Successful scale-up of human embryonic stem cell production in a stirred microcarrier culture system

Future clinical applications of human embryonic stem (hES) cells will require high-yield culture protocols. Currently, hES cells are mainly cultured in static tissue plates, which offer a limited surface and require repeated sub-culturing. Here we describe a stirred system with commercial dextran-based microcarriers coated with denatured collagen to scale-up hES cell production. Maintenance of pluripotency in the microcarrier-based stirred system was shown by immunocytochemical and flow cytometry analyses for pluripotency-associated markers. The formation of cavitated embryoid bodies expressing markers of endoderm, ectoderm and mesoderm was further evidence of maintenance of differentiation capability. Cell yield per volume of medium spent was more than 2-fold higher than in static plates, resulting in a significant decrease in cultivation costs. A total of 10(8) karyotypically stable hES cells were obtained from a unitary small vessel that needed virtually no manipulation during cell proliferation, decreasing risks of contamination. Spinner flasks are available up to working volumes in the range of several liters. If desired, samples from the homogenous suspension can be withdrawn to allow process validation needed in the last expansion steps prior to transplantation. Especially when thinking about clinical trials involving from dozens to hundreds of patients, the use of a small number of larger spinners instead of hundreds of plates or flasks will be beneficial. To our knowledge, this is the first description of successful scale-up of feeder- and Matrigel™-free production of undifferentiated hES cells under continuous agitation, which makes this system a promising alternative for both therapy and research needs.

Effects of Fin Parameters on Gas-Side Heat Transfer Performance of H-Type Finned Tube Bundle in a Waste Heat Recovery Boiler

Alfa Laval Aalborg Oy designs and manufactures waste heat recovery systems utilizing extended surfaces. The waste heat recovery boiler considered in this thesis is a water-tube boiler where exhaust gas is used as the convective heat transfer medium and water or steam flowing inside the tubes is subject to cross-flow. This thesis aims to contribute to the design of waste heat recovery boiler unit by developing a numerical model of the H-type finned tube bundle currently used by Alfa Laval Aalborg Oy to evaluate the gas-side heat transfer performance. The main objective is to identify weaknesses and potential areas of development in the current H-type finned tube design. In addition, numerical simulations for a total of 15 cases with varying geometric parameters are conducted to investigate the heat transfer and pressure drop performance dependent on H-type fin geometry. The investigated geometric parameters include fin width and height, fin spacing, and fin thickness. Comparison between single and double tube type configuration is also conducted. Based on the simulation results, the local heat transfer and flow behaviour of the H-type finned tube is presented including boundary layer development between the fins, the formation of recirculation zone behind the tubes, and the local variations of flow velocity and temperature within the tube bundle and on the fin surface. Moreover, an evaluation of the effects of various fin parameters on heat transfer and pressure drop performance of H-type finned tube bundle has been provided. It was concluded that from the studied parameters fin spacing and fin width had the most significant effect on tube bundle performance and the effect of fin thickness was the least important. Furthermore, the results suggested that the heat transfer performance would increase due to enhanced turbulence if the current double tube configuration is replaced with single tube configuration, but further investigation and experimental measurements are required in order to validate the results.

Head Space Solid Phase Micro-Extraction (HS - SPME) of volatile organic compounds produced by Sporidiobolus salmonicolor (CBS 2636)

The aim of the present study was the assessment of volatile organic compounds produced by Sporidiobolus salmonicolor (CBS 2636) using methyl and ethyl ricinoleate, ricinoleic acid and castor oil as precursors. The analysis of the volatile organic compounds was carried out using Head Space Solid Phase Micro-Extraction (HS - SPME). Factorial experimental design was used for investigating extraction conditions, verifying stirring rate (0-400 rpm), temperature (25-60 ºC), extraction time (10-30 minutes), and sample volume (2-3 mL). The identification of volatile organic compounds was carried out by Gas Chromatography with Mass Spectrum Detector (GC/MSD). The conditions that resulted in maximum extraction were: 60 ºC, 10 minutes extraction, no stirring, sample volume of 2.0 mL, and addition of saturated KCl (1:10 v/v). In the bio-production of volatile organic compounds the effect of stirring rate (120-200 rpm), temperature (23-33 ºC), pH (4.0-8.0), precursor concentration (0.02-0.1%), mannitol (0-6%), and asparagine concentration (0-0.2%) was investigated. The bio-production at 28 ºC, 160 rpm, pH 6,0 and with the addition of 0.02% ricinoleic acid to the medium yielded the highest production of VOCs, identified as 1,4-butanediol, 1,2,2-trimethylciclopropilamine, beta-ionone; 2,3-butanodione, pentanal, tetradecane, 2-isononenal, 4-octen-3-one, propanoic acid, and octadecane.

