, the deposited particles are highly variable. Microorganisms, natural organic matter such as proteins, polysaccharides, humid substances, inorganic oxides and salts contribute notably to membrane fouling.It should be noted that membrane fouling problem is a multi-physics (hydrodynamics,mass transport, physics, chemistry), multi-scale (different length scales are involved:molecules, pores and membrane surface) and time dependent (evolution of the membrane microstructure and the molecule-surface interactions) phenomena.In the last decades, a huge number of experimental studies have been invested to understand fouling mechanisms. It has been pointed out that membrane physicochemical properties, solution chemistry and operational conditions are the three major factors affecting the fouling mechanisms. In parallel, theoretical models have been proposed to confirm/describe the experimental observations.Modeling of membrane fouling is an essential tool for assessing the fouling mechanisms. It helps predicting the membrane performance and consequently finding adapted strategies to prevent their modification during the filtration process.In general, the models can be classified into two main categories: mass transport models which focus on solute permeation during the filtration process, and fouling models based on particle or solute blocking within the membrane porous structure. In most of the cases, models depend strongly on the empirical or semi-empirical parameters and thus remain phenomenological. Two main objectives have been set for the present work: 1. Get a better understanding of the membrane fouling mechanisms during filtration of a liquid medium containing suspended microorganisms. It should be pointed out that several Industrial streams and wastewaters belong to this kind of effluents.2. Propose a macroscopic model describing the observed fouling mechanisms. [...]

Abstract The filtration of pulp suspension is one of the key papermaking processes. It is measured using many kinds of analyzers and modeled using both physical and empirical mathematical expressions. The main target of this thesis was to develop an empirical mathematical model to describe the filtration of a drainage analyzer. In this work the diameter of the screen (10 cm), as well as the amount (1000 cm3), consistency (0.3%) and temperature (20 ˚C) of the sample were (about) the same as those of the Canadian Standard Freeness analyzer. The analyzer was equipped with the measurements of filtrated volume, driving pressure and filtrate consistency. The pressures from the underpressure of 80 kPa to the overpressure of 80 kPa could be used. Pulp types of SGW, PGW, TMP and chemical pulp with freeness levels from 30 to 600 ml were analyzed. A conditioner of the sample volume, temperature and consistency measurements was constructed. The error of freeness value caused by the errors of the conditioner was evaluated to be less than 1%. The equations for the calculation of the possible initial values of the controlled quantities were derived. The optically measured consistencies of the filtrates were different for different pulp types and decreased close to zero before the filtrated volume of 150 cm3. The filtration seemed to change the portion of optically active fines. In the model of this work the filtration time (t) is proportional to an experimental power of the filtrated volume (V): Ve = kt. An auxiliary constant (Ve = kt + V0e) was used during the regression analyses to overcome the disturbances and non-validity of the model in the beginning of the filtration. The correlation coefficients of the fit were higher than 0.999. The exponent 2 suggested by Darcy’s law is a special case while the exponent has also been close to 1 or 3. The curves of specific filtration resistances, based on the model and pressure measurements, were shown to change during the course of drainage and as a function of pressure additionally dependent on the pulp type. The model was successfully used to calculate freeness values and to filter noise from the measurements
Tiivistelmä Paperimassasulpun suotauttaminen on paperinvalmistuksen avainprosesseja. Sitä on mitattu monenlaisilla analysaattoreilla ja kuvattu sekä fysikaalisilla että kokeellisilla matemaattisilla malleilla. Tämän tutkimuksen päätavoite on kehittää suotautuvuusanalysaattorin kokeellista matemaattista mallia. Tutkimuksessa viiran halkaisija (10 cm) sekä näytteen määrä (1000 cm3), sakeus (0.3 %) ja lämpötila (20 ˚C) olivat suunnilleen samat kuin Canadian standard freeness –analysaattorissa. Järjestelmä mittasi suotautettua tilavuutta, suotauttavaa painetta ja suodoksen sakeutta. Suotautuspaineet olivat 80 kPa:n ali- ja ylipaineen väliltä. Testattavana oli hioketta, painehioketta ja termohierrettä sekä kemiallista massaa, joiden freeness oli 30 ml:sta 600 ml:aan. Analysaattoriin rakennettu vakiointijärjestelmä sääti näytteen sakeuden, tilavuuden ja lämpötilan niin tarkasti halutuiksi, että näiden vaihtelu ei olisi muuttanut freeness-arvoa edes prosenttia. Suureiden kehittymiselle johdettiin kaavat. Niiden avulla voidaan laskea ne näytteen arvoalueet, joilta halutut tavoitearvot voidaan saavuttaa. Optisesti mitattu suodoksen sakeus riippui massatyypistä ja hiipui lähes nollaksi ennen kuin 150 ml oli suotautettu. Suotautus muutti optisesti aktiivisen hienoaineen osuutta. Tämän työn suodoskäyrän mallissa aika (t) on verrannollinen suotautetun tilavuuden (V) kokeellisen potenssiin: Ve = kt. Mallinnuksen ajaksi lisätään apuparametri (Ve = kt+V0e), jotta suotautuksen alku ei huononna mallia. Sovituksen korrelaatiokerroin oli yli 0.999. Eksponentin arvo vaihteli vähän yli yhdestä melkein kolmeen, joten Darcyn lain mukainen eksponentin arvo 2 osoittautui erikoistapaukseksi. Mallin ja painemittauksen avulla lasketut ominaisresistanssit muuttuivat suotautuksen kuluessa ja riippuivat myös massatyypistä. Mallin avulla voitiin laskea näytteen freeness sekä suodattaa mittauskohinaa

La filtration dynamique pour laquelle les contraintes de cisaillement sont créées par le déplacement relatif d'une paroi et d'une membrane présente l'avantage de découpler la contrainte de cisaillement du débit d'alimentation, ce qui rend possible l'obtention de cisaillements élevés avec des pressions transmembranaires relativement faibles. Dans ce mémoire, nous présentons la conception et la mise au point d'un système à disque rotatif et membrane fixe que nous avons développé dans notre laboratoire sur un fluide modèle constitué par une suspension de carbonate de calcium et nous appliquons ensuite le procédé aux suspensions d'hydroxydes ferriques représentatives de certains effluents nucléaires. Une première étape consiste à déterminer les paramètres qui gouvernent ce type de filtration. Dans ce but, nous proposons une expression de la pression transmembranaire et des contraintes de cisaillement estimées à partir de considérations théoriques. Ces expressions contiennent une inconnue appelée coefficient de vitesse que nous déterminons à partir de mesures de pressions. Ces mesures nous permettent de montrer qu'une modification du de1gn du disque peut améliorer les performances du module de manière spectaculaire. Des essais sur suspensions modèles de carbonate de calcium nous ont permis de montrer l'influence des divers paramètres intervenant au cours de la filtration et de préciser la distribution du flux de perméat le long de la membrane. On montre ainsi que la partie périphérique de la membrane est la zone qui contribue le plus au débit de perméat alors que la zone centrale limite la filtration de manière importante, Les performances du module ont été testées avec succès sur des suspensions d'hydroxyde de fer avec pour objectif la réduction du volume de ces effluents.

L’homologie persistante est un outil fondamental dans la topologie computationnelle. Cette méthode est utilisée pour reconnaître et comparer les formes. Dans ce travail nous étudions d’abord l’homologie persistante dans le cas unidimensionnel d’ordre 0 qu’on appelle aussi fonction de taille. Nous présentons une démonstration du fait que toute fonction de taille peut être représentée comme un ensemble de points et de lignes dans le plan réel, avec des multiplicités. Cela permet une approche algébrique aux fonctions de taille et la construction de nouvelles pseudo distances entre les fonctions de taille pour comparer les formes. Nous calculons ensuite l’homologie persistante unidimensionnelle d’ordre n avec différentes méthodes de filtration de l’espace correspondant à l’histoire d’un complexe croissant. Nous classons un changement topologique qui se produit pendant la croissance soit comme une caractéristique ou un bruit, en fonction de sa durée de vie ou de sa persistance dans la filtration. Une présentation avec des codes barres affiche alors la persistance de ces invariants. L’homologie persistante multidimensionnelle nous permet de soutirer plus d’informations sur les formes en utilisant la fonction de filtration avec des valeurs dans [nombre réel]k. Pour fournir un descripteur de forme concis et complet dans le cas multidimensionnel nous réduisons le calcul de l’homologie persistante multidimensionnelle au calcul de l’homologie persistante ordinaire pour une famille paramétrée de fonctions à valeur dans [nombre réel].

