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Interactions "organismes vivants - sols, sédiments et matériaux de construction"
Interactions "organismes vivants - sols, sédiments et matériaux de construction"


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La thématique de recherche porte sur l’étude des interactions entre les organismes vivants et leurs milieux, concernant plus particulièrement les sols, les sédiments et les matériaux de construction. Les interactions entre les organismes vivants et leurs milieux sont complexes et donc difficiles à étudier puisqu’il convient de connaître : - l’impact des organismes vivants sur le milieu, comme par exemple lors de la biodégradation de composés organiques, de la biolixiviation de métaux ou de la biodétérioration du béton. - l’impact du milieu sur les organismes vivants ; ce qui correspond à une approche écotoxicologique. L’originalité de la démarche scientifique a été d’aborder les interactions « Organismes vivants – Milieux » à travers une approche pluridisciplinaire visant à étudier les couplages entre la chimie, la microbiologie et l’écotoxicologie tout en passant de milieux largement étudiés (comme les sols) à des milieu moins connus. (matériaux de construction). Les études menées ont conduit aux avancées scientifiques suivantes : •Développement d’une méthodologie permettant d’évaluer le potentiel de biodégradation d’un sol contaminé par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), •Connaissance de l’évolution de la diversité bactérienne lors d’un traitement biologique de sols contaminés par des HAP : mise en évidence des Gamma-protéobactéries (Pseudomonas et Enterobacter) comme bioindicateurs de l’évaluation du potentiel de biodégradation des HAP à 2, 3 et 4 cycles et des Béta-protéobactéries comme bioindicateurs de la qualité du milieu, •Développement d’essais de laboratoire représentatifs d’un traitement biologique de sols pollués par des HAP, permettant d’envisager la mise au point d’une stratégie d’optimisation et de monitoring d’un biotraitement, •Mise en évidence de l’importance sur l’écotoxicité, de la biodisponibilité des HAP au sein de sols pollués en relation avec la microstructure des sols et la répartition des polluants, •Élaborationn d’une méthodologie visant à évaluer l’écotoxicité de sols pollués au travers d’une batterie de bioessais, afin de rendre plus pertinente l’approche uniquement basée sur des analyses chimiques : développement d’un indice global « Ecoscore » visant à rendre compte de l’écotoxicité de sols pollués, •Mise en évidence de l’influence des bactéries sulfo-oxydantes, plus précisément du genre Acidithiobacillus, sur l’oxydation des sulfures métalliques contenus dans des sédiments de curage, conduisant au relargage d’ions métalliques dans l’environnement, •Compréhension des mécanismes de biodétérioration de mortiers armés par Acidithiobacillus thiooxidans grâce à la mise au point d’un test de laboratoire accéléré, reproductible et représentatif, permettant pour la première fois de quantifier l’activité bactérienne durant l’essai, •Compréhension des mécanismes d’adhésion des algues (Klebsormidium flaccidum) en relation avec l’état de surface de mortiers grâce au développement d’un test accéléré de laboratoire.
La thématique de recherche porte sur l’étude des interactions entre les organismes vivants et leurs milieux, concernant plus particulièrement les sols, les sédiments et les matériaux de construction. Les interactions entre les organismes vivants et leurs milieux sont complexes et donc difficiles à étudier puisqu’il convient de connaître : - l’impact des organismes vivants sur le milieu, comme par exemple lors de la biodégradation de composés organiques, de la biolixiviation de métaux ou de la biodétérioration du béton. - l’impact du milieu sur les organismes vivants ; ce qui correspond à une approche écotoxicologique. L’originalité de la démarche scientifique a été d’aborder les interactions « Organismes vivants – Milieux » à travers une approche pluridisciplinaire visant à étudier les couplages entre la chimie, la microbiologie et l’écotoxicologie tout en passant de milieux largement étudiés (comme les sols) à des milieu moins connus. (matériaux de construction). Les études menées ont conduit aux avancées scientifiques suivantes : •Développement d’une méthodologie permettant d’évaluer le potentiel de biodégradation d’un sol contaminé par des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), •Connaissance de l’évolution de la diversité bactérienne lors d’un traitement biologique de sols contaminés par des HAP : mise en évidence des Gamma-protéobactéries (Pseudomonas et Enterobacter) comme bioindicateurs de l’évaluation du potentiel de biodégradation des HAP à 2, 3 et 4 cycles et des Béta-protéobactéries comme bioindicateurs de la qualité du milieu, •Développement d’essais de laboratoire représentatifs d’un traitement biologique de sols pollués par des HAP, permettant d’envisager la mise au point d’une stratégie d’optimisation et de monitoring d’un biotraitement, •Mise en évidence de l’importance sur l’écotoxicité, de la biodisponibilité des HAP au sein de sols pollués en relation avec la microstructure des sols et la répartition des polluants, •Élaborationn d’une méthodologie visant à évaluer l’écotoxicité de sols pollués au travers d’une batterie de bioessais, afin de rendre plus pertinente l’approche uniquement basée sur des analyses chimiques : développement d’un indice global « Ecoscore » visant à rendre compte de l’écotoxicité de sols pollués, •Mise en évidence de l’influence des bactéries sulfo-oxydantes, plus précisément du genre Acidithiobacillus, sur l’oxydation des sulfures métalliques contenus dans des sédiments de curage, conduisant au relargage d’ions métalliques dans l’environnement, •Compréhension des mécanismes de biodétérioration de mortiers armés par Acidithiobacillus thiooxidans grâce à la mise au point d’un test de laboratoire accéléré, reproductible et représentatif, permettant pour la première fois de quantifier l’activité bactérienne durant l’essai, •Compréhension des mécanismes d’adhésion des algues (Klebsormidium flaccidum) en relation avec l’état de surface de mortiers grâce au développement d’un test accéléré de laboratoire.