Analysis of Phase Separator Design Criteria Using Computational Fluid Dynamics

Gravitational phase separation is a common unit operation found in most large-scale chemical processes. The need for phase separation can arise e.g. from product purification or protection of downstream equipment. In gravitational phase separation, the phases separate without the application of an external force. This is achieved in vessels where the flow velocity is lowered substantially compared to pipe flow. If the velocity is low enough, the denser phase settles towards the bottom of the vessel while the lighter phase rises. To find optimal configurations for gravitational phase separator vessels, several different geometrical and internal design features were evaluated based on simulations using OpenFOAM computational fluid dynamics (CFD) software. The studied features included inlet distributors, vessel dimensions, demister configurations and gas phase outlet configurations. Simulations were conducted as single phase steady state calculations. For comparison, additional simulations were performed as dynamic single and two-phase calculations. The steady state single phase calculations provided indications on preferred configurations for most above mentioned features. The results of the dynamic simulations supported the utilization of the computationally faster steady state model as a practical engineering tool. However, the two-phase model provides more truthful results especially with flows where a single phase does not determine the flow characteristics.

Dynamic Modelling of Circulating Fluidized Bed Plant with Gas Turbine Repowering

Increasing amount of renewable energy source based electricity production has set high load control requirements for power grid balance markets. The essential grid balance between electricity consumption and generation is currently hard to achieve economically with new-generation solutions. Therefore conventional combustion power generation will be examined in this thesis as a solution to the foregoing issue. Circulating fluidized bed (CFB) technology is known to have sufficient scale to acts as a large grid balancing unit. Although the load change rate of the CFB unit is known to be moderately high, supplementary repowering solution will be evaluated in this thesis for load change maximization. The repowering heat duty is delivered to the CFB feed water preheating section by smaller gas turbine (GT) unit. Consequently, steam extraction preheating may be decreased and large amount of the gas turbine exhaust heat may be utilized in the CFB process to reach maximum plant electrical efficiency. Earlier study of the repowering has focused on the efficiency improvements and retrofitting to maximize plant electrical output. This study however presents the CFB load change improvement possibilities achieved with supplementary GT heat. The repowering study is prefaced with literature and theory review for both of the processes to maximize accuracy of the research. Both dynamic and steady-state simulations accomplished with APROS simulation tool will be used to evaluate repowering effects to the CFB unit operation. Eventually, a conceptual level analysis is completed to compare repowered plant performance to the state-of-the-art CFB performance. Based on the performed simulations, considerably good improvements to the CFB process parameters are achieved with repowering. Consequently, the results show possibilities to higher ramp rate values achieved with repowered CFB technology. This enables better plant suitability to the grid balance markets.

Flow injection analysis (FIA) determination of lead by hydride generation in banded coral skeletons /

A flow injection hydride generation direct current plasma atomic emission spectrometric (FI-HG-DCP-AES) method was developed for the determination of lead at ng.ml-l level. Potassium ferricyanide (K3Fe(CN)6) was used along with sodium tetrahydroborate(III) (NaBH4) to produce plumbane (PbH4) in an acid medium. The design of a gas-liquid separator (hydride generator) was tested and the parameters of the flow injection system were optimized to achieve a good detection limit and sample throughput. The technique developed gave a detection limit of 0.7 ng.ml-l(3ob). The precision at 20 ng.ml"* level was 1.6 % RSD with 1 1 measurements (n=l 1). Volume of sample loop was 500 |J.l. A sample throughput of 120 h"^ was achieved. The transition elements, Fe(II), FeOH), Cd(n), Co(II), Mn(n), Ni(II) and Zn(n) do not interfere in this method but 1 mg,l'l Cu(II) will suppress 50 % of the signal from a sample containing 20 ng.ml'l Pb. This method was successfully applied to determine lead in a calcium carbonate (CaC03) matrix of banded coral skeletons from Si-Chang Island in Thailand.