Ce travail est une contribution au traitement mathematique de deux modeles de diffusion-convection qui rendent compte d'un certain nombre d'effets intervenant dans les procedes de filtration a travers une membrane. Le premier dit a resistance est lineaire. Le second appele modele osmotique est non lineaire. L'existence globale et l'unicite de la solution pour le modele a resistance reposent sur des arguments de compacite ainsi que sur l'injection continue de l'espace c o(0,t;l 2( l))l 2(0,t;h 1 l( l)) dans l 4(0,t;0). Pour le modele osmotique, l'existence locale en temps des solutions repose sur un theoreme de point fixe de type schauder. Apres cette analyse mathematique, des simulations numeriques sont effectuees. La discretisation en temps est etablie a l'aide de la methode d'euler implicite et celle en espace par une methode spectrale. La non linearite est traitee par un schema iteratif de type predicteur-correcteur. A partir des donnees experimentales, les simulations conduisent a de bons resultats numeriques et permettent de retrouver les profils physiques observes pour le modele osmotique.

La filtration des particules diesel est un enjeu industriel et environnemental majeur depuis la découverte des effets cancérigènes de ces particules et l'avènement des réglementations drastiques Euro IV (2005) et V (2008-2010). Le but de cette étude est de montrer la faisabilité industrielle d'une filtration de ces particules sur un support métallique fibreux plongé dans un champ électrique. Le procédé prend la forme d'un électrofiltre fil-cylindre à contre-électrode poreuse à travers de laquelle passe tout le gaz traité. Il a été montré que ce procédé pouvait avantageusement être utilisé comme agglomérateur de particules et permettait un glissement de taille d'un facteur 50 des particules diesel. Le procédé, de par sa conception originale, permet de travailler avec des temps de séjour de quelques millisecondes et avec une forte intensité énergétique, ce qui entraîne par conséquent un volume extrêmement réduit compatible avec un montage sur véhicule. Sur un plan technique, le filtre électrostatique s'est montré peu tributaire des matériaux utilisés, en terme de matrices filtrantes et d'électrodes haute tension, mais très influencé par contre par la polarité de la haute tension et la qualité de l'isolation électrique. Les derniers essais avec un montage optimisé ont permis d'obtenir des abattements minimums de 90% en nombre de la phase particulaire submicronique diesel sur cycle NEDC avec des surconsommations carburant estimées de moins de 1%, ce qui correspond à peu près à une énergie volumique de 1 Joule par litre de gaz traité. Cette étude a permis de mettre au point un modèle mathématique de l'agglomérateur intégrant les toutes dernières avancées sur les méthodes numériques de résolution des équations de Maxwell en présence de charge espace, sur la prise en compte de la turbulence et sur le traitement des particules diesel comme amas fractaux. Le procédé est actuellement dans une phase d'industrialisation très avancée
The filtration of diesel particulate matter is a major industrial and environmental stake, since the discovery of carcinogenic effects of this kind of particles and the advent of Euro IV (2005) and Euro V (2008-2010) regulations. The aim of this study is to point out the industrial practicability of filtration of this particles by a fibrous media immersed in an electric field. The global shape of this process is a wire-to-cylinder electrostatic precipitator with an porous earth collecting electrode, the whole flow passing through it. It was shown that this process is essentially an agglomerator and not a filter, and that it allows an increase by 50 of the mean diameter of particles. The process, by its completely new and original shape, allows to work with only several millisecondes of residence time. The energetic intensity is so important that the whole volume is compatible with an installation on vehicles. On a technical point of view, the efficiency of this electrostatic agglomerator depends only little on the fibrous matrices or high voltage electrodes used. It is in return very influenced by the quality of electric insulation by ceramic plugs between the canning and high voltage electrodes, and by the discharge polarity. During the last tests with a very optimised agglomerator, we obtain a decrease of 90% in number of the submicronic particulate matter (on a NEDC cycle), with a fuel over-consumption of less than 1%, which corresponds to an "volumic energy” of about 1 Joule per litre. A mathematical model of agglomerator was constructed during this study, integrating the last recent improvements in numeric simulation of Maxwell's equations in presence of space charge, integrating the particle turbulence and taking into account the fractal dimension of diesel aerosol particles. The process is nowadays in an advanced industrialisation stage

Le couplage d'un bioréacteur et d'un système de filtration tangentielle est étudié. Une modélisation approfondie du procédé a été effectuée en tenant compte des paramètres biologiques et des variables de procédé. Il a ainsi été établi un système différentiel de 28 équations à 44 variables pour un ensemble représentatif des différents types d'installations couplant bioréacteur et système membranaire. Un logiciel a été programmé en langage C et en Visual Basic sous l'environnement Windows d'un PC 386, et permet de calculer ou de visualiser l'évolution dynamique de tous les débits et concentrations intervenant dans le procédé. Grace à cet outil, nous avons comparé des données bibliographiques expérimentales et des simulations dynamiques. Des essais de fermentation continue de bière ont aussi été effectués en bioréacteur à membrane et ont été confrontés aux résultats de simulation. Cette validation de la modélisation a ainsi été conduite sur 8 cas expérimentaux (3 en fermentation alcoolique et 5 en fermentation lactique). Il en ressort que l'écart par rapport aux calculs est du même ordre de grandeur que l'erreur expérimentale. Le simulateur dynamique possède un bon pouvoir prédictif et demeure cohérent avec les résultats expérimentaux.

Ce travail concerne la caractérisation des membranes et les performances de la filtration dynamique dans un système de couette. Le permporomètre biliquide réalisé permet de caractériser des membranes de microfiltration et ultrafiltration par la distribution des dimensions de pores en nombre ou en perméabilité. Une méthode numérique a été développée pour mieux traiter les données fournies par le permporomètre gaz-liquide. Sur la membrane ainsi caractérisée, la rotation de la membrane diminue fortement le colmatage et permet d'atteindre dans certaines conditions la filtration idéale sans diminution de débit. Le flux limité observé peut être considéré comme la résultante de trois flux qui découlent de l'effet diffusionnel. La force centrifuge et le gradient radial de la contrainte de cisaillement. Lors de la filtration d'une suspension, les actions mécaniques et diffusionnelles sont également importantes. Mais, la polarisation de concentration domine la filtration d'une solution de pectine. La relation entre le flux de filtrat et les caractéristiques de la membrane, la nature de la suspension et les conditions opératoires s'exprime par deux modèles théoriques. Le transfert des particules dépend surtout de la vitesse de rotation.