10-11-2020
10-11-2020
Thèse
Thèse

Compréhension de l'altération chimique des matériaux afin d'optimiser leur valorisation dans les filières du Génie civil
Compréhension de l'altération chimique des matériaux afin d'optimiser leur valorisation dans les filières du Génie civil


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Mes principaux travaux de recherche présentés dans le cadre de cette HDR sont centrés sur le couple durabilité-valorisation des matériaux. En effet, ma préoccupation est de valoriser des matériaux réactifs chimiquement dans des bétons ou des infrastructures routières tout en préservant la durabilité des structures qui les contiennent. Ces matériaux réactifs (roches naturelles ou sous-produits industriels) utilisés comme granulat peuvent conduire à des désordres dimensionnels au niveau des structures qui les incorporent. La démarche de maîtrise des risques que nous avons instaurée est basée, sur une meilleure compréhension des mécanismes de dégradations plutôt que sur une approche empirique. Elle se décline de la façon suivante :1/ Identifier les phases réactives des matériaux à l’origine des expansions ainsi que les réactifs mis en cause dans l’altération de ces phases. Cela passe par des caractérisations chimique, physique et pétrographique très avancées des matériaux à l’état initial et au cours de l’altération. 2/ Cerner les mécanismes d’altération des matériaux et la génération du gonflement induit. Cela nécessite d’identifier les réactions chimiques mises en cause, le rôle de l’ensemble des réactifs et les manifestations physiques qui génèrent l’expansion. 3/ Elaborer des solutions permettant de réduire fortement l’altération des matériaux en limitant la présence ou l’action d’un des réactifs en jeu dans les réactions chimiques. Ainsi, à défaut d’annuler le risque expansif, il s’agit de le contenir afin de respecter les seuils réglementaires mais surtout d’assurer la pérennité des ouvrages. La mise en œuvre de cette démarche s’est faite principalement à travers deux sujets qui constituent le cœur de mon activité de recherche et sur lesquels est basée cette HDR :1/ Une pathologie d’ouvrage appelée la réaction alcali-silice qui affecte de nombreux ouvrages à travers le monde. Cela concerne des dégradations sur bétons dues à l’emploi de granulats naturels à base de phases siliceuses qui sont réactifs vis-à-vis des autres constituants du béton. Ces travaux ont conduit à la définition des variables physico-chimiques d’avancement spécifiques à la RAS sur différents granulats, à la détermination des phases minérales réactives, à la proposition d’un mécanisme réactionnel liant l’altération de la silice à l’expansion des granulats et par conséquent des bétons. La compréhension de ces mécanismes a pour but de formuler à terme des bétons durables non expansifs constitués de granulats réactifs augmentant ainsi la valorisation de ces derniers. La mesure de variables d’avancement physico-chimiques présente également un potentiel en termes d’aide au diagnostic de cette pathologie. 2/ La détérioration des chaussées employant un sous-produit industriel que sont les laitiers de conversion d’acérie LD comme granulat routier. L’altération de la chaux que contiennent les laitiers LD fait gonfler les granulats et entraîne des déformations et des fissurations de chaussées. Les caractérisations physico-chimiques et minéralogiques ont amené une meilleure compréhension du mécanisme d’altération des laitiers LD conduisant à leur instabilité dimensionnelle. Cette étude, couplée à l’analyse du processus industriel à l’origine des laitiers LD, a permis de proposer des orientations permettant la sélection de granulats de laitiers LD ayant un faible risque d’expansion pour des valorisations en techniques routières. Une ouverture est faite sur les conséquences d’un point de vue environnemental de l’altération chimique des matériaux principalement dans le cas de la valorisation de déchets et de sous-produits industriels. En effet, ces derniers peuvent contenir des polluants, il est donc essentiel d’évaluer le risque potentiel de leur émission dans l’environnement.
Mes principaux travaux de recherche présentés dans le cadre de cette HDR sont centrés sur le couple durabilité-valorisation des matériaux. En effet, ma préoccupation est de valoriser des matériaux réactifs chimiquement dans des bétons ou des infrastructures routières tout en préservant la durabilité des structures qui les contiennent. Ces matériaux réactifs (roches naturelles ou sous-produits industriels) utilisés comme granulat peuvent conduire à des désordres dimensionnels au niveau des structures qui les incorporent. La démarche de maîtrise des risques que nous avons instaurée est basée, sur une meilleure compréhension des mécanismes de dégradations plutôt que sur une approche empirique. Elle se décline de la façon suivante :1/ Identifier les phases réactives des matériaux à l’origine des expansions ainsi que les réactifs mis en cause dans l’altération de ces phases. Cela passe par des caractérisations chimique, physique et pétrographique très avancées des matériaux à l’état initial et au cours de l’altération. 2/ Cerner les mécanismes d’altération des matériaux et la génération du gonflement induit. Cela nécessite d’identifier les réactions chimiques mises en cause, le rôle de l’ensemble des réactifs et les manifestations physiques qui génèrent l’expansion. 3/ Elaborer des solutions permettant de réduire fortement l’altération des matériaux en limitant la présence ou l’action d’un des réactifs en jeu dans les réactions chimiques. Ainsi, à défaut d’annuler le risque expansif, il s’agit de le contenir afin de respecter les seuils réglementaires mais surtout d’assurer la pérennité des ouvrages. La mise en œuvre de cette démarche s’est faite principalement à travers deux sujets qui constituent le cœur de mon activité de recherche et sur lesquels est basée cette HDR :1/ Une pathologie d’ouvrage appelée la réaction alcali-silice qui affecte de nombreux ouvrages à travers le monde. Cela concerne des dégradations sur bétons dues à l’emploi de granulats naturels à base de phases siliceuses qui sont réactifs vis-à-vis des autres constituants du béton. Ces travaux ont conduit à la définition des variables physico-chimiques d’avancement spécifiques à la RAS sur différents granulats, à la détermination des phases minérales réactives, à la proposition d’un mécanisme réactionnel liant l’altération de la silice à l’expansion des granulats et par conséquent des bétons. La compréhension de ces mécanismes a pour but de formuler à terme des bétons durables non expansifs constitués de granulats réactifs augmentant ainsi la valorisation de ces derniers. La mesure de variables d’avancement physico-chimiques présente également un potentiel en termes d’aide au diagnostic de cette pathologie. 2/ La détérioration des chaussées employant un sous-produit industriel que sont les laitiers de conversion d’acérie LD comme granulat routier. L’altération de la chaux que contiennent les laitiers LD fait gonfler les granulats et entraîne des déformations et des fissurations de chaussées. Les caractérisations physico-chimiques et minéralogiques ont amené une meilleure compréhension du mécanisme d’altération des laitiers LD conduisant à leur instabilité dimensionnelle. Cette étude, couplée à l’analyse du processus industriel à l’origine des laitiers LD, a permis de proposer des orientations permettant la sélection de granulats de laitiers LD ayant un faible risque d’expansion pour des valorisations en techniques routières. Une ouverture est faite sur les conséquences d’un point de vue environnemental de l’altération chimique des matériaux principalement dans le cas de la valorisation de déchets et de sous-produits industriels. En effet, ces derniers peuvent contenir des polluants, il est donc essentiel d’évaluer le risque potentiel de leur émission dans l’environnement.
10-11-2020
10-11-2020
Thèse
Thèse

Anomalies de la glycosylation terminale dans la mucoviscidose et les cancers
Anomalies de la glycosylation terminale dans la mucoviscidose et les cancers


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Des anomalies de la glycosylation terminale et de la sulfatation des chaînes glycanniques sont impliquées dans le développement et l’agressivité de multiples pathologies, comme la mucoviscidose et les cancers. Les mécanismes responsables des anomalies de glycosylation associées aux pathologies sont encore très mal connus. Afin de mieux comprendre ces mécanismes, mon parcours scientifique est axé sur l’étude de la régulation de l’expression et de l’activité des enzymes impliquées dans la biosynthèse de motifs glycanniques périphériques : les glycosyltransférases (GTs) et les sulfotransférases (SulfoTs). Pendant ma thèse, j’ai caractérisé des activités glycosyl- et sulfotransférasiques dans la muqueuse bronchique humaine, et leur implication dans la biosynthèse des motifs glycanniques sialyl Lewix x (sLex) et 6-sulfo-sLex surexprimés chez les patients mucoviscidosiques (CF). Mes études sur les variations d’expression des GTs et SulfoTs en présence de cytokines pro-inflammatoires dans différents modèles bronchiques ont montré que l’inflammation pourrait être responsable de certaines anomalies de glycosylation des mucines bronchiques de patients CF, et ainsi contribuer à la chronicité de l’infection pulmonaire par Pseudomonas aeruginosa. Au cours de mon post-doctorat, j’ai étudié l’organisation supramoléculaire des GTs, qui constitue un élément de régulation de la glycosylation : j’ai caractérisé la formation d’un complexe entre une GT, la galactosylcéramide synthétase, et le transporteur d’UDP-galactose : ce complexe est nécessaire à l’import d’UDP-galactose dans le réticulum endoplasmique et à la galactosylation des céramides. Depuis ma nomination en tant que maitre de conférences au sein de l’UMR CNRS 8576, je m’intéresse à la régulation transcriptionnelle des GTs et SulfoTs dont l’expression varie dans la muqueuse bronchique sous l’influence de cytokines pro-inflammatoires et qui sont impliquées dans la biosynthèse des épitopes sLex et 6-sulfo-sLex, ligands préférentiels de P. aeruginosa. En parallèle, je suis impliquée dans un projet visant à élucider les mécanismes responsables des anomalies de glycosylation dans les cancers coliques. Ce projet est axé sur l’étude de la régulation transcriptionnelle, des activités et de l’organisation supramoléculaire des GTs dans les cellules coliques, dont certaines modifications pourraient induire les anomalies de glycosylation observées chez les patients atteints de cancers. Les données acquises au cours de ces projets devraient permettre de mieux comprendre les mécanismes de régulation de biosynthèse d’antigènes glucidiques associés à la mucoviscidose et aux tumeurs, et pourraient offrir de nouvelles perspectives thérapeutiques.