Investigations into the extraction and the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from water by solid-phase extraction and capillary gas chromatography/ mass spectrometry

Factors affecting the detennination of PAHs by capillary GC/MS were studied. The effect of the initial column temperature and the injection solvent on the peak areas and heights of sixteen PAHs, considered as priority pollutants, USillg crosslinked methyl silicone (DB!) and 5% diphenyl, 94% dimethyl, 1% vinyl polysiloxane (DBS) columns was examined. The possibility of using high boiling point alcohols especially butanol, pentanol, cyclopentanol, and hexanol as injection solvents was investigated. Studies were carried out to optimize the initial column temperature for each of the alcohols. It was found that the optimum initial column temperature is dependent on the solvent employed. The peak areas and heights of the PAHs are enhanced when the initial column temperature is 10-20 c above the boiling point of the solvent using DB5 column, and the same or 10 C above the boiling point of the solvent using DB1 column. Comparing the peak signals of the PAHs using the alcohols, p-xylene, n-octane, and nonane as injection solvents, hexanol gave the greatest peak areas and heights of the PAHs particularly the late-eluted peaks. The detection limits were at low pg levels, ranging from 6.0 pg for fluorene t9 83.6 pg for benzo(a)pyrene. The effect of the initial column temperature on the peak shape and the separation efficiency of the PARs was also studied using DB1 and DB5 columns. Fronting or splitting of the peaks was obseIVed at very low initial column temperature. When high initial column temperature was used, tailing of the peaks appeared. Great difference between DB! and.DB5 columns in the range of the initial column temperature in which symmetrical.peaks of PAHs can be obtained is observed. Wider ranges were shown using DB5 column. Resolution of the closely-eluted PAHs was also affected by the initial column temperature depending on the stationary phase employed. In the case of DB5, only the earlyeluted PAHs were affected; whereas, with DB1, all PAHs were affected. An analytical procedure utilizing solid phase extraction with bonded phase silica (C8) cartridges combined with GC/MS was developed to analyze PAHs in water as an alternative method to those based on the extraction with organic solvent. This simple procedure involved passing a 50 ml of spiked water sample through C8 bonded phase silica cartridges at 10 ml/min, dried by passing a gentle flow of nitrogen at 20 ml/min for 30 sec, and eluting the trapped PAHs with 500 Jll of p-xylene at 0.3 ml/min. The recoveries of PAHs were greater than 80%, with less than 10% relative standard deviations of nine determinations. No major contaminants were present that could interfere with the recognition of PAHs. It was also found that these bonded phase silica cartridges can be re-used for the extraction of PAHs from water.

Investigations in flow injection analysis (FIA): conventional FIA determination of chloride in water; sequential injection (SI)-FIA determination of mercury in water

Flow injection analysis (FIA) was applied to the determination of both chloride ion and mercury in water. Conventional FIA was employed for the chloride study. Investigations of the Fe3 +/Hg(SCN)2/CI-,450 nm spectrophotometric system for chloride determination led to the discovery of an absorbance in the 250-260 nm region when Hg(SCN)2 and CI- are combined in solution, in the absence of iron(III). Employing an in-house FIA system, absorbance observed at 254 nm exhibited a linear relation from essentially 0 - 2000 Jlg ml- 1 injected chloride. This linear range spanning three orders of magnitude is superior to the Fe3+/Hg(SCN)2/CI- system currently employed by laboratories worldwide. The detection limit obtainable with the proposed method was determin~d to be 0.16 Jlg ml- 1 and the relative standard deviation was determined to be 3.5 % over the concentration range of 0-200 Jig ml- 1. Other halogen ions were found to interfere with chloride determination at 254 nm whereas cations did not interfere. This system was successfully applied to the determination of chloride ion in laboratory water. Sequential injection (SI)-FIA was employed for mercury determination in water with the PSA Galahad mercury amalgamation, and Merlin mercury fluorescence detection systems. Initial mercury in air determinations involved injections of mercury saturated air directly into the Galahad whereas mercury in water determinations involved solution delivery via peristaltic pump to a gas/liquid separator, after reduction by stannous chloride. A series of changes were made to the internal hardware and valving systems of the Galahad mercury preconcentrator. Sequential injection solution delivery replaced the continuous peristaltic pump system and computer control was implemented to control and integrate all aspects of solution delivery, sample preconcentration and signal processing. Detection limits currently obtainable with this system are 0.1 ng ml-1 HgO.