Au cours du procédé d'électrodialyse avec membrane de filtration (EDMF), les peptides chargés migrent sélectivement à travers des membranes de filtration (MFs) dans les compartiments respectifs de récupération des peptides anioniques (ARC) ou cationiques (C+ RC). Par conséquent, le type d'interaction entre les peptides et l'interface de la MF, en raison de ses propriétés physicochimiques, doit avoir un impact significatif sur la performance globale de l’EDMF (migration et sélectivité des peptides). Donc, l'objectif principal de cette thèse de doctorat était d'étudier les propriétés physicochimiques principales des MFs qui contribuent aux interactions interfaciales peptide-membrane facilitant ou entravant la migration globale et la séparation sélective des peptides pendant l’EDMF, et de comprendre les mécanismes impliqués dans ces interactions. Ainsi, dans cette étude, 16 MFs, caractérisées en termes de propriétés physicochimiques (potentiel zêta, conductivité, nature hydrophile/hydrophobe de la surface et des pores, épaisseur, rugosité, porosité et pourcentage de distribution des macropores dans la couche filtrante), ont été testées lors de l'EDMF pour séparer simultanément les peptides anioniques et cationiques d'un hydrolysat de protéines de lactosérum complexe et bien caractérisé. Dans la première étude, 6 MFs, différentes en termes de matériau, ont été testées incluant une membrane d’ultrafiltration (polyéthersulfone (PES)) comme contrôle et cinq membranes de microfiltration (fluorure de polyvinylidène (PVDF) et chlorure de polyvinyle (PVC-silice, fonctionnalisée (sulfopropyle ou amine quaternaire) ou non)). Les analyses de redondance (RDA) et de régression multivariées ont démontré qu’au moins deux des quatre propriétés suivantes des MF avaient un impact significatif sur la migration de tout peptide chargé ; le potentiel zêta, l’hydrophilie de surface/des pores, la porosité et la rugosité. De plus, l'effet important de la taille des pores sur la sélectivité des peptides a également été rapportée dans cette étude. Enfin, des modèles statistiques prédictifs qui relient la migration des peptides avec les propriétés de MF significatives ont été proposés. Dans la deuxième étude, réalisée sur des membranes de PES avec une large gamme de seuils de coupure (MWCO) de (5 à 300 kDa), une relation linéaire a été observée entre le MWCO et la migration globale des peptides (MGP) pour les deux compartiments de récupération. iii Cependant, la migration sélective des peptides vers ARC ou C+ RC s'est révélée être influencée par le MWCO des MFs ainsi que par les propriétés physicochimiques (charge et poids moléculaire (PM)) des peptides ; la migration d'un peptide ayant un faible PM et une faible charge (positive ou négative) était favorisée lorsqu’une MF ayant un petit MWCO était utilisée, tandis que l’inverse se produisait pour un peptide ayant un PM élevé et une charge élevée. Dans la troisième étude, l'effet de la combinaison du matériau de la membrane (polyacrylonitrile (PAN), PES et PVDF) /MWCO (30 et 50 kDa) sur la migration et la sélectivité des peptides, a tout d’abord été étudié. Les effets simples du matériau membranaire et du MWCO sur la MGP vers C+ RC, de même que l'effet combiné des matériaux membranaires/MWCO sur la MGP vers ARC et la migration sélective des peptides vers les deux compartiments de récupération ont été observés. Deuxièmement, une RDA réalisée sur l’ensemble des données obtenues pour les MFs sélectives testées dans cette recherche doctorale, a démontré l'impact significatif du potentiel zêta, de la conductivité, de la rugosité et du pourcentage de distribution des macropores dans la couche filtrante des MFs sur la MGP. Concernant la migration sélective des peptides, en plus des propriétés des MFs susmentionnées, l'impact significatif de l'angle de contact a été démontré pour au moins la migration d’un peptide anionique et/ou cationique vers leurs compartiments de récupération respectifs. Ces propriétés significatives ont favorisé différentes interactions telles qu’électrostatique, exclusion de taille et hydrophile/hydrophobe entre l’interface de la MF et le peptide, ce qui a eu pour effet de, soit faciliter, soit inhiber la migration de ce peptide. Enfin, des modèles statistiques prédictifs globaux ont été développés pour la MGP et pour la migration de chaque peptide individuel vers ARC et/ou C+ RC en fonction des propriétés importantes de la MF utilisée. Ces modèles permettent ainsi l'estimation du comportement de migration de ces peptides lorsque les MFs, sur une large gamme de propriétés physicochimiques, sont utilisées en EDMF. Les résultats obtenus dans cette thèse ont démontré, pour la première fois, la corrélation significative entre les propriétés physicochimiques des MFs, et la migration et la sélectivité des peptides pendant l'EDMF. Cependant, les modèles prédictifs développés dans cette étude iv peuvent être utilisés pour la gamme de peptides et les propriétés physicochimiques des MFs testées. Par contre, les mécanismes et explications proposés dans cette étude, concernant les interactions MF/peptide, peuvent être généralisés afin de comprendre tous les types d'interactions peptide/membrane. Comme perspectives à ce travail, l’étude de différentes sources d'hydrolysats, d’autres MFs et d’un hydrolysat produit par d’autres enzymes permettra la validation de ces modèles statistiques et leur généralisation.
During electrodialysis with filtration membranes (EDFM), charged peptides selectively migrate through filtration membranes (FMs) to their respective anionic (ARC) or cationic (C + RC) peptide recovery compartments. Consequently, the type of interactions occurring between FM and peptide at the interface, due to their physicochemical properties, must have significant impact on overall EDFM performances (peptide migration and selectivity). Therefore, the main objective of this doctoral thesis was to investigate the major FM properties that contribute to peptide-membrane interactions at the interface, which either facilitates or hinders global migration and selective separation of peptides during EDFM, and to understand the mechanisms involved behind those interactions. Thus, in this study, 16 FMs, characterized in terms of their physicochemical properties (zeta potential, conductivity, hydrophilic/hydrophobic nature of the surface and pores, thickness, roughness, porosity and percentage of macropores distribution in filtrating layer) were tested during EDFM to simultaneously separate anionic and cationic peptides from a well-characterized complex whey protein hydrolysate. In the first study, 6 FMs were tested, differing in terms of membrane materials, including one ultrafiltration (polyethersulfone (PES)) as a control and 5 microfiltration ( one polyvinylidene fluoride (PVDF) and four polyvinyl chloride (PVC)-silica: two functionalized (sulfonyl or amino) or two non-functionalized). Redundancy analysis (RDA) and multivariate regression analysis demonstrated that at least two FM properties among zeta potential, pore/surface hydrophilicity, porosity and roughness significantly impacted the migration of any charged peptide. In addition, the important effect of pore size on peptide selectivity was also reported. Finally, predictive statistical models that link each peptide migration with significant FM properties were proposed. In the second study, which was carried out on PES membranes with a wide range of molecular weight cut-offs (MWCOs) (5 kDa to 300 kDa), a linear relation was noticed between MWCO and global peptide migration (GPM) to both recovery compartments. However, the selective peptide migration to A - RC or C + RC was found to be influenced by the vi MWCO of FMs as well as physicochemical properties (charge and molecular weight (MW)) of peptides. For instance, the migration of a peptide having low MW and low charge (positive or negative) was favored when a FM with small MWCO was used, while the opposite was observed for a peptide having high MW and high charge. In the third study, the effect of combination of membrane material (PAN, PES and PVDF)/MWCO (30 and 50 kDa) on peptide migration and selectivity was first studied. The simple effect of membrane material and MWCO on GPM to C+ RC was observed, while the combined effect of membrane materials/MWCO on GPM to A - RC and selective peptide migration to both recovery compartments was observed. Secondly, a RDA was performed on the data obtained for all the selective FMs tested in this doctoral research, which demonstrated the significant impact of zeta potential, conductivity, roughness and percentage of macropores distribution in the filtrating layer of FMs on GPM. Concerning selective peptide migration, in addition to the aforementioned FM properties, the significant impact of contact angle was noticed for at least one anionic and/or cationic peptide migration to their respective recovery compartments. These significant FM properties were found to trigger different interactions such as electrostatic, size exclusion and hydrophilic/hydrophobic between FM and peptide at the interface resulting in either facilitation or inhibition of peptide migration. Finally, global predictive statistical models were developed for GPM and each individual peptide migration to ARC and/or C+ RC based on these significant FM properties, which allow the estimation of their migration behavior when FMs having a wide range of physicochemical properties are used during EDFM. The results obtained in this Ph.D. thesis demonstrated, for the first time, the significant correlation between physicochemical properties of FMs, and peptide migration and selectivity during EDFM. The predictive models developed in this study can be used for the range of peptides and FMs tested. Moreover, the types of interactions occurring between FMs and peptide at the interface, and mechanisms and explanations proposed in this study can be applied to understand all types of peptide/membrane interactions. Validation of such models vii by using different sources of hydrolysates or different FMs or a hydrolysate produced by other enzymes will be the main perspectives of this research work.

Thesis (MScEng)--University of Stellenbosch, 2001.
ENGLISH ABSTRACT: The hydrodynamics of a hollow fibre membrane module for the ultrafiltration of potable water were investigated. The purpose was to use a hydrodynamic model to predict the permeate flux for modules of various dimensions. Various models were considered, but most of them could not account for important effects such as macroscopic radial gradients and wet fibre expansion, found in hollow-fibre membrane modules. The Porous Medium Model was found to be a suitable model and it was used together with a finite element software package, Fastflo, to solve for the pressure distributions inside the membrane modules and predict permeate flux. The permeability of the membranes was obtained using a combination of numerical and experimental procedures and was found to be 2.3 x 10-13m. A cost analysis was performed to find the most economical module dimensions (outer diameter and length) for any required product flow rate. It was assumed that the cost of the fibres and module housing comprised the capital cost, while the operating cost consisted of the pumping energy. A capital recovery factor of 0.3 was used to convert capital costs to a yearly cost. It was found that the optimum module dimensions are an outer diameter of between 90mm and 160mm and a length of 0.6m. Finally the pressure distributions on the lumen and shell sides during both cross-flow filtration and backwash were examined. Shade plots proved useful for identifying possible areas of stagnant flow, as well as indicating where backwash is the most effective.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die hidrodinamika binne-in 'n holvesel membraanmodule vir die ultrafiltrasie van drinkwater is ondersoek. Die doel was om 'n hidrodinamiese model te gebruik om die permeaatvloed vir modules van verskeie dimensies te voorspel. Verskillende modelle is oorweeg, maar die meeste kon nie belangrike faktore soos makroskopiese radiale drukqradiente of nat veselverlenging in ag neem nie. Die Poreuse Medium Model was die mees geskikte model en is gebruik saam met Fastf/o, 'n sagteware pakket wat gegrond is op die eindige element metode, om vergelykings vir die drukverspreiding binne-in die module op te los en permeaatvloed te voorspel. Die permeabiliteit van die membrane is verkry met behulp van numeriese en eksperimentele prosedures en 'n waarde van 2.3 x 10-13 m is bepaal. Hierna is 'n koste-analise uitgevoer om die mees ekonomiese module afmetings (Iengte en buitedeursnit) te bepaal vir 'n gegewe produk vloeitempo. Daar is aanvaar dat kapitaalkoste bestaan uit die koste van vesels en module-omhulsel, terwyl bedryfskoste bereken is deur die hoeveelheid energie benodig om die pomp aan te dryf. 'n Kapitaalherwinningsfaktor van 0.3 is gebruik om kapitaalkoste om te skakel na 'n jaarlikse koste. Die optimum module afmetings is 'n lengte van 0.6m en 'n buite-deursnit van tussen 90mm en 160mm. Laastens is die drukverspreidings tydens beide kruisvloeifiltrasie en die terugspoelproses ondersoek. Areas van stagnante vloei kan deur middel van skadu-grafieke geYdentifiseer word, terwyl dit ook moontlik is om die terugspoelproses te optimeer.