Des anomalies de la glycosylation terminale et de la sulfatation des chaînes glycanniques sont impliquées dans le développement et l’agressivité de multiples pathologies, comme la mucoviscidose et les cancers. Les mécanismes responsables des anomalies de glycosylation associées aux pathologies sont encore très mal connus. Afin de mieux comprendre ces mécanismes, mon parcours scientifique est axé sur l’étude de la régulation de l’expression et de l’activité des enzymes impliquées dans la biosynthèse de motifs glycanniques périphériques : les glycosyltransférases (GTs) et les sulfotransférases (SulfoTs). Pendant ma thèse, j’ai caractérisé des activités glycosyl- et sulfotransférasiques dans la muqueuse bronchique humaine, et leur implication dans la biosynthèse des motifs glycanniques sialyl Lewix x (sLex) et 6-sulfo-sLex surexprimés chez les patients mucoviscidosiques (CF). Mes études sur les variations d’expression des GTs et SulfoTs en présence de cytokines pro-inflammatoires dans différents modèles bronchiques ont montré que l’inflammation pourrait être responsable de certaines anomalies de glycosylation des mucines bronchiques de patients CF, et ainsi contribuer à la chronicité de l’infection pulmonaire par Pseudomonas aeruginosa. Au cours de mon post-doctorat, j’ai étudié l’organisation supramoléculaire des GTs, qui constitue un élément de régulation de la glycosylation : j’ai caractérisé la formation d’un complexe entre une GT, la galactosylcéramide synthétase, et le transporteur d’UDP-galactose : ce complexe est nécessaire à l’import d’UDP-galactose dans le réticulum endoplasmique et à la galactosylation des céramides. Depuis ma nomination en tant que maitre de conférences au sein de l’UMR CNRS 8576, je m’intéresse à la régulation transcriptionnelle des GTs et SulfoTs dont l’expression varie dans la muqueuse bronchique sous l’influence de cytokines pro-inflammatoires et qui sont impliquées dans la biosynthèse des épitopes sLex et 6-sulfo-sLex, ligands préférentiels de P. aeruginosa. En parallèle, je suis impliquée dans un projet visant à élucider les mécanismes responsables des anomalies de glycosylation dans les cancers coliques. Ce projet est axé sur l’étude de la régulation transcriptionnelle, des activités et de l’organisation supramoléculaire des GTs dans les cellules coliques, dont certaines modifications pourraient induire les anomalies de glycosylation observées chez les patients atteints de cancers. Les données acquises au cours de ces projets devraient permettre de mieux comprendre les mécanismes de régulation de biosynthèse d’antigènes glucidiques associés à la mucoviscidose et aux tumeurs, et pourraient offrir de nouvelles perspectives thérapeutiques.
10-11-2020
10-11-2020
Thèse
Thèse

Oxydation sélective et préférentielle du sulfure d'hydrogène par bouclage chimique
Oxydation sélective et préférentielle du sulfure d'hydrogène par bouclage chimique


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Le gaz naturel et le biogaz contiennent du H2S qui doit être éliminé avant toute utilisation. Cela se fait généralement par adsorption, par la récupération de H2S et par conversion en soufre élémentaire dans des procédés de type Claus. L'oxydation sélective catalytique de H2S par O2 est une alternative, mais les catalyseurs subissent une désactivation en raison de l'accumulation d'espèces soufrées et le mélange H2S/O2 nuit à la sélectivité. De plus, cela ne peut pas être fait en présence de l'hydrocarbure pour des raisons de sécurité. Un procédé innovant d'oxydation sélective de H2S en bouclage chimique est proposé dans lequel la réaction se déroule en deux étapes : la réduction d’un solide porteur d’oxygène par H2S avec formation de S élémentaire et la régénération du porteur par O2.Il est démontré que V2O5 est une phase active prometteuse pour ce procédé. Parmi plusieurs supports testés, le TiO2 et le SiO2 s’avèrent les plus adéquats et il est montré que les matériaux de faible surface doivent être privilégiés. L'effet de la teneur en V2O5 sur le support de TiO2 est étudié et il est montré que la distribution optimale de phase active est atteinte lorsque l'équivalent de 2 monocouches de V2O5 est présent. L’étude de la réactivité de ce porteur montre qu’un équilibre optimal entre V3+, V4+ et V5+ est nécessaire. La présence d'espèces V4+ favorise la réactivité, mais seule la réduction d'espèces V5+ à V4+ est sélective, la réduction en V3+ entraînant la formation de SO2. Ce procédé est insensible à la présence de méthane, ouvrant la voie à la purification du biogaz ou du gaz naturel sans nécessiter de séparation préalable du H2S.
Natural gas and biogas resources contain H2S, which needs to be removed prior to any use. This is usually done by adsorption followed by H2S recovery and conversion through Claus type processes to produce elemental sulfur. Direct catalytic selective oxidation of the H2S to elemental sulfur is an alternative but catalysts suffer from deactivation due to accumulation of sulfur species and H2S/O2 mixing usually affects selectivity. Furthermore, it cannot be done in the presence of the hydrocarbon due to safety issues. To overcome these limitations, a Chemical Looping Selective Oxidation of H2S (CLSOSH) process is proposed in which the reaction proceeds in two steps: a “reductant step” in which H2S reduces the carrier and produces elemental S and an “oxidant step” in which the carrier is regenerated by O2. V2O5 was demonstrated that to be a promising active phase for CLSOSH. Several support materials were tested. TiO2 and SiO2 proved to be the most adequate and it was shown that low surface area materials should be privileged. The effect of V2O5 loading on TiO2 support was investigated and it was shown that optimal distribution of V2O5 is reached when the equivalent of 2 monolayers of active phase are present. Detailed analysis of the reactivity of this carrier showed that an optimal balance between V3+, V4+, and V5+ need to be found. The presence of V4+ species promote reactivity but only V5+ to V4+ species reduction should be involved to reach optimal selectivity as reduction to V3+ lead to SO2 formation. CLSOSH proved to be insensitive to the presence of methane is the feed, opening the path for biogas or natural gas purification without the need of H2S separation.