Investigations into the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) and polychlorinated biphenyls (PCBs) by capillary gas chromatography

Factors involved in the determination of PAHs (16 priority PAHs as an example) and PCBs (10 PCB congeners, representing 10 isomeric groups) by capillary gas chromatography coupled with mass spectrometry (GC/MS, for PAHs) and electron capture detection (GC/ECD , for PCBs) were studied, with emphasis on the effect of solvent. Having various volatilities and different polarities, solvent studied included dichloromethane, acetonitrile, hexan e, cyclohexane, isooctane, octane, nonane, dodecane, benzene, toluene, p-xylene, o-xylene, and mesitylene. Temperatures of the capillary column, the injection port, the GC/MS interface, the flow rates of carrier gas and make-up gas, and the injection volume were optimized by one factor at a time method or simplex optimization method. Under the optimized conditions, both peak height and peak area of 16 PAHs, especially the late-eluting PAHs, were significantly enhanced (1 to 500 times) by using relatively higher boiling point solvents such as p-xylene and nonane, compared with commonly used solvents like benzene and isooctane. With the improved sensitivity, detection limits of between 4.4 pg for naphthalene and 30.8 pg for benzo[g,h,i]perylene were obtained when p-xylene was used as an injection solvent. Effect of solvent on peak shape and peak intensity were found to be greatly dependent on temperature parameters, especially the initial temperature of the capillary column. The relationship between initial temperature and shape of peaks from 16 PAHs and 10 PCBs were studied and compared when toluene, p-xylene, isooctane, and nonane were used as injection solvents. If a too low initial temperature was used, fronting or split of peaks was observed. On the other hand, peak tailing occurred at a too high initial column temperature. The optimum initial temperature, at which both peak fronting and tailing were avoided and symmetrical peaks were obtained, depended on both solvents and the stationary phase of the column used. On a methyl silicone column, the alkane solvents provided wider optimum ranges of initial temperature than aromatic solvents did, for achieving well-shaped symmetrical GC peaks. On a 5% diphenyl: 1% vinyl: 94% dimethyl polysiloxane column, when the aromatic solvents were used, the optimum initial temperature ranges for solutes to form symmetrical peaks were improved to a similar degree as those when the alkanes were used as injection solvents. A mechanism, based on the properties of and possible interactions among the analyte, the injection solvent, and the stationary phase of the capillary column, was proposed to explain these observations. The effect of initial temperature on peak height and peak area of the 16 PAHs and the 10 PCBs was also studied. The optimum initial temperature was found to be dependent on the physical properties of the solvent used and the amount of the solvent injected. Generally, from the boiling point of the solvent to 10 0C above its boiling point was an optimum range of initial temperature at which cthe highest peak height and peak area were obtained.

Nouveaux paramètres d'exploration de la fonction plaquettaire en clinique : thrombose tardive, profilage micro-membranaire et détection de sous-populations cellulaires

