Le signal RMN de relaxation transversale de la feuille de colza permet de révéler la mise en place des changements structuraux et de distribution de l’eau dans le mésophylle au cours du développement foliaire. A la transition puits-sources, ces modifications sont susceptibles d’altérer la réponse adaptative au stress hydrique. L’objectif de la thèse était d’interpréter les variations du signal RMN et de comprendre l’effet de ces changements sur la régulation des flux d'eau en réponse à la sécheresse. En combinant des approches de relaxométrie RMN, diffusiométrie, IRM, physiologie, microscopie et multi-omiques, il a été possible de caractériser les structures cellulaires, les solutés impliqués dans l’ajustement osmotique, les relations hydriques à l’échelle des tissus ou de l’ensemble du limbe sur des plantes de colza en conditions hydrique optimales, stressées ou réhydratées. Les résultats obtenus ont montré le rôle de la plasticité structurelle et métabolique dans la réponse adaptative des feuilles. L’imagerie IRM a révélé l’hétérogénéité des structures et de l’état hydrique à l’échelle du limbe, tandis que les résultats de la mesure du coefficient d’autodiffusion vacuolaire soutiennent un accroissement de la teneur en eau dans les vacuoles des cellules du parenchyme palissadique à la transition puits-source et sa diminution en réponse au stress hydrique. Ces résultats pourront alimenter les modèles existants sur le fonctionnement hydraulique foliaire.

La valorisation des déchets par digestion anaérobie est encouragée par les politiques de l'UE. Cependant, ce secteur doit être optimisé pour parvenir à une croissance durable. La réduction des pertes azotées pendant le compostage du digestat solide représente un important point d’amélioration due aux impacts environnementaux et la perte de valeur agronomique du produit final. Différentes stratégies ont été étudiées dans la littérature pour minimiser les pertes d'azote pendant le compostage d’autres déchets. Parmi elles, l'amendement avec du biochar a montré des résultats prometteurs. Dans ce contexte, mon travail de thèse propose d'étudier l'utilisation du biochar comme stratégie pour réduire les pertes d'azote pendant le compostage des digestat solides. L’étude de l’action du biochar en utilisant un pilote de dégradation aerobie a montré que l'ampleur de la réduction des émissions azotées par le biochar dépend de ses caractéristiques, notamment son état d’oxydation, ainsi que celles du digestat, notamment sa biodégradabilité. Des efforts ont ensuite été consacrés à comprendre comment le biochar modifie l'évolution du cycle de l'azote. Les résultats suggèrent que le biochar peut contribuer à la réduction des émissions d’ammoniac, augmenter l’immobilisation d’azote et sa nitrification mais aussi les émissions de protoxyde d’azote. Enfin, la dernière partie de ce travail de recherche a montré l’existence d’une corrélation entre la capacité du biochar à absorber l’azote ammoniacal du digestat et la réduction des émissions d’ammoniac pendant le compostage du digestat.

La transformation hydro-thermique d’une pâte viscoélastique en pain, avec une structure et une texture souhaitables, implique des changements aux échelles à la fois moléculaire, micro et macroscopique. Les deux constituants principaux de la farine, l'amidon et le gluten, jouent un rôle crucial dans cette transformation, en affectant la répartition de l'eau dans la pâte et en subissant des changements conformationnels. Il y a peu de travaux sur ces changements pour le gluten, a fortiori à l’hydratation de la pâte à pain, de même pour l’amidon d’origine botanique variée comme rencontré dans les pains composites (préparés à partir de mélange de farines) et encore moins pour le mélange de ces deux macromolécules. Pour étudier ces changements, le challenge consiste à utiliser des techniques analytiques adaptées aux niveaux d’hydratation étudiés et permettant une observation en temps réel. Ce travail démontre l'efficacité de la relaxométrie par RMN en tant que technique non-invasive et robuste pour à la fois quantifier, comprendre la distribution de l'eau dans la pâte et suivre en temps réel les changements de structure des macromolécules et de leurs interactions. Ce travail de thèse était basé sur la clarification des attributions des composantes RMN et l'affinement des mesures associées à l'aide de systèmes modèles simples (mélanges binaires et ternaires), étudiés en chauffage mais aussi en congélation, et de leur confrontation à des techniques de mesure complémentaires. Globalement, cette étude a mis en avant l'impact de l'origine botanique de l'amidon mais également le rôle du gluten sur la distribution de l'eau et les changements hydro-thermiques des macromolécules ainsi que l'interdépendance de leur dynamique moléculaire.