Le gaz naturel et le biogaz contiennent du H2S qui doit être éliminé avant toute utilisation. Cela se fait généralement par adsorption, par la récupération de H2S et par conversion en soufre élémentaire dans des procédés de type Claus. L'oxydation sélective catalytique de H2S par O2 est une alternative, mais les catalyseurs subissent une désactivation en raison de l'accumulation d'espèces soufrées et le mélange H2S/O2 nuit à la sélectivité. De plus, cela ne peut pas être fait en présence de l'hydrocarbure pour des raisons de sécurité. Un procédé innovant d'oxydation sélective de H2S en bouclage chimique est proposé dans lequel la réaction se déroule en deux étapes : la réduction d’un solide porteur d’oxygène par H2S avec formation de S élémentaire et la régénération du porteur par O2.Il est démontré que V2O5 est une phase active prometteuse pour ce procédé. Parmi plusieurs supports testés, le TiO2 et le SiO2 s’avèrent les plus adéquats et il est montré que les matériaux de faible surface doivent être privilégiés. L'effet de la teneur en V2O5 sur le support de TiO2 est étudié et il est montré que la distribution optimale de phase active est atteinte lorsque l'équivalent de 2 monocouches de V2O5 est présent. L’étude de la réactivité de ce porteur montre qu’un équilibre optimal entre V3+, V4+ et V5+ est nécessaire. La présence d'espèces V4+ favorise la réactivité, mais seule la réduction d'espèces V5+ à V4+ est sélective, la réduction en V3+ entraînant la formation de SO2. Ce procédé est insensible à la présence de méthane, ouvrant la voie à la purification du biogaz ou du gaz naturel sans nécessiter de séparation préalable du H2S.
Natural gas and biogas resources contain H2S, which needs to be removed prior to any use. This is usually done by adsorption followed by H2S recovery and conversion through Claus type processes to produce elemental sulfur. Direct catalytic selective oxidation of the H2S to elemental sulfur is an alternative but catalysts suffer from deactivation due to accumulation of sulfur species and H2S/O2 mixing usually affects selectivity. Furthermore, it cannot be done in the presence of the hydrocarbon due to safety issues. To overcome these limitations, a Chemical Looping Selective Oxidation of H2S (CLSOSH) process is proposed in which the reaction proceeds in two steps: a “reductant step” in which H2S reduces the carrier and produces elemental S and an “oxidant step” in which the carrier is regenerated by O2. V2O5 was demonstrated that to be a promising active phase for CLSOSH. Several support materials were tested. TiO2 and SiO2 proved to be the most adequate and it was shown that low surface area materials should be privileged. The effect of V2O5 loading on TiO2 support was investigated and it was shown that optimal distribution of V2O5 is reached when the equivalent of 2 monolayers of active phase are present. Detailed analysis of the reactivity of this carrier showed that an optimal balance between V3+, V4+, and V5+ need to be found. The presence of V4+ species promote reactivity but only V5+ to V4+ species reduction should be involved to reach optimal selectivity as reduction to V3+ lead to SO2 formation. CLSOSH proved to be insensitive to the presence of methane is the feed, opening the path for biogas or natural gas purification without the need of H2S separation.
02-11-2020
02-11-2020
Thèse
Thèse

Optimisation d’une bouillie infantile et son enrichissement en protéines et vitamines en vue de son utilisation comme aliment de complément chez le nourrisson et le jeune enfant en Centrafrique
Optimisation d’une bouillie infantile et son enrichissement en protéines et vitamines en vue de son utilisation comme aliment de complément chez le nourrisson et le jeune enfant en Centrafrique


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Dès sa naissance, les besoins nutritionnels du nourrisson sont entièrement couverts par l’apport quotidien en lait maternel ou en succédanés en cas d’indisponibilité ou de risque. A partir de quatre mois, un apport alimentaire complémentaire s’avère nécessaire pour la couverture des besoins de croissance qui augmentent. Et c’est généralement à ce stade que surviennent dans de nombreux pays en développement et notamment en République centrafricaine, des perturbations métaboliques entraînant des graves troubles alimentaires. Parmi les multiples causes de ces perturbations métaboliques scientifiquement établies, un apport alimentaire inadéquat en qualité des aliments de complément a été relevé comme entraînant de carences multiples qui aboutissent à des états de déficit nutritionnel tels que la malnutrition aiguë modérée. Cette faim cachée est responsable de forts taux de morbidité et mortalité infanto – juvénile et pose un problème de santé publique. Ce projet doctoral propose comme solution une approche préventive consistant à optimiser une bouillie infantile à base de denrées locales de la République centrafricaine. En effet, pour compléter le lait maternel, une formule de bouillie à base de pâte de maïs germé et/ou de farine de manioc reste l’apport privilégié pour le nourrisson et le jeune enfant à l’amorce et durant le sevrage dans ce pays d’Afrique subsaharienne. Cet apport, bien que majoritairement énergétique, ne contribue pas à couvrir les besoins de croissance et de régulation assurés par les protéines et les vitamines. Les protéines de chenilles du genre Imbrasia se sont révélées comme de meilleures sources de protéines alimentaires du pays non seulement au goût, mais également de faible coût et offrant des avantages thérapeutiques. Une des sources locales de vitamines est celle des fruits de saison. C’est ainsi que nous avons recherché et obtenu, en utilisant la méthode des plans d’expériences de type HADAMARD, une formule optimisée de bouillie infantile à partir de sept (7) divers ingrédients notamment de la pâte de maïs germé, de la farine de manioc, de la pâte d’arachide, de la mangue, de l’albédo d’orange, de la banane douce, et de la poudre de chenilles du genre Imbrasia. Cette formule optimisée pour nourrisson et jeune enfant a été analysée et pourrait offrir jusqu’à 600kcal complémentaire par jour. En sus, une recherche spécifique sur les protéines de chenilles a permis de relever un profil minéral intéressant en Calcium, Fer, Magnésium et Zinc. Des extraits de peptides utilisés pour des tests antimicrobiens ont montré des résultats probants sur Micrococcus luteus. En définitive, cette formule optimisée offre un atout nutritionnel et thérapeutique, gage d’une meilleure croissance du nourrisson et du jeune enfant.
From birth, infant's nutritional requirements are covered by daily intake of breast milk or substitutes in case of unavailability or risk. Complementary food intake is necessary to cover growth needs that increase four months later. Usually, at this moment occur metabolic disturbances in many developing countries including Central African Republic, resulting in serious eating disorders. Among causes scientifically established of these metabolic disorders, inadequate dietary quality of complementary foods was noted as causing multiple deficiencies that lead to nutritional deficiency states such as moderate acute malnutrition. This hidden hunger is responsible for high morbidity and under – five mortality and poses a public health problem. This doctoral project aims a preventive approach as solution for optimizing a child gruel using local products from the Central African Republic. Indeed, to supplement breast milk, gruel based of sprouted corn dough and / or cassava flour remains the primary intake for infants and young children at the beginning and during breast withdrawal in Central African Republic. This contribution does not help to cover the growth and regulation needs provided by proteins and vitamins. Caterpillars of genus Imbrasia were been shown as better sources of dietary protein of the country not only for taste, but also for their low cost and therapeutic benefits. Local sources of vitamins are seasonal fruits. Thus, we obtained, using experimental designs method of HADAMARD, an infant gruel formula based on seven (7) various ingredients including pulp germinated maize, flour cassava, peanut paste, mango, orange albedo, sweet banana, and powder of caterpillars genus Imbrasia. This optimized formula for infants and young children has been analyzed and could offer up additional 600kcal per day. In addition, a specific research on proteins has identified an interesting mineral profile in Calcium, Iron, Magnesium and Zinc. Peptides extracts used for antimicrobial tests showed positive results on Micrococcus luteus. Ultimately, this optimized formula provides nutritional and therapeutic asset, guarantees better growth of the infant and young child.