Les plaquettes sanguines sont les principaux acteurs de l’hémostase primaire et de la thrombose, deux éléments majeurs de la physiopathologie vasculaire. Plusieurs médicaments régulent les fonctions plaquettaires mais peu de tests sont validés pour suivre leur efficacité en fonction de l’évolution clinique des patients. Mon doctorat a eu pour but de développer de nouvelles approches d’évaluation de la fonction plaquettaire. Deux essais cliniques réalisés sur des patients atteints de syndrome coronarien stable ont constitué la première partie de mon doctorat. La première étude met en évidence la nécessité d'une standardisation des tests biologiques pour la détection de patients répondant moins au clopidogrel, un inhibiteur du récepteur plaquettaire de l'ADP P2Y12. L’étude suivante montre le potentiel thérapeutique, chez ces patients, de l’inhibition conjointe de P2Y12 et du second récepteur plaquettaire de l'ADP P2Y1, sur la fonction plaquettaire. De plus, le suivi en temps réel par vidéomiscroscopie a permis de distinguer des effets précoces et tardifs des antiplaquettaires sur la formation du thrombus en chambre de perfusion. La seconde partie de mon doctorat concerne les microdomaines membranaires de type « lipid rafts » qui tiennent une place fondamentale dans les fonctions cellulaires et plaquettaires. Ainsi plusieurs récepteurs dépendent de ces microdomaines, régulant la fonction plaquettaire et les effets des médicaments antiplaquettaires. Cependant, les techniques d’étude de ces microdomaines sont complexes et peu adaptées aux études cliniques. Profitant de nouvelles sondes fluorescentes sensibles au niveau d’ordre liquide membranaire (OLM), nous avons développé une méthode de mesure de l’OLM par cytométrie de flux spectrale. Grâce à cette approche, nous avons montré que l’activation plaquettaire diminue l’OLM alors qu’il est augmenté chez des patients traités par un inhibiteur de la synthèse du cholestérol ou par le clopidogrel. Nous avons également mis en évidence, en condition de forces de cisaillement élevées correspondant à celles retrouvées au niveau de sténoses artérielles, une sous-population plaquettaire présentant un OLM plus bas. Le passage dans le domaine clinique de ces approches fondamentales qui privilégient l’étude dynamique des plaquettes pourrait permettre d’améliorer le diagnostique et le suivi de traitement de pathologies cardiovasculaires.

Numerical modelling of the impact of climate change on the morphology of Saint-Lawrence tributaries

Cette thèse examine les impacts sur la morphologie des tributaires du fleuve Saint-Laurent des changements dans leur débit et leur niveau de base engendrés par les changements climatiques prévus pour la période 2010–2099. Les tributaires sélectionnés (rivières Batiscan, Richelieu, Saint-Maurice, Saint-François et Yamachiche) ont été choisis en raison de leurs différences de taille, de débit et de contexte morphologique. Non seulement ces tributaires subissent-ils un régime hydrologique modifié en raison des changements climatiques, mais leur niveau de base (niveau d’eau du fleuve Saint-Laurent) sera aussi affecté. Le modèle morphodynamique en une dimension (1D) SEDROUT, à l’origine développé pour des rivières graveleuses en mode d’aggradation, a été adapté pour le contexte spécifique des tributaires des basses-terres du Saint-Laurent afin de simuler des rivières sablonneuses avec un débit quotidien variable et des fluctuations du niveau d’eau à l’aval. Un module pour simuler le partage des sédiments autour d’îles a aussi été ajouté au modèle. Le modèle ainsi amélioré (SEDROUT4-M), qui a été testé à l’aide de simulations à petite échelle et avec les conditions actuelles d’écoulement et de transport de sédiments dans quatre tributaires du fleuve Saint-Laurent, peut maintenant simuler une gamme de problèmes morphodynamiques de rivières. Les changements d’élévation du lit et d’apport en sédiments au fleuve Saint-Laurent pour la période 2010–2099 ont été simulés avec SEDROUT4-M pour les rivières Batiscan, Richelieu et Saint-François pour toutes les combinaisons de sept régimes hydrologiques (conditions actuelles et celles prédites par trois modèles de climat globaux (MCG) et deux scénarios de gaz à effet de serre) et de trois scénarios de changements du niveau de base du fleuve Saint-Laurent (aucun changement, baisse graduelle, baisse abrupte). Les impacts sur l’apport de sédiments et l’élévation du lit diffèrent entre les MCG et semblent reliés au statut des cours d’eau (selon qu’ils soient en état d’aggradation, de dégradation ou d’équilibre), ce qui illustre l’importance d’examiner plusieurs rivières avec différents modèles climatiques afin d’établir des tendances dans les effets des changements climatiques. Malgré le fait que le débit journalier moyen et le débit annuel moyen demeurent près de leur valeur actuelle dans les trois scénarios de MCG, des changements importants dans les taux de transport de sédiments simulés pour chaque tributaire sont observés. Ceci est dû à l’impact important de fortes crues plus fréquentes dans un climat futur de même qu’à l’arrivée plus hâtive de la crue printanière, ce qui résulte en une variabilité accrue dans les taux de transport en charge de fond. Certaines complications avec l’approche de modélisation en 1D pour représenter la géométrie complexe des rivières Saint-Maurice et Saint-François suggèrent qu’une approche bi-dimensionnelle (2D) devrait être sérieusement considérée afin de simuler de façon plus exacte la répartition des débits aux bifurcations autour des îles. La rivière Saint-François est utilisée comme étude de cas pour le modèle 2D H2D2, qui performe bien d’un point de vue hydraulique, mais qui requiert des ajustements pour être en mesure de pleinement simuler les ajustements morphologiques des cours d’eau.