Les travaux présentés dans cette thèse ont pour but de déterminer numériquement le comportement des filtres plissés hydrauliques pour limiter le recours à des tests expérimentaux et dégager quelques règles générales pour la conception de ces filtres. La première partie de ce travail est consacrée à l'analyse et à la modélisation de la filtration à travers un media fibreux. Un modèle de colmatage basé sur l'hypothèse de capture des particules par blocage mécanique et incluant les deux phases de colmatage associées à une filtration en profondeur suivie d'une filtration sur gâteau a été développé et validé expérimentalement. Dans une deuxième partie, l'écoulement du fluide ainsi que le transport et la capture des particules sur un pli puis sur un élément filtrant complet sont étudiés et modélisés. Les résultats sont validés à l’aide de tests expérimentaux et de simulations numériques d'écoulement sous Fluent® et discutés en fonction des caractéristiques géométriques de l'élément filtrant
The purpose of this work is to develop an approach to simulate numerically the behaviour of the pleated filters, and thus limit the number of experimental tests. The first part of this work concerns the analysis and the modelling of filtration through fibrous media. An experimental study relating to the microstructure of fibrous media and its filtration capacities was carried out. Then, assuming that the particles are captured by sieving, a clogging model was developed. This model describes well the two successive phases of clogging observed in the experiments namely depth filtration and cake filtration. In a second part, the fluid flow, the particle transport and capture are studied and modelled in an elementary pleat and within the complete filter. The validation of the model is carried out by considering both experimental results and CFD simulations using Fluent®. The results are discussed according to the geometrical characteristics of the filter element

Durant les opérations de filtration membranaire, les industries font face à un problème majeur : le colmatage. En particulier, la formation d'un dépôt de particules sur la membrane provoque une chute de sa perméabilité et de sa sélectivité. L'étude a pour but de mieux caractériser la morphologie des dépôts de particules, en lien avec ses propriétés de transport, dans le but d'enrichir les modèles utilisés pour prédire les performances de filtration des dispositifs industriels. Des expériences de filtration de suspensions pures et mixtes de particules inertes et biologiques, sont réalisées sur des microsieves et observées in situ par microscopie confocale. Les propriétés spatiales du dépôt (arrangement des particules, épaisseur, porosité, taux de couverture de la membrane) sont déterminées par traitement d'images et corrélées aux variations de perméabilité. L'influence des paramètres tels que : la taille des particules, la géométrie de la microsieve (taille de pore, distance entre pores) et la nature des particules, est soigneusement analysée. Plusieurs mécanismes physiques sont mis en évidence : - La préfiltration de grosses particules avant la filtration des petites maintient un débit élevé.- Les particules déposées protègent les pores qui leurs sont périphériques lorsque le rapport " taille de particules / taille de pores " est élevé.-Dans les conditions expérimentales étudiées, la morphologie des dépôts de particules inertes et biologiques est identique.- Le dépôt est structuré en trois régions distinctes : une zone de germination en contact avec la membrane, une couche centrale dense, une région de capture superficielle

Cette thèse porte sur la compréhension et le contrôle des interactions dynamiques entre les mécanismes physiques et biologiques en considérant un procédé alternatif de séparation membranaire pour les bioprocédés industriels. L’objectif premier est un apport de connaissances scientifiques liées à la maîtrise de la bioréaction en considérant l'hydrodynamique complexe et les verrous rétention-perméation. Une technologie de filtration dynamique, appelée Rotating and Vibrating Filtration (RVF), a été spécifiquement étudiée. Elle se compose de cellules de filtration en série comprenant deux membranes circulaires planes fixées sur des supports poreux au voisinage d'un agitateur à trois pales planes attachées à un arbre central. Ce dispositif mécanique simple fonctionne en continu et génère une contrainte de cisaillement élevée ainsi qu'une perturbation hydrodynamique dans un entrefer étroit (pale-membrane). Les verrous scientifiques et techniques qui motivent ce travail, sont la caractérisation et la quantification (i) des champs de vitesse locaux et instantanés, (2) des contraintes pariétales de cisaillement à la surface de la membrane et (3) l'impact mécanique sur les cellules microbiennes.Dans ce but, des expériences et des simulations numériques ont été réalisées pour étudier l'hydrodynamique à des échelles globales et locales, en régimes laminaire et turbulent avec des fluides newtoniens dans des environnements biotique et abiotique. Pour l'approche globale, la distribution des temps de séjour (RTD) et le bilan thermique ont été réalisés et comparés aux précédentes études globales (courbes de consommation de puissance et de frottement). Une étude analytique des fonctions de distribution a été effectuée et les moments statistiques ont été calculés et discutés. Une analyse systémique a été utilisée pour décrire les comportements hydrodynamiques du module RVF. En combinant la simulation des écoulements (CFD) et les observations (RTD), les conditions et les zones de dysfonctionnement des cellules de filtration sont éclairées. Pour l'approche locale, la vélocimétrie laser (PIV) a été réalisée dans les plans horizontaux et verticaux et comparée à la simulation numérique (CFD). Une étude préliminaire basée sur une synchronisation entre la prise d’image et la position de l’agitateur (résolution angulaire) a permis d’accéder aux champs de vitesse moyens. Une campagne de mesure PIV a été réalisée sans synchronisation afin d’appliquer une décomposition orthogonale aux valeurs propres (POD) pour 'identifier les composantes moyennes, organisées et turbulentes des champs de vitesse (énergie cinétique). Pour l'application aux bioprocédés, un travail exploratoire a caractérisé l'effet de la filtration dynamique sur des cellules procaryotes (E. coli) en quantifiant l'intégrité cellulaire ou leur dégradation en fonction du temps et de la vitesse de rotation
This thesis focuses on the understanding and the control of dynamic interactions between physical and biological mechanisms considering an alternative membrane separation into industrial bioprocess. It aims to carry scientific knowledge related to the control of bioreaction considering complex hydrodynamics and retention-permeation locks specific to membrane separation. A dynamic filtration technology, called Rotating and Vibrating Filtration (RVF), was investigated. It consists of filtration cells in series including two flat disc membranes fixed onto porous substrates in the vicinity of a three-blade impeller attached to a central shaft. This simple mechanical device runs continuously and generates a high shear stress as well as a hydrodynamic perturbation in the narrow membrane-blade gap. Several scientific and technical locks motivating this work are to characterize and to quantify (i) the velocity fields locally and instantaneously, (2) the shear stresses at membrane surface and (3) the mechanical impact on microbial cells.To this end, experiments and numerical simulations have been performed to investigate the hydrodynamics at global and local scales under laminar and turbulent regimes with Newtonian fluids under biotic and abiotic environment. For global approach, investigation of Residence Time Distribution (RTD) and thermal balance was carried out and compared to the previous global study (power consumption and friction curves). Analytical study of distribution functions was conducted and statistical moments were calculated and discussed. A systemic analysis was used to describe the hydrodynamic behaviors of the RVF module. Combining Computational Fluid Dynamics (CFD) and RTD observations, it leads to demonstrate dysfunctioning conditions and area. For the local approach, Particle Image Velocimetry (PIV) was be carried out in both horizontal and vertical planes and compared to CFD simulation. PIV preliminary study was conducted with a trigger strategy to access through angle-resolved measurements to an averaged velocity field. PIV further study were performed with a non-trigger strategy and applied to Proper Orthogonal Decomposition (POD) analysis in order to identify the coherent structure of the flow by decomposing the organized and turbulent fluctuations. For the bioprocess application, an exploratory work characterized the effect of Dynamic Filtration on prokaryote cell population (Escherichia coli) by quantifying cell integrity or damage as a function of time and rotation speed during filtration process in turbulent regime