Dès sa naissance, les besoins nutritionnels du nourrisson sont entièrement couverts par l’apport quotidien en lait maternel ou en succédanés en cas d’indisponibilité ou de risque. A partir de quatre mois, un apport alimentaire complémentaire s’avère nécessaire pour la couverture des besoins de croissance qui augmentent. Et c’est généralement à ce stade que surviennent dans de nombreux pays en développement et notamment en République centrafricaine, des perturbations métaboliques entraînant des graves troubles alimentaires. Parmi les multiples causes de ces perturbations métaboliques scientifiquement établies, un apport alimentaire inadéquat en qualité des aliments de complément a été relevé comme entraînant de carences multiples qui aboutissent à des états de déficit nutritionnel tels que la malnutrition aiguë modérée. Cette faim cachée est responsable de forts taux de morbidité et mortalité infanto – juvénile et pose un problème de santé publique. Ce projet doctoral propose comme solution une approche préventive consistant à optimiser une bouillie infantile à base de denrées locales de la République centrafricaine. En effet, pour compléter le lait maternel, une formule de bouillie à base de pâte de maïs germé et/ou de farine de manioc reste l’apport privilégié pour le nourrisson et le jeune enfant à l’amorce et durant le sevrage dans ce pays d’Afrique subsaharienne. Cet apport, bien que majoritairement énergétique, ne contribue pas à couvrir les besoins de croissance et de régulation assurés par les protéines et les vitamines. Les protéines de chenilles du genre Imbrasia se sont révélées comme de meilleures sources de protéines alimentaires du pays non seulement au goût, mais également de faible coût et offrant des avantages thérapeutiques. Une des sources locales de vitamines est celle des fruits de saison. C’est ainsi que nous avons recherché et obtenu, en utilisant la méthode des plans d’expériences de type HADAMARD, une formule optimisée de bouillie infantile à partir de sept (7) divers ingrédients notamment de la pâte de maïs germé, de la farine de manioc, de la pâte d’arachide, de la mangue, de l’albédo d’orange, de la banane douce, et de la poudre de chenilles du genre Imbrasia. Cette formule optimisée pour nourrisson et jeune enfant a été analysée et pourrait offrir jusqu’à 600kcal complémentaire par jour. En sus, une recherche spécifique sur les protéines de chenilles a permis de relever un profil minéral intéressant en Calcium, Fer, Magnésium et Zinc. Des extraits de peptides utilisés pour des tests antimicrobiens ont montré des résultats probants sur Micrococcus luteus. En définitive, cette formule optimisée offre un atout nutritionnel et thérapeutique, gage d’une meilleure croissance du nourrisson et du jeune enfant.
From birth, infant's nutritional requirements are covered by daily intake of breast milk or substitutes in case of unavailability or risk. Complementary food intake is necessary to cover growth needs that increase four months later. Usually, at this moment occur metabolic disturbances in many developing countries including Central African Republic, resulting in serious eating disorders. Among causes scientifically established of these metabolic disorders, inadequate dietary quality of complementary foods was noted as causing multiple deficiencies that lead to nutritional deficiency states such as moderate acute malnutrition. This hidden hunger is responsible for high morbidity and under – five mortality and poses a public health problem. This doctoral project aims a preventive approach as solution for optimizing a child gruel using local products from the Central African Republic. Indeed, to supplement breast milk, gruel based of sprouted corn dough and / or cassava flour remains the primary intake for infants and young children at the beginning and during breast withdrawal in Central African Republic. This contribution does not help to cover the growth and regulation needs provided by proteins and vitamins. Caterpillars of genus Imbrasia were been shown as better sources of dietary protein of the country not only for taste, but also for their low cost and therapeutic benefits. Local sources of vitamins are seasonal fruits. Thus, we obtained, using experimental designs method of HADAMARD, an infant gruel formula based on seven (7) various ingredients including pulp germinated maize, flour cassava, peanut paste, mango, orange albedo, sweet banana, and powder of caterpillars genus Imbrasia. This optimized formula for infants and young children has been analyzed and could offer up additional 600kcal per day. In addition, a specific research on proteins has identified an interesting mineral profile in Calcium, Iron, Magnesium and Zinc. Peptides extracts used for antimicrobial tests showed positive results on Micrococcus luteus. Ultimately, this optimized formula provides nutritional and therapeutic asset, guarantees better growth of the infant and young child.
02-11-2020
02-11-2020
Thèse
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On the performance of subsystem approaches to model heavy element species in solution
On the performance of subsystem approaches to model heavy element species in solution


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Afin de comprendre les mesures spectroscopiques, il est d'une grande importance de comprendre les processus physiques au niveau microscopique à cause du rôle des électrons (et des noyaux) dans le système. Le traitement de ces particules nécessite, au moins, un niveau de mécanique quantique pour le système d'intérêt. La présence des éléments lourds dans le système aggrave la situation à cause de l'obligation de tenir en compte, en plus du grand nombre de particules, les effets relativistes. Après un premier chapitre sur les différentes méthodes théorique, le second chapitre explore les méthodes d'embedding qui peuvent apporter des solution dans le cas où un traitement quantique pour tout le système est demandé. La suite de ce travail concentre sur l'exploration de la performance de la méthode Frozen Density Embedding dans la description des propriétés électroniques (Potentiels d'ionisation des halogénures solvatés ) dans les chapitres 3 et 4 et des propriétés magnétiques (Écrantage RMN et couplage J) dans le chapitre 5.
In order to understand spectroscopic measurements, it is important to understand the physical processes taking place at a microscopic scale, since these are related to the behaviour of the electrons (and nuclei) in the system. The treatment of such particles requires one way or another a quantum mechanical treatment of the atoms and molecules that make up a given system of interest. This means that in order to achieve that we must perform theoretical sim- ulations and, if such systems contain heavy elements, this is a particularly dicult task, since we not only have to deal with the large number of particles but also include relativistic e↵ects. These diculties have motivated the development of several theoretical approaches that sim- plify the treatment of at least part of the total system. This thesis investigates the use of the Frozen Density Embedding (FDE) approach to the calculation of molecular properties of complex systems. FDE is a formally exact method with which we can separate a complex molecular system into subsystems and choose the most suit- able electronic structure approach to treat each of these. With this separation, we can focus the computational e↵ort into one or a few subsystems of interest and treat them very accurately with relativistic electronic structure methods that include spin-orbit coupling, while the e↵ect of the remaining subsystems (environment) on the system of interest is treated at a suciently high level of accuracy. Our first interest was in the quantum mechanical description of ionisation energies for molecular aggregates of microsolvated halides, such as found in water droplets. We have ex- plored the sensitivity of these energies to structural changes around the halides and among the waters, and how these energies evolve with the size of the aggregate, with our results being in quantitative agreement with experimental data, and we have predicted the ionisation energies of the heaviest of halides, astatide, which is of interest as a radiotherapeutic agent. Our results demonstrate that with the combination of relativistic EOM-CC for the active subsystem and DFT for the environment, a↵orded by FDE, one can rival with quite sophisticated theoretical approaches based on periodic quasi-particle calculations which are the current state-of-the-art for condensed matter simulations. We have also explored the performance of FDE for the description of solvent e↵ects on magnetic properties (indirect spin-spin couplings and NMR shielding tensors) for a complex PtTl(CN)5 containing a metal-metal bond between the heavy centres (Pt, Tl), this time purely at relativistic DFT level. For spin-spin couplings, we have shown that much like prior theoretical results, we require an extensive first hydration shell around the complex, but nevertheless arrive at a semi-quantitative agreement with experiment. For NMR shieldings on the other hand, FDE allows us to significantly reduce the amount of water molecules explicitly added to the active subsystem to the first hydration shell around the Tl atom. This might open up the perspective to employing FDE with more accurate with more accurate electronic structure methods for this property for this class of compounds.