Contraction et décontraction des décharges micro-ondes entretenues à la pression atmosphérique

Les colonnes de plasma entretenues par un champ électrique (continu ou alternatif) à haute pression (p > 10 Torr) sont affectées par les phénomènes de contraction (réduction de la section radiale de la décharge) et de filamentation (fragmentation de la section de plasma en plusieurs filaments). La compréhension de ces phénomènes ainsi que le développement d’une méthode pouvant les supprimer demeurent une étape essentielle pour l’optimisation de certains procédés plasma. Dans cette optique, un premier objectif de notre travail était de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction et de la filamentation dans les décharges créées dans des gaz rares. Ainsi, nous avons montré que dans les plasmas micro-ondes contractés la cinétique de la décharge est contrôlée par les ions moléculaires et que la contraction est liée à l’influence du gradient de la température du gaz sur la concentration de ces ions. De plus, nous avons mis en évidence que la filamentation apparaît lorsque l’inhomogénéité radiale du champ électrique devient importante. Dans un second temps, nous avons développé une méthode de décontraction et de défilamentation de la décharge, qui consiste à ajouter à une décharge initiale de gaz rare des traces d’un autre gaz rare de plus faible potentiel d’ionisation. Dans le cas des plasmas décontractés, nous avons démontré que la cinétique de la décharge n’est plus contrôlée par les ions moléculaires, ce qui confirme bien l’importance de ces ions dans la description de la contraction. Pour terminer, nous avons étendu à la pression atmosphérique la technique d’absorption optique de mesure de densité des états métastables et résonnants à l’aide d’une lampe spectrale, ce qui n’avait été réalisé jusqu’ici que pour des pressions inférieures à 10 Torr. Ces états jouent un rôle essentiel dans l’ionisation des décharges contractées alors que dans les décharges décontractées leur désexcitation par les atomes du gaz adjuvant est l’étape fondamentale du processus de changement de cinétique menant à la décontraction.

Hydrolyse assistée par micro-ondes : synthèse de cystéines a-substituées sur échelle multi-grammes; Synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs

Le présent mémoire est subdivisé en deux principaux sujets. Le premier porte sur le développement d’une hydrolyse de thiazolidines assistée par micro-ondes en vue d’obtenir des cystéines a-substituées. Le second est axé sur le développement d’une méthodologie pour la synthèse catalytique énantiosélective d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs. Dans un premier temps, les rôles et les utilités des acides aminés quaternaires, plus spécifiquement des cystéines a-substituées, seront abordés, puis une revue des différentes méthodes énantiosélectives pour accéder à ces unités sera effectuée. Par la suite, le développement d’une méthode rapide et efficace d’hydrolyse sous irradiation aux micro-ondes de thiazolines sera présenté. Finalement, les études menant à l’application de cette méthode à la synthèse de cystéines -substituées sur grande échelle au moyen de réacteurs en écoulement dynamique et à haut criblage seront détaillées. Dans la seconde partie, les applications ainsi que les synthèses générales des alkylidènecyclopropanes en synthèse organique seront décrites. Plus particulièrement, les applications spécifiques des alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs ainsi que leurs synthèses seront traitées de manière exhaustive. Par la suite, le développement d’une méthodologie énantiosélective catalytique pour la synthèse d’alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs sera présenté. L’extension de cette méthodologie à la synthèse de dérivés cyclopropanes et cyclopropènes, ainsi que l’application de réactions stéréospécifiques pour les alkylidènecyclopropanes 1,1-di-accepteurs seront brièvement discutées.