Dans cette thèse, nous avons étudié comment la cohérence temporelle et spatiale des particules lagrangiennes peut améliorer l’efficacité des algorithmes de suivi. Nous avons contraint l’algorithme à suivre l’information basée sur la physique des mouvements cohérents puisque les particules traceuses lagrangiennes se déplacent localement et se comportent de manière cohérente avec leurs voisins. Nous avons utilisé le concept de structures cohérentes lagrangiennes (LCS) sur des trajectoires lagrangiennes éparses pour déterminer les mouvements cohérents locaux des flux turbulents. Les LCS présentent des crêtes de ligne/surface (frontières) dans les écoulements 2D/3D qui séparent les régions d’écoulement ayant des trajectoires dynamiquement différentes. Par conséquent, nous pouvons quantifier les trajectoires cohérentes et non cohérentes des voisins en fonction des crêtes LCS. Dans cette thèse, l’idée d’utiliser les mouvements cohérents locaux des particules lagrangiennes a été discutée dans trois algorithmes de vélocimétrie. Nous avons montré comment les mouvements cohérents peuvent augmenter la robustesse des techniques d’initialisation des trajectoires. Ensuite, l’idée a été employée pour améliorer la performance de la prédiction. Enfin, l’approche proposée a été adaptée et appliquée aux algorithmes classiques de PIV.

La structure de la pâte à pain peut être décrite comme une dispersion de bulles de gaz dans une matrice gluten/amidon (structure de mousse). Au cours de la cuisson, la pâte est soumise à divers phénomènes, thermomécaniques et biochimiques (gélatinisation de l’amidon, dénaturation du gluten) entrainant le passage de la pâte d’une structure de mousse liquide à une structure alvéolaire solide. Le volume et la finale du pain dépendent fortement de quand et comment la paroi comprise entre deux bulles se rompt au cours de la cuisson. L’effondrement de la pâte en expansion est observé lorsque la rupture intervient trop tôt tandis qu’un pain contracté est obtenu au refroidissement lorsque la rupture de la paroi de pâte n’est jamais atteinte. Dans le souci de comprendre l’impact des différents mécanismes impliqués lors de la rupture mécanique de la paroi de pâte à l’échelle des principaux constituants au cours de la cuisson, deux approches ont été abordées. La première approche a consisté en la prédiction du comportement mécanique d’un film de pâte réduit à la taille d’un grain d’amidon grâce à une modèle visco-hyperelastique. L’analyse des champs de contraintes moyennes de von Mises et de la triaxialité des contraintes montre que la rupture mécanique de la paroi de pâte est fortement sensible à la nature des interactions gluten-amidon à partir des fractions d’amidon supérieures à 11% v/v. La seconde approche, complémentaire à la première, a porté sur le développement d’un dispositif de caractérisation du comportement mécanique d’un film de pâte (épaisseur 200μm-1mm) dans les conditions de fermentation et de cuisson. Une surestimation de la contrainte par la technique de soufflage à partir des déformations vraies supérieures à 1,5 pour les faibles épaisseurs considérées est observée. Les modules mécaniques du gluten et de l’amidon sont estimés grâce à une confrontation des résultats expérimentaux au modèle. De plus, l’évolution de la topographie du film notamment, la forme, la taille des grains d’amidon et des trous (rupture) est discutée au moyen d’analyses d’images. Les enjeux technologiques de cette thèse concernent le développement de nouveaux procédés comme la cuisson sous vide et l’intégration de la variabilité des matières premières dans la conduite de la cuisson.

L'objectif de cette thèse était d’améliorer la compréhension des mécanismes impliqués dans la relaxation de tissus végétaux en prenant en compte la composition du contenu cellulaire et la microstructure des tissus. L'effet de la température, du pH et de la teneur en soluté sur les temps de relaxation T2 ont été décrits dans le cas de solutions de sucres simples, en première approximation du contenu vacuolaire de fruits charnus. Cela a permis de mettre en évidence, l'impact non négligeable des effets des échanges chimiques sur la relaxation à 1,5T dans des conditions d'imagerie. Par la suite, les effets combinés des échanges chimiques et de la structure compartimentée sur les paramètres de relaxation des tissus végétaux ont été étudiés en prenant la tomate comme modèle de fruit charnu. Dans le cadre de cette étude, nous nous sommes intéressés aux changements induits par des variations de température dans de gammes de températures où l'intégrité cellulaire est maintenue, la taille des compartiments et la concentration vacuolaire étant supposée constantes au cours de ce processus. Enfin, l'influence de la taille des cellules ainsi que de la teneur en eau a été abordée grâce à l'étude de l'impact de la déshydratation sur des tissus de tomate. Ce travail a permis d'estimer la sensibilité des paramètres de relaxation au cours de ces différents processus, permettant ainsi de proposer une interprétation des variations de T2 observées, prenant en compte les divers mécanismes impliqués.