L'etude porte sur un nouveau procede hydrodynamique de lutte contre le colmatage externe en filtration tangentielle. Le principe repose sur une action sur les couches colmatantes d'un ecoulement instationnaire genere de facon entierement pneumatique (commande et circulation du fluide), ce qui permet de s'affranchir de l'usage d'une pompe de circulation du fluide. L'ecoulement genere a ete etudie sans filtration experimentalement (determination du champ de vitesses instantanees par anemometrie film chaud) et numeriquement (utilisation d'un code de calcul aux differences finies). A partir d'un dispositif experimental specifique et original, la caracterisation hydrodynamique de ce dispositif a ete realisee par la determination des relations existantes entre les parametres mecaniques (frequence, pression pneumatique,. . . ) et les parametres de l'ecoulement. Enfin, les performances du systeme ont ete etudiees dans le cas de l'ultrafiltration et de la microfiltration de deux fluides modeles (une suspension de bentonite et une solution de dextrane). La comparaison des performances d'un tel systeme avec celles d'un procede conventionnel de filtration montre que le dispositif experimental aboutit, d'une part, pour des conditions operatoires correctement choisies a des debits specifiques de permeation superieurs, et d'autre part, a une consommation energetique largement inferieure

L'objectif de ce travail est la modélisation de l'écoulement, à faible nombre de Reynolds, d'une capsule (goutte liquide entourée d'une membrane déformable) dans une constriction. L'écoulement s'effectue soit à débit constant, soit à perte de charge constante. Un tel modèle est nécessaire pour l'interprétation quantitative d'expériences de filtration frontale menées sur des suspensions diluées de particules de manière à évaluer leurs propriétés intrinsèques. La constriction est hyperbolique, ce qui permet de modéliser les phénomènes d'entrée-sortie (instationnaires) dans le pore et la capsule est initialement sphérique. La membrane est d'épaisseur négligeable, d'une très faible résistance à la flexion et au cisaillement et sa loi de comportement est connue (type Mooney-Rivlin ou type surface constante). On est en présence d'un couplage fluide-structure dont l'étude fait appel, à la fois, à la mécanique des fluides et à celles des coques minces en grande déformation (problème non linéaire). La formulation intégrale du problème de Stokes décrivant l'écoulement des fluides interne et externe, tous deux Newtoniens et incompressibles, pour un rapport de viscosité quelconque, est entièrement reprise à la base pour rendre compte de l'effet des parois solides. Elle fournit une relation entre la vitesse en un point de l'écoulement et les forces inconnues exercées par l'ensemble de ses frontières. Une résolution numérique par collocation dans le cas d'un rapport de viscosité égal à un a été réalisée, elle permet de prédire l'évolution de grandeurs locales liées à la particule (géométrie instantanée, vitesse du centre de masse, tensions élastiques dans la membrane) et de grandeurs globales pour l'écoulement (temps de passage, perte de charge additionnelle ou variation de débit, selon le régime considéré) en fonction des propriétés physiques des capsules et des caractéristiques de l'écoulement. Les résultats obtenus dans le cas d'une capsule de rayon supérieur au rayon au col de la constriction montrent la prépondérance des phénomènes d'entrée-sortie et prédisent le colmatage d'entrée et de sortie du pore, également observées expérimentalement. Des formes parachute similaires à celles d'hématies s'écoulant dans des microcapillaires sont observées. Une comparaison entre les résultats obtenus dans le cas Mooney-Rivlin et les mesures expérimentales faites sur des suspensions diluées d'hématies montre que le modèle rend bien compte de l'effet d'une rigidification membranaire sur l'augmentation du temps de passage ou la diminution du débit. De manière à remonter au module d'élasticité surfacique du globule rouge il est cependant nécessaire d'utiliser une loi de comportement membranaire rendant compte de l'incompressibilité surfacique. Deux méthodes sont proposées et leur formulation entièrement réalisée pour décrire le passage à la surface constante d'une capsule initialement ellipsoïdale dans une constriction. Les résultats préliminaires obtenus sont encourageants.

Le but de cette thèse consiste à créer et développer un modèle de transport de suspension colloïdale en milieu poreux saturé qui sera capable de détecter et de prédire l'apparition de vitesses différentes entre l'eau et la suspension ; de distinguer les cas de l'accélération et de retard des particules colloïdales ainsi que de calculer les deux vitesses en utilisant l'information initiale des propriétés du milieu poreux et des particules. On a procédé de deux manières différentes. Premièrement, on a proposé une méthode analytique de calcul de facteur d'augmentation de la vitesse qu'on peut introduire dans le modèle monophasique classique du transport colloïdal. Deuxièmement, on a proposé un nouvelle approche mathématique phénoménologique pour décrire un transport colloïdal.Pour développer cette approche, on a utilisé le fait que les deux vitesses apparaissent automatiquement dans le modèle diphasique d'écoulement. Ainsi notre modèle doit être proche de celui diphasique. En conséquence, pour notre modèle mathématique, on a écarté l'approche traditionnelle qui suppose un transport d'un liquide monophasique
The aim of this PhD thesis is to create and to develop a colloid suspension transport model in the saturated porous media that will be able to detect and to predict the apparition of the difference between water and suspension velocity; to distinguish cases of acceleration and of deceleration of the colloidal particles and also to calculate the two velocities using the initial information on the properties of porous media and of particles. We are proceeded by two different manners. Firstly, we are proposed an analytical method of calculation of enhancement velocity factor that can be introduced in the classic colloid transport model that is single-phase one. Secondly, we are proposed a new phenomenological mathematical approach to describe a colloid transport. To develop this approach, we are used the fact that two velocities appear automatically in the two-phase transport model. Thus our model must be similar to two-phase one. Therefore, for our mathematical model we are refused the traditional approach that assumes a transport of a single-phase liquid

L’objectif de la thèse a été la construction d’un pilote de filtration horizontale en République Centrafricaine, pays dont les besoins en eaux potables sont criants. Le pilote devait permettre un traitement simple de l’eau de rivière, nécessitant un minimum d’énergie et de produits de traitement. La filtration lente sur sable qui apparaît comme une réplique des processus naturels dans le sol répond à ces exigences. Après avoir effectué un bilan de la pluviométrie, nous avons pu montrer que si les eaux souterraines étaient de bonne qualité, les aquifères superficiels sont par contre contaminés par le manque d’assainissement. Après examen de la qualité des eaux et sédiments en différents sites du fleuve Oubangui, un pilote a été construit selon les recommandations des «Eaux de Paris» à Bangui et alimenté avec de l’eau de l’Oubangui. Le suivi des performances et de la qualité des eaux produites a montré que ce pilote avec une production de 400l/h respectait les normes exigées pour une eau brute avant javellisation Des essais de la modélisation du transit des eaux dans le pilote ont été entrepris par l’utilisation du modèle MODFLOW. L’emploi du traceur «fluorescéine» a permis de calibrer le modèle .Les propriétés adsorbantes des différents sables du pilote ont été étudiées grâce à l’utilisation conjointe des techniques : MEB/EDS; BET; ICP/AES; CHNS; UV/Visible. Par comparaison avec les sables originels ayant été utilisés dans la conception du pilote, la capacité d’adsorption des sables est améliorée en raison de modifications de surface et de dépôts d’argile et oxydes/hydroxydes de fer dans les interstices et fissures produits par effet d’érosion dû à l’écoulement des eaux
The objective of this thesis concerned the elaboration of a horizontal flow filtration pilot in Central African Republic because of a lack of potable waters in this country. In the conception of this pilot, treatment processes which should be chosen for riverine water purification, have to be low energy cost and easy to be implemented. Taking into account these considerations, we decided to employ the low-filtration method with the sand as the adsorbent. Indeed, this latter is known to behave as a natural adsorbent through hydrogeological processes in sols. After itemizing pluviometric data. it was shown that ground-waters possessed good water quality, whereas aquifers in low depths were found to be instead contaminated. A pilot was built by respecting the recommendations established by Eaux de Paris located at Bangui Performances and quality of treated waters were followed up, and the data obtained during the running were found to be in good accordance first with potable-water criteria with a water production of 400L/h and second with water-quality norms which were usually recommended for a raw water before its chlorination. Modelisation tests on the transit of water in the pilot were carried out using MODFLOW. For model calibration, it was used the dye Fluorescein as a tracer. The adsorption properties of sand in this pilot were studied owing to the combined use of the techniques:SEM/EDS;BET;ICP-AES;CHNS;UV/visible. In comparison with the starting sand used in the construction of the pilot, all the data showed clearly that the adsorption capacity of this sand increases with time owing to surface modifications and clays and iron oxides / hydroxides depositions in cracks