Carboxydothermus hydrogenoformans comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène simultanément a la minéralisation de calcium et phosphate

La gazéification est aujourd'hui l'une des stratégies les plus prometteuses pour valoriser les déchets en énergie. Cette technologie thermo-chimique permet une réduction de 95 % de la masse des intrants et génère des cendres inertes ainsi que du gaz de synthèse (syngaz). Le syngaz est un combustible gazeux composé principalement de monoxyde de carbone (CO), d'hydrogène (H2) et de dioxyde de carbone (CO2). Le syngaz peut être utilisé pour produire de la chaleur et de l'électricité. Il est également la pierre angulaire d'un grand nombre de produits à haute valeur ajoutée, allant de l'éthanol à l'ammoniac et l'hydrogène pur. Les applications en aval de la production de syngaz sont dictées par son pouvoir calorifique, lui-même dépendant de la teneur du gaz en H2. L’augmentation du contenu du syngaz en H2 est rendu possible par la conversion catalytique à la vapeur d’eau, largement répandu dans le cadre du reformage du méthane pour la production d'hydrogène. Au cours de cette réaction, le CO est converti en H2 et CO2 selon : CO + H2O → CO2 + H2. Ce processus est possible grâce à des catalyseurs métalliques mis en contact avec le CO et de la vapeur. La conversion catalytique à la vapeur d’eau a jusqu'ici été réservé pour de grandes installations industrielles car elle nécessite un capital et des charges d’exploitations très importantes. Par conséquent, les installations de plus petite échelle et traitant des intrants de faible qualité (biomasse, déchets, boues ...), n'ont pas accès à cette technologie. Ainsi, la seule utilisation de leur syngaz à faible pouvoir calorifique, est limitée à la génération de chaleur ou, tout au plus, d'électricité. Afin de permettre à ces installations une gamme d’application plus vaste de leurs syngaz, une alternative économique à base de catalyseur biologique est proposée par l’utilisation de bactéries hyperthermophiles hydrogénogènes. L'objectif de cette thèse est d'utiliser Carboxydothermus hydrogenoformans, une bactérie thermophile carboxydotrophe hydrogénogène comme catalyseur biologique pour la conversion du monoxyde de carbone en hydrogène. Pour cela, l’impact d'un phénomène de biominéralisation sur la production d’H2 a été étudié. Ensuite, la faisabilité et les limites de l’utilisation de la souche dans un bioréacteur ont été évaluées. Tout d'abord, la caractérisation de la phase inorganique prédominante lorsque C. hydrogenoformans est inoculé dans le milieu DSMZ, a révélé une biominéralisation de phosphate de calcium (CaP) cristallin en deux phases. L’analyse par diffraction des rayons X et spectrométrie infrarouge à transformée de Fourier de ce matériau biphasique indique une signature caractéristique de la Mg-whitlockite, alors que les images obtenues par microscopie électronique à transmission ont montré l'existence de nanotiges cristallines s’apparentant à de l’hydroxyapatite. Dans les deux cas, le mode de biominéralisation semble être biologiquement induit plutôt que contrôlé. L'impact du précipité de CaP endogène sur le transfert de masse du CO et la production d’H2 a ensuite été étudié. Les résultats ont été comparés aux valeurs obtenues dans un milieu où aucune précipitation n'est observée. Dans le milieu DSMZ, le KLa apparent (0.22 ± 0.005 min-1) et le rendement de production d’H2 (89.11 ± 6.69 %) étaient plus élevés que ceux obtenus avec le milieu modifié (0.19 ± 0.015 min-1 et 82.60 ± 3.62% respectivement). La présence du précipité n'a eu aucune incidence sur l'activité microbienne. En somme, le précipité de CaP offre une nouvelle stratégie pour améliorer les performances de transfert de masse du CO en utilisant les propriétés hydrophobes de gaz. En second lieu, la conversion du CO en H2 par la souche Carboxydothermus hydrogenoformans fut étudiée et optimisée dans un réacteur gazosiphon de 35 L. Parmi toutes les conditions opérationnelles, le paramètre majeur fut le ratio du débit de recirculation du gaz sur le débit d'alimentation en CO (QR:Qin). Ce ratio impacte à la fois l'activité biologique et le taux de transfert de masse gaz-liquide. En effet, au dessus d’un ratio de 40, les performances de conversion du CO en H2 sont limitées par l’activité biologique alors qu’en dessous, elles sont limitées par le transfert de masse. Cela se concrétise par une efficacité de conversion maximale de 90.4 ± 0.3 % et une activité spécifique de 2.7 ± 0.4 molCO·g–1VSS·d–1. Malgré des résultats prometteurs, les performances du bioréacteur ont été limitées par une faible densité cellulaire, typique de la croissance planctonique de C. hydrogenoformans. Cette limite est le facteur le plus contraignant pour des taux de charge de CO plus élevés. Ces performances ont été comparées à celles obtenues dans un réacteur à fibres creuses (BRFC) inoculé par la souche. En dépit d’une densité cellulaire et d’une activité volumétrique plus élevées, les performances du BRFC à tout le moins cinétiquement limitées quand elles n’étaient pas impactées par le transfert de masse, l'encrassement et le vieillissement de la membrane. Afin de parer à la dégénérescence de C. hydrogenoformans en cas de pénurie de CO, la croissance de la bactérie sur pyruvate en tant que seule source de carbone a été également caractérisée. Fait intéressant, en présence simultanée de pyruvate et de CO, C. hydrogenoformans n’a amorcé la consommation de pyruvate qu’une fois le CO épuisé. Cela a été attribué à un mécanisme d'inhibition du métabolisme du pyruvate par le CO, faisant ainsi du pyruvate le candidat idéal pour un système in situ de secours.