Afin de comprendre les mesures spectroscopiques, il est d'une grande importance de comprendre les processus physiques au niveau microscopique à cause du rôle des électrons (et des noyaux) dans le système. Le traitement de ces particules nécessite, au moins, un niveau de mécanique quantique pour le système d'intérêt. La présence des éléments lourds dans le système aggrave la situation à cause de l'obligation de tenir en compte, en plus du grand nombre de particules, les effets relativistes. Après un premier chapitre sur les différentes méthodes théorique, le second chapitre explore les méthodes d'embedding qui peuvent apporter des solution dans le cas où un traitement quantique pour tout le système est demandé. La suite de ce travail concentre sur l'exploration de la performance de la méthode Frozen Density Embedding dans la description des propriétés électroniques (Potentiels d'ionisation des halogénures solvatés ) dans les chapitres 3 et 4 et des propriétés magnétiques (Écrantage RMN et couplage J) dans le chapitre 5.
In order to understand spectroscopic measurements, it is important to understand the physical processes taking place at a microscopic scale, since these are related to the behaviour of the electrons (and nuclei) in the system. The treatment of such particles requires one way or another a quantum mechanical treatment of the atoms and molecules that make up a given system of interest. This means that in order to achieve that we must perform theoretical sim- ulations and, if such systems contain heavy elements, this is a particularly dicult task, since we not only have to deal with the large number of particles but also include relativistic e↵ects. These diculties have motivated the development of several theoretical approaches that sim- plify the treatment of at least part of the total system. This thesis investigates the use of the Frozen Density Embedding (FDE) approach to the calculation of molecular properties of complex systems. FDE is a formally exact method with which we can separate a complex molecular system into subsystems and choose the most suit- able electronic structure approach to treat each of these. With this separation, we can focus the computational e↵ort into one or a few subsystems of interest and treat them very accurately with relativistic electronic structure methods that include spin-orbit coupling, while the e↵ect of the remaining subsystems (environment) on the system of interest is treated at a suciently high level of accuracy. Our first interest was in the quantum mechanical description of ionisation energies for molecular aggregates of microsolvated halides, such as found in water droplets. We have ex- plored the sensitivity of these energies to structural changes around the halides and among the waters, and how these energies evolve with the size of the aggregate, with our results being in quantitative agreement with experimental data, and we have predicted the ionisation energies of the heaviest of halides, astatide, which is of interest as a radiotherapeutic agent. Our results demonstrate that with the combination of relativistic EOM-CC for the active subsystem and DFT for the environment, a↵orded by FDE, one can rival with quite sophisticated theoretical approaches based on periodic quasi-particle calculations which are the current state-of-the-art for condensed matter simulations. We have also explored the performance of FDE for the description of solvent e↵ects on magnetic properties (indirect spin-spin couplings and NMR shielding tensors) for a complex PtTl(CN)5 containing a metal-metal bond between the heavy centres (Pt, Tl), this time purely at relativistic DFT level. For spin-spin couplings, we have shown that much like prior theoretical results, we require an extensive first hydration shell around the complex, but nevertheless arrive at a semi-quantitative agreement with experiment. For NMR shieldings on the other hand, FDE allows us to significantly reduce the amount of water molecules explicitly added to the active subsystem to the first hydration shell around the Tl atom. This might open up the perspective to employing FDE with more accurate with more accurate electronic structure methods for this property for this class of compounds.
02-11-2020
02-11-2020
Thèse
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Numerical modelling and small scale testing of fire performances for halogen-free cables
Numerical modelling and small scale testing of fire performances for halogen-free cables


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L'objectif de ce travail de thèse est d’étudier le comportement au feu de câbles électriques par deux approches, la première consistant à développer des méthodes de caractérisation des propriétés des gaines externes de câbles afin d’en modéliser le comportement au feu. Parallèlement, une approche basée sur le développement d’un banc d'essai original à échelle réduite a été étudiée. La caractérisation des propriétés thermo-physique des matériaux a permis la prédiction de la température et de la perte de masse lors d'expériences thermogravimétriques, de gazéification et de combustion. Il a été montré que tester de mince spécimen de gaine de câbles dans une enceinte à échelle réduite permettait la prédiction des résultats de la norme EN 50399. Ce nouveau test de l'échelle du laboratoire a ensuite utilisé avec succès pour le développement de nouveaux câbles présentant des propriétés feu améliorées.
The aim of this PhD work is to study the behavior of cables following two approaches: numerical modelling and small scale testing. First, methodologies to characterize the properties of the cables jacket materials were developed to further model their fire behavior. Concurrently, an approach was followed by developing a novel bench-scale fire test. Innovative methodologies using simultaneous thermal analyzer, Hot Disc apparatus were developed and so, the thermo-physical properties of the materials were characterized both as a function of temperature and of the decomposition state. Using these parameters as inputs data for a pyrolysis model, the temperature and mass loss rate were well predicted in case of thermo-gravimetric experiments, gasification and mass loss calorimeter. Moreover, it was shown that testing thin specimen of cables jacket materials in a reduced scaled enclosure of the EN 50399 test allowed the prediction of the results obtained on the large scale test carried out on whole cables. This new bench scale test was then successfully to develop new material that can be used as jacket for halogen-free electrical cable.
L'objectif de ce travail de thèse est d’étudier le comportement au feu de câbles électriques par deux approches, la première consistant à développer des méthodes de caractérisation des propriétés des gaines externes de câbles afin d’en modéliser le comportement au feu. Parallèlement, une approche basée sur le développement d’un banc d'essai original à échelle réduite a été étudiée. La caractérisation des propriétés thermo-physique des matériaux a permis la prédiction de la température et de la perte de masse lors d'expériences thermogravimétriques, de gazéification et de combustion. Il a été montré que tester de mince spécimen de gaine de câbles dans une enceinte à échelle réduite permettait la prédiction des résultats de la norme EN 50399. Ce nouveau test de l'échelle du laboratoire a ensuite utilisé avec succès pour le développement de nouveaux câbles présentant des propriétés feu améliorées.
The aim of this PhD work is to study the behavior of cables following two approaches: numerical modelling and small scale testing. First, methodologies to characterize the properties of the cables jacket materials were developed to further model their fire behavior. Concurrently, an approach was followed by developing a novel bench-scale fire test. Innovative methodologies using simultaneous thermal analyzer, Hot Disc apparatus were developed and so, the thermo-physical properties of the materials were characterized both as a function of temperature and of the decomposition state. Using these parameters as inputs data for a pyrolysis model, the temperature and mass loss rate were well predicted in case of thermo-gravimetric experiments, gasification and mass loss calorimeter. Moreover, it was shown that testing thin specimen of cables jacket materials in a reduced scaled enclosure of the EN 50399 test allowed the prediction of the results obtained on the large scale test carried out on whole cables. This new bench scale test was then successfully to develop new material that can be used as jacket for halogen-free electrical cable.
02-11-2020
02-11-2020
Thèse
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Impacts of a top-predator emergence in an exploited ecosystem : North Sea hake and saithe. Which interactions ? What consequences ?
Impacts of a top-predator emergence in an exploited ecosystem : North Sea hake and saithe. Which interactions ? What consequences ?


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La population de lieu noir (Pollachius virens) de mer du Nord a une importance économique élevée pour les pêcheries européennes. Depuis une dizaine d’années, l’abondance du lieu noir a décliné, alors que le merlu (Merluccius merluccius), qui était peu pêché dans cette zone, a vu son abondance fortement augmenter. Ce travail se concentre sur la nature des interactions écologiques entre le lieu noir et le merlu en Mer du Nord afin de déterminer si la récente émergence du merlu dans cette zone pourrait expliquer, au moins en partie, le récent déclin du stock de lieu noir. Les résultats obtenus lors de ce travail de recherche ont permis de valider l’hypothèse de compétition entre le lieu noir et le merlu. De plus, cette étude a révélé un impact potentiellement négatif de l’augmentation du merlu sur la biomasse de lieu noir. L’émergence du merlu en mer du Nord doit donc être sérieusement prise en compte dans les avis scientifiques supportant les décisions de gestion encadrant la pêche du lieu noir, mais aussi des autres espèces de mer du Nord que l’émergence du merlu est susceptible d’affecter. Finalement, ce travail fournit donc les premières bases écologiques nécessaires à une investigation plus détaillée des conséquences de l’émergence du merlu dans un écosystème hautement exploité tel que la mer du Nord.