Ce travail de recherche se penche sur les défis et les interactions entre les procédés de fabrication RTM et CRTM, les propriétés mécaniques et la fiabilité des structures en matériaux composites fonctionnels. Des modèles numériques ont été développés pour simuler l’imprégnation de la suspension à travers le milieu fibreux dans ces deux procédés. Ces modèles ont été validés en comparant leurs résultats à des résultats expérimentaux, semi-analytiques et analytiques présentes dans la littérature. Une étude paramétrique a été menée pour démontrer l’impact des différents paramètres de procédé sur la distribution des particules dans le composite final. De plus, une comparaison entre les modes d’injection et de compression a été effectuée. Les résultats de cette partie ont montré que la distribution des particules dans la pièce finale dépend de la concentration initiale, de la distance parcourue et de la fraction volumique initiale des fibres, indépendamment des valeurs des paramètres d'injection et de compression. Il a également été observé que le procédé CRTM à pression d’injection imposée et à force de compression imposée représente le scénario le plus favorable pour produire des pièces composites. Afin de contrôler la distribution finale des particules dans le composite élaboré par le procédé RTM, deux étapes clés ont été identifiées et conduites. La première étape consiste en une analyse de sensibilité axée sur trois paramètres : l’évolution temporelle de la concentration initiale des particules, du champ de pression d’injection, et de la porosité initiale des fibres. Les conclusions indiquent un impact mineur de la porosité initiale et du champ de pression d’injection, tandis que l’évolution de la concentration initiale des particules injectées joue un rôle prépondérant. Dans une seconde étape, un algorithme d’optimisation a été intégré au modèle numérique du procédé RTM, visant à déterminer la configuration optimale de l’évolution de la concentration initiale des particules injectées afin de rapprocher la distribution des particules dans le composite final aux profils souhaités. Les résultats obtenus grâce à l’algorithme génétique ont démontré une maîtrise satisfaisante de cette répartition. Pour enrichir cette partie, un modèle évaluant le comportement mécanique de la pièce fabriquée a été développé. Les résultats indiquent une corrélation positive entre le taux de particules et certaines propriétés mécaniques telles que les modules d’élasticité E11 et E22, ainsi que les modules de cisaillement G12 et G23. Cependant, le coefficient de Poisson (Nu12) est inversement proportionnel au taux de particules. En outre, le module de cisaillement G12 était le plus influencé par le taux de particules.Dans cette partie, nous avons visé le contrôle des propriétés mécaniques des pièces composites fabriquées par le procédé CRTM, ensuite comparées aux résultats du procédé RTM. Les conclusions révèlent que le procédé RTM offre un meilleur contrôle de ces propriétés, tandis que le procédé CRTM améliore considérablement les propriétés mécaniques des pièces grâce à sa phase de compression, qui augmente la fraction volumique des fibres et donc améliorant ces propriétés.Par la suite, une analyse statique a été réalisée en développant un modèle numérique basé sur la méthode des éléments finis avec Ansys APDL. Cette analyse vise la détermination de la déformation maximale de la pièce en fonction de la configuration (encastrement, simplement appuyé) et de la charge répartie appliquée. Ce modèle est combiné avec ceux du procédé CRTM et du calcul des propriétés mécaniques. Dans le but d’ajuster les propriétés mécaniques de la pièce composite selon la configuration et la charge répartie, tout en minimisant son poids et en respectant des contraintes mécaniques prédéterminées, telles que la limite de déformation maximale, un algorithme d’optimisation a été intégré à notre modèle global. Les résultats obtenus répondent parfaitement à ces objectifs
This research focuses on the challenges and interactions between the manufacturing processes (Resin Transfer Molding ‘RTM’ and Compression Resin Transfer Molding ‘CRTM’), the mechanical properties, and the reliability of composite material structures; more specifically the functional composites. A number of numerical models have been developed for simulating the suspension (resin + particles) impregnation through the fibrous medium (fibers) in the RTM and CRTM processes. These models are validated by comparing their results with experimental, semi-analytical, and analytical ones from the literature. A parametric study is carried out to demonstrate the impact of various process parameters on particles’ distribution in the final composite. Moreover, a comparison between the injection and compression modes is done. The results of this part show that the distribution of particles in the final part depends on the initial concentration, the distance travelled, and the initial fibers’ volume fraction. However, it is independent of the parameters values of injection and compression. It is also observed that the CRTM process with imposed pressure injection and imposed force compression represents the most favorable scenario for producing composite parts.For the purpose of controlling the final particles’ distribution in the composite material, manufactured by the RTM process, two key steps have been identified. The first step consists in a sensitivity analysis that examines three parameters: the temporal evolution of the initial injected particles’ concentration, the injection pressure field and the initial fibers’ porosity. The conclusions indicate a minimal impact of the initial porosity and the injection pressure field; while the evolution of the initial concentration of the injected particles has a dominant effect. In a second step, an optimization algorithm is implemented in the numerical model of the RTM process. It is used to determine the optimal configuration of the initial injected particles’ concentration’s evolution; in order to approximate the particles’ distribution in the final composite to the desired profiles. The obtained results from the genetic algorithm provide a very satisfactory control of this distribution. To complete this section, a model, estimating the mechanical properties of the manufactured part, is developed. It is found that there is a positive correlation between the particles’ fraction and certain mechanical properties, namely the elastic modulus E11 and E22, and the shear modulus G12 and G23. Nevertheless, the Poisson’s ratio (Nu12) is inversely proportional to the particles’ fraction. Also, the shear module G12 is the most significantly influenced by this fraction.Following this, the control of the mechanical properties of the composite parts, manufactured by the CRTM process, is targeted, and compared to the results of the RTM process. The conclusions reveal that the RTM process offers a better control of these properties. Whereas, the CRTM process improves considerably the mechanical properties of the parts due to its compression phase, which increases the fibers’ volume fraction and consequently enhances these properties.Finally, a static analysis is conducted based on the developed numerical model that uses the finite element method (Ansys APDL). This model is combined with those of the CRTM process and the mechanical properties calculation. An optimization algorithm is integrated in our global model to adapt the mechanical properties of the composite part according to the configuration (cantilever or simply supported) and the load distribution. Moreover, it minimizes the composite part’s weight and ensures the respect of the predetermined mechanical constraints such as the maximum deformation limit. The obtained results correspond perfectly to these objectives

L'utilisation de filtres plissés dans le domaine du traitement de l'air est extrêmement fréquente en raison de leur simplicité d'utilisation et de maintenance. Néanmoins, au cours du colmatage, la perte de charge augmente considérablement avec le dépôt de particules. Par conséquent le débit de filtration n'est plus maintenu et une détérioration des médias peut se produire. Il est essentiel de caractériser cette évolution en fonction des conditions opératoires pour mieux concevoir ces équipements. Les travaux ont consisté en une étude expérimentale de l'influence des conditions opératoires sur la géométrie du dépôt par des observations en Tomographie d'Émission MonoPhotonique. Une approche numérique a consisté, dans un premier temps, en une étude de la perméabilité de médias bien caractérisés afin de valider le code GeoDict. Dans un deuxième temps, une étude de la vitesse de l'air a été entreprise sur les médias plissés. La confrontation des résultats numériques avec les données expérimentales nous a permis une validation du code dans les gammes de propriétés des médias et de vitesses typiques. Concernant les médias bimodaux, l'acquisition rapide de données a permis de tester différentes corrélations analytiques afin de classifier les modèles existants d'une manière qui facilite leur utilisation. Si les résultats expérimentaux obtenus sur la localisation du dépôt préférentiel initial dans les filtres plissés sont encourageants, notamment vis-à-vis des simulations d'écoulement réalisées avec GeoDict, ceux issus des acquisitions sur les filtres précolmatés sont à prendre avec prudence et suggèrent d'apporter un certain nombre d'amélioration à notre technique
Pleated filters are widely used in air treatments because of the advantageous effective surface to overall dimension ratio they offer. Their major drawback though resides in their reduced lifetime which still needs to be controlled. Indeed, when clogging, the pressure drop considerably increases, the filtration flow is then no longer maintained which might lead to the deterioration of the media. It is then crucial to characterize the evolution of the pressure drop under operating conditions in order to best design these equipments. Part of our work consisted in studying how the operating conditions influence the geometry of the deposit. To do so, we used Single-Photon Emission Computed Tomography (SPECT), a non-destructive imaging technique that keeps intact the particle structuring. The visualization of aerosol deposit at the beginning of the filtration process allows observing preferential particle deposition on the whole height of the pleat. A numerical approach was used to study the permeability of bimodal fibrous media and we experimentally studied the local velocity as well as the biphasic flow inside pleated filter media. Comparison between experiments and simulations allowed us to validate the Geodict code for a wide range of media properties and velocities. Regarding bimodal fibrous media, the fast data acquisition has allowed testing several existing models which resulted in classifying them in a unique way. If the experimental results on the initial deposition in pleated filters are encouraging, those related to beforehand clogging point to several improvements regarding the technique we used