Etude spectroscopique d’un plasma micro-onde à la pression atmosphérique et son application à la synthèse de nanostructures

L’objectif de ce mémoire de maîtrise est de caractériser la distribution axiale des plasmas tubulaires à la pression atmosphérique créés et entretenus par une onde électromagnétique de surface ainsi que d’explorer le potentiel de ces sources pour la synthèse de matériaux et de nanomatériaux. Un précédent travail de thèse, qui avait pour objectif de déterminer les mécanismes à l’origine de la contraction radiale du plasma créé dans des gaz rares, a mis en lumière un phénomène jusque-là inconnu dans les plasmas d’onde de surface (POS). En effet, la distribution axiale varie différemment selon la puissance incidente ce qui constitue une différence majeure par rapport aux plasmas à pression réduite. Dans ce contexte, nous avons réalisé une étude paramétrique des POS à la pression atmosphérique dans l’Ar. À partir de nos mesures de densité électronique, de température d’excitation et de densité d’atomes d’Ar dans un niveau métastable (Ar 3P2), résolues axialement, nous avons conclu que le comportement axial de l’intensité lumineuse avec la puissance n’est pas lié à un changement de la cinétique de la décharge (qui est dépendante de la température des électrons et de la densité d’atomes d’Ar métastables), mais plutôt à une distribution anormale de dissipation de puissance dans le plasma (reliée à la densité d’électrons). Plus précisément, nos résultats suggèrent que ce dépôt anormal de puissance provient d’une réflexion de l’onde dans le fort gradient de densité de charges en fin de colonne, un effet plus marqué pour de faibles longueurs de colonnes à plasma. Ensuite, nous avons effectué une étude spectroscopique du plasma en présence de précurseurs organiques, en particulier le HMDSO pour la synthèse de matériaux organosiliciés et l’IPT pour la synthèse de matériaux organotitaniques. Les POS à la PA sont caractérisés par des densités de charges très élevées (>10^13 cm^-3), permettant ainsi d’atteindre des degrés de dissociation des précurseurs nettement plus élevés que ceux d'autres plasmas froids à la pression atmosphérique comme les décharges à barrière diélectrique. Dans de tels cas, les matériaux synthétisés prennent la forme de nanopoudres organiques de taille inférieure à 100 nm. En présence de faibles quantités d’oxygène dans le plasma, nous obtenons plutôt des nanopoudres à base d’oxyde de silicium (HMDSO) ou à base de titanate de silicium (IPT), avec très peu de carbone.