North Sea saithe (Pollachius virens) has high economic value for European fisheries. In recent years, North Sea saithe abundance has decreased, while abundance of hake (Merluccius merluccius), which was rarely fished in the North Sea, has increased dramatically in the area. This work investigate the nature of the ecological interactions between saithe and hake in the North Sea, in order to understand if recent hake emergence in this area could explain, at least partially, the recent decline of the saithe stock. The results obtained during this research suggested competitive interactions between saithe and hake predators in the area. In addition, this investigation revealed potential negative effects of hake emergence in the North Sea on the resident saithe stock. Therefore, hake emergence in the North Sea must be taken into account when managing commercial species fisheries, the sustainability of which may be threatened by this up-coming predator. Finally, the results obtained within this PhD research thesis highlight the importance of hake as an up-coming predator and competitor in the North Sea, and provide the necessary basis for further investigations of hake potential ecological and economic function in this exploited ecosystem.
La population de lieu noir (Pollachius virens) de mer du Nord a une importance économique élevée pour les pêcheries européennes. Depuis une dizaine d’années, l’abondance du lieu noir a décliné, alors que le merlu (Merluccius merluccius), qui était peu pêché dans cette zone, a vu son abondance fortement augmenter. Ce travail se concentre sur la nature des interactions écologiques entre le lieu noir et le merlu en Mer du Nord afin de déterminer si la récente émergence du merlu dans cette zone pourrait expliquer, au moins en partie, le récent déclin du stock de lieu noir. Les résultats obtenus lors de ce travail de recherche ont permis de valider l’hypothèse de compétition entre le lieu noir et le merlu. De plus, cette étude a révélé un impact potentiellement négatif de l’augmentation du merlu sur la biomasse de lieu noir. L’émergence du merlu en mer du Nord doit donc être sérieusement prise en compte dans les avis scientifiques supportant les décisions de gestion encadrant la pêche du lieu noir, mais aussi des autres espèces de mer du Nord que l’émergence du merlu est susceptible d’affecter. Finalement, ce travail fournit donc les premières bases écologiques nécessaires à une investigation plus détaillée des conséquences de l’émergence du merlu dans un écosystème hautement exploité tel que la mer du Nord.
North Sea saithe (Pollachius virens) has high economic value for European fisheries. In recent years, North Sea saithe abundance has decreased, while abundance of hake (Merluccius merluccius), which was rarely fished in the North Sea, has increased dramatically in the area. This work investigate the nature of the ecological interactions between saithe and hake in the North Sea, in order to understand if recent hake emergence in this area could explain, at least partially, the recent decline of the saithe stock. The results obtained during this research suggested competitive interactions between saithe and hake predators in the area. In addition, this investigation revealed potential negative effects of hake emergence in the North Sea on the resident saithe stock. Therefore, hake emergence in the North Sea must be taken into account when managing commercial species fisheries, the sustainability of which may be threatened by this up-coming predator. Finally, the results obtained within this PhD research thesis highlight the importance of hake as an up-coming predator and competitor in the North Sea, and provide the necessary basis for further investigations of hake potential ecological and economic function in this exploited ecosystem.
02-11-2020
02-11-2020
Thèse
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Fabrication and thermal conductivity characterization of phononic engineered silicon membranes for thermoelectric applications
Fabrication and thermal conductivity characterization of phononic engineered silicon membranes for thermoelectric applications


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La thermoélectricité rencontre un intérêt croissant ces dernières années comme source d'énergie alternative pour l’alimentation de dispositifs micro- et nano- électroniques. Les matériaux thermoélectriques transforment par effet Seebeck une différence de température en énergie électrique utile. Dans les dispositifs thermoélectriques, l’énergie perdue en général sous forme de chaleur résiduelle peut ainsi être recyclée en utilisant les gradients de température existants. L'efficacité thermoélectrique dépend des propriétés électroniques du matériau et de sa conductivité thermique κ. Le silicium présente une très bonne conductivité électrique et un coefficient Seebeck prometteur, mais sa conductivité thermique phononique limite fortement son potentiel pour des applications thermoélectriques, du moins sous forme de matériau massif. Par contre, la nanostructuration du silicium en couches minces, et a fortiori la fabrication de cristaux phononiques permet de réduire fortement la conductivité thermique. Dans ce travail, des simulations de dynamique moléculaire sont réalisées pour confirmer cette stratégie et permettre la définition d'un design optimal de membranes perforées. De plus, le travail expérimental montre différentes méthodologies de fabrication de membranes phononiques de silicium intégrées dans une plate-forme de métrologie. Plusieurs techniques de caractérisation (Electrothermique, Raman et Microscopie à sonde thermique) ont ensuite été utilisées pour déterminer la conductivité thermique des membranes. Une réduction considérable de κ est obtenue pour le silicium, permettant d’envisager l’intégration de ces membranes dans un convertisseur thermoélectrique.
In the last twenty years, the continuous seek for alternative energy sources to power micro- and nano-electronic devices has marked the rise of interest toward thermoelectricity. Thermoelectric materials can turn directly, by Seebeck effect, the temperature difference into useful electric power. The energy lost as waste heat can be re-used as a power source. It is known that, to improve thermoelectric efficiency, an important role is played by material’s electronic properties and its thermal conductivity. Silicon exhibits very good electrical conductivity and Seebeck parameter, but its lattice thermal conductivity represents the bigger obstacle for thermoelectric applications, preventing its direct integration as bulk material. It has been demonstrated that nanostructuring silicon in thin films enables the reduction of thermal conductivity down to one order of magnitude. Furthermore, a supplementary decrease of thermal conductivity is possible by periodical patterning of the silicon thin film in a photonic-like way, creating Phononic Crystals (PnCs). In our work molecular dynamics simulations are performed to confirm the trend envisaged and allow the definition of an optimal design for the patterned membranes. Moreover, our experimental work lists different fabrication methodologies of silicon phononic engineered membranes integrate into a metrology platform. Several characterization techniques (Electrothermal , Raman thermometry, Scanning Thermal Microscopy) are used to determine the membranes thermal conductivity. A considerable reduction of κ is obtained for silicon, paving the way for a prospective integration of those membranes into a thermoelectric converter.
La thermoélectricité rencontre un intérêt croissant ces dernières années comme source d'énergie alternative pour l’alimentation de dispositifs micro- et nano- électroniques. Les matériaux thermoélectriques transforment par effet Seebeck une différence de température en énergie électrique utile. Dans les dispositifs thermoélectriques, l’énergie perdue en général sous forme de chaleur résiduelle peut ainsi être recyclée en utilisant les gradients de température existants. L'efficacité thermoélectrique dépend des propriétés électroniques du matériau et de sa conductivité thermique κ. Le silicium présente une très bonne conductivité électrique et un coefficient Seebeck prometteur, mais sa conductivité thermique phononique limite fortement son potentiel pour des applications thermoélectriques, du moins sous forme de matériau massif. Par contre, la nanostructuration du silicium en couches minces, et a fortiori la fabrication de cristaux phononiques permet de réduire fortement la conductivité thermique. Dans ce travail, des simulations de dynamique moléculaire sont réalisées pour confirmer cette stratégie et permettre la définition d'un design optimal de membranes perforées. De plus, le travail expérimental montre différentes méthodologies de fabrication de membranes phononiques de silicium intégrées dans une plate-forme de métrologie. Plusieurs techniques de caractérisation (Electrothermique, Raman et Microscopie à sonde thermique) ont ensuite été utilisées pour déterminer la conductivité thermique des membranes. Une réduction considérable de κ est obtenue pour le silicium, permettant d’envisager l’intégration de ces membranes dans un convertisseur thermoélectrique.