In dieser Arbeit untersuchen wir die Struktur von Gausschen Prozessen, die durch gewisse lineare Transformationen von zwei Gausschen Martingalen erzeugt werden. Die Klasse dieser Transformationen ist durch nanzmathematische Gleichgewichtsmodelle mit heterogener Information motiviert. In Kapital 2 bestimmen wir für solche Prozesse, die zunächst in einer erweiterten Filtrierung konstruiert werden, die kanonische Zerlegung als Semimartin-gale in ihrer eigenen Filtrierung. Die resultierende Drift wird durch Volterra-Kerne beschrieben. Insbesondere charakterisieren wir diejenigen Prozesse, die in ihrer eigenen Filtrierung eine Brownsche Bewegung bilden. In Kapital 3 konstruieren wir neue orthogonale Zerlegungen der Brownschen Filtrierungen. In den Kapitaln 4 bis 6 wenden wir unsere Resultate zur Charakterisierung Brownscher Bewegungen im Kontext nanzmathematischer Modelle an, in denen es Marktteilnehmer mit zusätzlicher Insider-Information gibt. Wir untersuchen Erweiterungen eines Gleichgewichtsmodells von Kyle [42] und Back [7], in denen die Insider-Information in verschiedener Weise durch Gaussche Martingale spezifiziert wird. Insbesondere klären wir die Struktur von Insider-Strategien, die insofern unaufallig bleiben, als sich die resultierende Gesamtnachfrage wie eine Brownsche Bewegung verhält.
In this thesis, we study Gaussian processes generated by certain linear transformations of two Gaussian martingales. This class of transformations is motivated by nancial equilibrium models with heterogeneous information. In Chapter 2 we derive the canonical decomposition of such processes, which are constructed in an enlarged ltration, as semimartingales in their own ltration. The resulting drift is described in terms of Volterra kernels. In particular we characterize those processes which are Brownian motions in their own ltration. In Chapter 3 we construct new orthogonal decompositions of Brownian ltrations. In Chapters 4 to 6 we are concerned with applications of our characterization results in the context of mathematical models of insider trading. We analyze extensions of the nancial equilibrium model of Kyle [42] and Back [7] where the Gaussian martingale describing the insider information is specified in various ways. In particular we discuss the structure of insider strategies which remain inconspicuous in the sense that the resulting cumulative demand is again a Brownian motion.

Ce travail présente une étude expérimentale du transport de solutions de polymère flexible à travers des membranes à pores fins, dans le cas où polymère et pore sont de taille comparable. Les membranes ont été préparées par irradiation de films de polycarbonate aux ions lourds, une attaque chimique ultérieure révèle les traces latentes d'irradiation en pores cylindriques percés à travers toute l'épaisseur du film (5 à 100 microns), Le rayon de pore (50 à 200 manomètres) a été contrôlé par une observation directe au microscope électronique à balayage, et par des mesures de conductivité et de perméabilité. On a suivi la diffusion de grandes chaînes de polystyrène (masse supérieure au million) en solution dans l'acétate d'éthyle à travers ces membranes, en mesurant la concentration des solutions par spectroscopie d'absorption. Pour des solutions diluées, le coefficient de diffusion obtenu peut être décrit par un modèle sphère dure. Cependant les chaînes de grande taille devant la taille de pore ont une diffusion plus rapide qu'une sphère dure, de plus leur coefficient de diffusion augmente considérablement avec la concentration. Nous attribuons cette accélération à l'augmentation du coefficient de partage des chaînes entre intérieur et extérieur du pore, due à la flexibilité des chaînes qui leur permet de se déformer pour entrer dans le pore, et à la répulsion entre chaînes plus importante à forte concentration, Cet effet a aussi été observé avec des solutions de mélanges de grandes et de petites chaînes de même nature chimique. Des résultats préliminaires d'expériences de filtration sont enfin présentés, concernant la quantité de polymère transportée et l'évolution de la perméabilité de la membrane après filtration. Ils confirment un modèle proposé par S. DAOUDI et F. BROCHARD (1978) d'entraînement des chaînes par déformation à l'entrée des pores
An experimental study of the transport of solutions of flexible polymer chains through membranes with fine pores is presented in this work, for pores and polymers of comparable sizes. Membranes have been prepared by heavy ion irradiation of polycarbonate films, followed by chemical etching which reveals the irradiation latent tracks into cylindrical pores spanning the film (5 to 100 microns). The pore radius has been controlled by direct observation under a scanning electron microscope, and by conductivity and permeability measurements. The diffusion of large polystyrene chains (weights larger than one million) dissolved in ethyl acetate has been followed across these membranes, by measuring the solution concentrations by absorption spectroscopy. For dilute solutions, the measured diffusion coefficient can be described by a hard sphere model. However chains of size larger than the pore size diffuse more rapidly than hard spheres, moreover their diffusion coefficient increases drastically with concentration. We attribute this acceleration to the increase of the partition coefficient between the inside and outside of the pore, due to the chain flexibility which allows the chains to elongate to enter the pore, and to the larger repulsion between chains at higher concentrations. This effect has also been observed with solutions of mixtures of large and small chains of the same chemical composition. Some preliminary results of filtration experiments are also reported, about the amount of transported polymer and about the evolution of the membrane permeability after filtration. They confirm model suggested by S. Daoudi and F. Brochard (1978) for chain transport by elongation under flow at the pore entrance

Les oligosaccharides à faibles degrés de polymérisation ont des propriétés biologiques très importantes surtout ceux dont les degrés de polymérisation (DP) sont compris entre 3 et 7. Ces oligosaccharides sont facilement purifiés et fractionnés à l'échelle laboratoire, par contre les quantités obtenues par des méthodes classiques telles que la chromatographie ne sont pas compatibles avec les quantités requises pour une exploitation industrielle. Il est nécessaire de trouver de nouvelles solutions pour produire des masses importantes. Les procédés membranaires sont bien adaptés à ce type de séparations. Nous avons effectué des études de fractionnement sur les oligogalacturonanes et les oligoglucuronanes afin de produire des oligomères de faibles degrés de polymérisation. Ces études, réalisées sur un système à disque rotatif qui évite le colmatage des membranes et maintient leurs performances en terme de flux et de rétention. Nous avons pu mettre au point un procédé de séparation de familles d'oligosaccharides en utilisant l'ultrafiltration et la nanofiltration pour obtenir des oligomères 5
Some microbial oligosaccharides of small degrees of polymerisation (DP) between 3 and 7 have interesting biological properties. These oligosaccharides are purified and fractionated easily at pilot scale, but the obtained amounts with the classical methods such as chromatography are not suitable for industrial applications. So it is necessary to find a new process in order to produce large quantities. Membrane processes are suitable for this type of separations. We have investigated the fractionation of oligogalacturonanes and oligoglucuronanes in order to obtain oligomers with different and low polymerisation degrees. Ours studies were performed in a rotating disk system to avoid membrane fouling and to maintain its flux and rejection performance. We used ultrafiltration and nanofiltration processes to obtain oligomers with 5

L’objectif de la thèse a été la construction d’un pilote de filtration horizontale en République Centrafricaine, pays dont les besoins en eaux potables sont criants. Le pilote devait permettre un traitement simple de l’eau de rivière, nécessitant un minimum d’énergie et de produits de traitement. La filtration lente sur sable qui apparaît comme une réplique des processus naturels dans le sol répond à ces exigences. Après avoir effectué un bilan de la pluviométrie, nous avons pu montrer que si les eaux souterraines étaient de bonne qualité, les aquifères superficiels sont par contre contaminés par le manque d’assainissement. Après examen de la qualité des eaux et sédiments en différents sites du fleuve Oubangui, un pilote a été construit selon les recommandations des «Eaux de Paris» à Bangui et alimenté avec de l’eau de l’Oubangui. Le suivi des performances et de la qualité des eaux produites a montré que ce pilote avec une production de 400l/h respectait les normes exigées pour une eau brute avant javellisation Des essais de la modélisation du transit des eaux dans le pilote ont été entrepris par l’utilisation du modèle MODFLOW. L’emploi du traceur «fluorescéine» a permis de calibrer le modèle .Les propriétés adsorbantes des différents sables du pilote ont été étudiées grâce à l’utilisation conjointe des techniques : MEB/EDS; BET; ICP/AES; CHNS; UV/Visible. Par comparaison avec les sables originels ayant été utilisés dans la conception du pilote, la capacité d’adsorption des sables est améliorée en raison de modifications de surface et de dépôts d’argile et oxydes/hydroxydes de fer dans les interstices et fissures produits par effet d’érosion dû à l’écoulement des eaux
The objective of this thesis concerned the elaboration of a horizontal flow filtration pilot in Central African Republic because of a lack of potable waters in this country. In the conception of this pilot, treatment processes which should be chosen for riverine water purification, have to be low energy cost and easy to be implemented. Taking into account these considerations, we decided to employ the low-filtration method with the sand as the adsorbent. Indeed, this latter is known to behave as a natural adsorbent through hydrogeological processes in sols. After itemizing pluviometric data. it was shown that ground-waters possessed good water quality, whereas aquifers in low depths were found to be instead contaminated. A pilot was built by respecting the recommendations established by Eaux de Paris located at Bangui Performances and quality of treated waters were followed up, and the data obtained during the running were found to be in good accordance first with potable-water criteria with a water production of 400L/h and second with water-quality norms which were usually recommended for a raw water before its chlorination. Modelisation tests on the transit of water in the pilot were carried out using MODFLOW. For model calibration, it was used the dye Fluorescein as a tracer. The adsorption properties of sand in this pilot were studied owing to the combined use of the techniques:SEM/EDS;BET;ICP-AES;CHNS;UV/visible. In comparison with the starting sand used in the construction of the pilot, all the data showed clearly that the adsorption capacity of this sand increases with time owing to surface modifications and clays and iron oxides / hydroxides depositions in cracks

La fabrication de pièces composites à matrice organique chargée de particules par un procédé de type LCM (Liquid Composite Molding) soulève le problème de l'écoulement du mélange de la résine avec les charges à travers le renfort fibreux. L'augmentation de la viscosité due aux particules, d'une part, et la filtration éventuelle des charges par le réseau fibreux, d'autre part, sont deux phénomènes à considérer car ils peuvent engendrer d'importants défauts de fabrication. Cette étude, volontairement limitée à une géométrie 1D, comporte une phase expérimentale et une phase de modélisation à l'échelle macroscopique, complémentaires l'une de l'autre, et menées en parallèle. Un moyen simple de mesure de la quantité de charges présentes dans la pièce en fin d'injection a d'abord été mis au point. Des essais d'injection de pièces, menés dans différentes conditions expérimentales, ont mis en évidence l'existence de deux comportements de filtration distincts. La modélisation est basée sur une équation de conservation de la masse et trois équations constitutives. Le modèle de filtration proposé dépend de deux paramètres physiques et d'un seul paramètre numérique, qui ont été identifiés par méthode inverse à partir des résultats expérimentaux. Enfin, la résolution du modèle développé est couplée à celle de l'écoulement d'un fluide à travers un renfort fibreux. Les résultats de la simulation, tant pour le profil de concentration de charges dans la pièce que pour le temps d'injection, sont très satisfaisants et viennent valider la démarche générale de cette étude.

L'etude porte sur un nouveau procede hydrodynamique de lutte contre le colmatage en filtration tangentielle. Le principe repose sur une action convective exercee sur les couches colmatantes par les vortex emis a l'entree de la membrane par un jet intermittent. L'etude est divisee en deux parties: la premiere concerne l'etude numerique qui a pour but de determiner les caracteristiques des champs de vitesses, de pression et de concentration instantanes. Pour cela, les equations de navier-stokes sont resolues numeriquement en regime turbulent pour diverses configurations de jets intermittents confines. Le code de calcul a alors ete valide par rapport a des mesures directes de vitesse par anemometrie laser. L'analyse des perturbations apportees a la paroi en fonction des parametres operatoires conduit a preconiser l'adaptation de la configuration du jet au type de colmatage attendu. De plus, il a ete montre que le confinement du jet est la clef de l'efficacite de cette technique. La seconde partie concerne l'etude experimentale du principe retenu dans le cas de la filtration d'un fluide modele (une suspension de bentonite) et d'un fluide reel (un mout de fermentation). L'application a la filtration d'une suspension de bentonite sur membranes minerales tubulaires donne des resultats tres encourageants, allant jusqu'a une multiplication du flux de permeat par un facteur 3. De plus, cette amelioration se produit sur de grandes longueurs de membrane, mettant en evidence le role de l'oscillation en masse de la veine fluide sur la limitation du colmatage. Par ailleurs, l'application a un milieu biologique a montre une amelioration du flux de permeat de 30 a 70% suivant le mode de demarrage de l'installation, temoignant de l'applicabilite de cette technique aux fluides industriels. Enfin, outre sa simplicite de conception, la technique employee presente l'avantage de ne pas induire de consommation energetique supplementaire

L'objectif des études présentées est la mise en œuvre d'un réacteur à membrane pour l'hydrolyse en continu de l'hémoglobine bovine et la compréhension des facteurs qui déterminent la stabilité d'un réacteur enzymatique à membrane. Dans un premier temps, notre travail a consisté en la détermination des facteurs qui limitent le transfert a travers la membrane des peptides et de l'hème. L'influence de la nature de la membrane et du ph sur l'ultrafiltration d'un hydrolysat pepsique a été observée. Une membrane hydrophile et un ph alcalin limitent les interactions soluté-membrane et favorise le flux de filtrat. Nous avons choisi d'hydrolyser l'hémoglobine par une protéase alcaline (la delvolase) et d'ultrafiltrer l'hydrolysat obtenu avec une membrane en cellulose régénérée. Cependant, les interactions hème-hème limitent son passage. La deuxième partie du travail est consacrée à l'étude du passage des peptides et de l'hème en modulant la concentration en hydrolysat et le degré d'hydrolyse de l'hémoglobine. D'une part, une concentration optimale de 1 % a été obtenue. D'autre part, l'augmentation du degré d'hydrolyse modifie les interactions hème-peptides entrainant ainsi les différences de comportements d'hydrolysats suivant le degré d'hydrolyse. La modulation de la population de peptides a pu être mise en évidence. Pour conclure, l'hydrolyse en continu de l'hémoglobine bovine par la delvolase dans un réacteur a membrane a été développée. La stabilité et les performances du réacteur ont été analysées en fonction de la conduite du réacteur et du rapport enzyme/substrat (qui influence le degré d'hydrolyse). La modification du degré d'hydrolyse a permis de produire des populations différentes de peptides qui ont ensuite été caractérisés.

Les techniques separatives a membranes minerales autorisent le fractionnement de solutions salines en fonction de la charge et de la taille des solutes. Pour obtenir une selectivite elevee, la preparation de membranes a haut pouvoir separatif est necessaire. Nous proposons dans ce manuscrit deux methodes de preparation de membranes minerales de filtration tangentielle. Dans la premiere, nous utilisons un materiau ceramique, l'oxyde de titane, prepare en milieu co 2 supercritique par hydrolyse d'un precurseur metal-organique de l'oxyde. L'influence des differents parametres operatoires est de meme nature que celle observee en phase liquide (procede sol-gel) et permet le controle de la taille et de la texture des particules obtenues. Ce materiau est ensuite utilise afin de preparer des membranes minerales par le procede de compression de couche. Une fois mises en suspension, les particules sont deposees sur un support tubulaire, la couche est sechee puis comprimee a 200 mpa avant d'etre frittee. Les membranes obtenues sont des membranes d'ultrafiltration. D'autre part, un nouveau procede d'elaboration a ete developpe au cours de la these. Il consiste en l'hydrolyse en milieu co 2 supercritique d'un precurseur de l'oxyde de titane, directement impregne dans un support poreux. Le materiau ainsi forme est depose sur la surface de la membrane mais est aussi impregne dans la porosite de cette derniere. Cette methode conduit a l'obtention de membranes d'ultrafiltration permettant de retenir des molecules dont la masse est de l'ordre de 4500 g. Mol 1. Par ailleurs, nous avons etudie les mecanismes de transfert de matiere en filtration tangentielle dans le cas de la filtration de solutions salines. L'utilisation d'un modele electrocinetique base sur l'equation de nernst-planck generalisee, prenant en compte les interactions electrostatiques entre les solutes et le materiau ceramique, a conduit a une bonne validation entre les resultats experimentaux et la simulation numerique.