In the last twenty years, the continuous seek for alternative energy sources to power micro- and nano-electronic devices has marked the rise of interest toward thermoelectricity. Thermoelectric materials can turn directly, by Seebeck effect, the temperature difference into useful electric power. The energy lost as waste heat can be re-used as a power source. It is known that, to improve thermoelectric efficiency, an important role is played by material’s electronic properties and its thermal conductivity. Silicon exhibits very good electrical conductivity and Seebeck parameter, but its lattice thermal conductivity represents the bigger obstacle for thermoelectric applications, preventing its direct integration as bulk material. It has been demonstrated that nanostructuring silicon in thin films enables the reduction of thermal conductivity down to one order of magnitude. Furthermore, a supplementary decrease of thermal conductivity is possible by periodical patterning of the silicon thin film in a photonic-like way, creating Phononic Crystals (PnCs). In our work molecular dynamics simulations are performed to confirm the trend envisaged and allow the definition of an optimal design for the patterned membranes. Moreover, our experimental work lists different fabrication methodologies of silicon phononic engineered membranes integrate into a metrology platform. Several characterization techniques (Electrothermal , Raman thermometry, Scanning Thermal Microscopy) are used to determine the membranes thermal conductivity. A considerable reduction of κ is obtained for silicon, paving the way for a prospective integration of those membranes into a thermoelectric converter.
02-11-2020
02-11-2020
Thèse
Thèse
Cette thèse porte sur l'optimisation de la conception et des décisions opérationnelles des laboratoires d'analyses médicales. Dans cette thèse, un outil d'aide à la décision comprenant des modèles mathématiques, un algorithme heuristique et un modèle de simulation personnalisé est développé pour aider les décideurs à résoudre les principaux problèmes stratégiques, tactiques et opérationnels en conception et gestion des opérations des laboratoires d'analyses médicales. Dans cette thèse, la sélection des machines et la disposition des instruments sont étudiées en tant que principaux problèmes stratégiques, le problème de configuration des analyseurs en tant que problème tactique et l’affectation, l’aliquotage et l'ordonnancement en tant que principaux problèmes opérationnels. Un modèle de simulation personnalisé et flexible est développé dans FlexSim pour étudier le laboratoire d'analyse médicale conçu à l'aide des résultats de modèles mathématiques et d'un algorithme de layout développés. Le modèle de simulation aide le concepteur à construire et à analyser un laboratoire complet en tenant compte de toutes les principales caractéristiques du système. Cet attribut de simulation permet d'analyser le comportement du système et de déterminer si le système conçu est efficace. Pour vérifier la validité du cadre proposé, les données extraites d’un cas réel sont utilisées. Les résultats de sortie scellent l'applicabilité et l'efficacité du cadre proposé ainsi que la compétence des techniques proposées pour traiter chaque problème d'optimisation. À notre connaissance, cette thèse est l’une des principales études sur l’optimisation des laboratoires d'analyses médicales.
This thesis focuses on the optimization of clinical laboratory design and operating decisions. In this thesis, a decision support tool including mathematical models, a heuristic algorithm and a customized simulation model is developed to aid decision makers for the main strategic, tactical and operational problems in clinical laboratory design and operations management. In this thesis, machine selection and facility layout are studied as the main strategic problems, analyzer configuration problem as the tactical problem, and assignment, aliquoting, and scheduling as the principal operational problems. A customized and flexible simulation model is developed in FlexSim to study the clinical laboratory designed through the outputs of developed mathematical models and layout algorithm. The simulation model helps the designer to construct and analyze a complete clinical laboratory taking into account all major features of the system. This simulation attribute provides the ability to scrutinize the system behaviour and to find out whether the designed system is efficient. Furthermore, simulation model can be fruitful to decide on scheduling, aliquoting and staffing problems through the evaluation of various scenarios proposed by decision maker for each of these problems. To verify the validity of the proposed framework, data extracted from a real case is used. The output results seal on the applicability and the efficiency of the proposed framework as well as competency of proposed techniques to deal with each optimization problem. To the best of our knowledge, this thesis is one of the leading studies on the optimization of clinical laboratories.
Cette thèse porte sur l'optimisation de la conception et des décisions opérationnelles des laboratoires d'analyses médicales. Dans cette thèse, un outil d'aide à la décision comprenant des modèles mathématiques, un algorithme heuristique et un modèle de simulation personnalisé est développé pour aider les décideurs à résoudre les principaux problèmes stratégiques, tactiques et opérationnels en conception et gestion des opérations des laboratoires d'analyses médicales. Dans cette thèse, la sélection des machines et la disposition des instruments sont étudiées en tant que principaux problèmes stratégiques, le problème de configuration des analyseurs en tant que problème tactique et l’affectation, l’aliquotage et l'ordonnancement en tant que principaux problèmes opérationnels. Un modèle de simulation personnalisé et flexible est développé dans FlexSim pour étudier le laboratoire d'analyse médicale conçu à l'aide des résultats de modèles mathématiques et d'un algorithme de layout développés. Le modèle de simulation aide le concepteur à construire et à analyser un laboratoire complet en tenant compte de toutes les principales caractéristiques du système. Cet attribut de simulation permet d'analyser le comportement du système et de déterminer si le système conçu est efficace. Pour vérifier la validité du cadre proposé, les données extraites d’un cas réel sont utilisées. Les résultats de sortie scellent l'applicabilité et l'efficacité du cadre proposé ainsi que la compétence des techniques proposées pour traiter chaque problème d'optimisation. À notre connaissance, cette thèse est l’une des principales études sur l’optimisation des laboratoires d'analyses médicales.
This thesis focuses on the optimization of clinical laboratory design and operating decisions. In this thesis, a decision support tool including mathematical models, a heuristic algorithm and a customized simulation model is developed to aid decision makers for the main strategic, tactical and operational problems in clinical laboratory design and operations management. In this thesis, machine selection and facility layout are studied as the main strategic problems, analyzer configuration problem as the tactical problem, and assignment, aliquoting, and scheduling as the principal operational problems. A customized and flexible simulation model is developed in FlexSim to study the clinical laboratory designed through the outputs of developed mathematical models and layout algorithm. The simulation model helps the designer to construct and analyze a complete clinical laboratory taking into account all major features of the system. This simulation attribute provides the ability to scrutinize the system behaviour and to find out whether the designed system is efficient. Furthermore, simulation model can be fruitful to decide on scheduling, aliquoting and staffing problems through the evaluation of various scenarios proposed by decision maker for each of these problems. To verify the validity of the proposed framework, data extracted from a real case is used. The output results seal on the applicability and the efficiency of the proposed framework as well as competency of proposed techniques to deal with each optimization problem. To the best of our knowledge, this thesis is one of the leading studies on the optimization of clinical laboratories.
02-11-2020
02-11-2020
Thèse
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Cité Scientifique BP 30155 59653 VILLENEUVE D'ASCQ CEDEX Tél.:+33 (0)3 20 43 44 10