La séparation de phase du lisier porcin en bâtiment permet d’exporter hors du plan d’épandage le phosphore excrété dans la phase solide et de valoriser la fraction organique sous forme de biogaz par digestion anaérobie. La valorisation par épandage de la phase liquide, chargée en azote ammoniacal, est limitée par la réglementation. Il est donc parfois nécessaire de réduire les concentrations en azote de cet effluent grâce à des procédés biologiques. Dans un premier temps, la caractérisation de cette phase liquide réalisée sur plusieurs élevages au cours de ce travail a mis en évidence des concentrations en sels importantes mais aussi des concentrations en matière organique élevées. De fortes variabilités inter-élevage et intra-élevage ont pu être observées. Par la suite, les travaux de modélisation effectués se sont appuyés sur le modèle PiwaT1 (Béline et al., 2007) modifié pour prendre en compte le pH. Les simulations numériques ont permis de montrer la faisabilité et l’intérêt du procédé de shunt des nitrates pour traiter les effluents avec un ratio DCO/N supérieur à 2. Pour les effluents à faible ratio DCO/N, le procédé de Nitritation Partielle–Anammox (PNA) apparaît comme une alternative intéressante. Les travaux expérimentaux réalisés au cours de cette thèse ont ainsi montré la faisabilité du traitement de cette phase liquide par le procédé PNA. Toutefois, les performances observées avec cette phase liquide mettent en évidence une baisse significative des performances du procédé Anammox par rapport à des effluents synthétiques. D’après les observations réalisées, les chutes de performances semblent être multifactorielles. La salinité composée d’un cocktail d’ions et les concentrations en matière organique couplées à un ratio « cations monovalents »/ « cations divalents » élevé ont été identifiés comme les principaux paramètres impactant l’activité des bactéries Anammox ; sans qu’il soit toutefois possible de les identifier spécifiquement et quantitativement.

Le modèle de la méthanisation en France, basé sur la co-digestion de différents co-substrats organiques, nécessite des équipements et un suivi prenant en compte cette spécificité conduisant à une forte variabilité quantitative et qualitative des intrants. La mise au point de nouveaux capteurs pour le suivi en ligne de la méthanisation est donc un élément majeur qui permettra d’accompagner et d’améliorer son développement. Dans ce cadre, la spectroscopie proche infrarouge (SPIR) a été identifiée comme une méthode prometteuse pour le suivi en ligne du procédé. Ainsi, les principaux objectifs de cette thèse sont donc (1) de développer et d’évaluer des capteurs optiques basés sur la SPIR et (2) de développer et d’évaluer les différentes méthodes chimiométriques adaptées au suivi du procédé pour le traitement et l’analyse des données obtenues par les capteurs optiques et plus largement sur l’ensemble des données disponibles. Pour cela, deux approches ont été testées. Une approche de prédiction dans laquelle les méthodes chimiométriques telles que PLS, SO-PLS et SOCovSel ont été testées, principalement à partir des spectres infrarouges issus des expérimentations de codigestion, pour prédire des paramètres spécifiques AGV, AGLC et NH4+ qui sont des indicateurs pertinents de dysfonctionnement dans les installations de digestion anaérobie. Une seconde approche a permis de suivre l’évolution globale du digesteur aussi bien à partir des spectres que des cinétiques de production du biogaz. Les méthodes MSPC basées sur l’ACP (ACP statique et MWPCA) utilisées dans cette seconde approche ont montré de nombreuses potentialités pour la mise en évidence d’alerte précoce de dysfonctionnement dans le suivi de la digestion anaérobie.

La valorisation des déchets par le compostage et la méthanisation est encouragée par les politiques de l'UE. Cependant, ces technologies de recyclage des déchets sont confrontées à un défi crucial en matière de libération et de contrôle des émissions de gaz odorants. En effet, la pollution par les odeurs est la principale cause d'opposition du public au traitement des déchets, ce qui a entraîné la fermeture et des poursuites en justice pour les unités de traitement des déchets. À l'heure actuelle, les inventaires des émissions d'odeurs et de produits chimiques pour appuyer les plans de gestion des odeurs et de la pollution atmosphérique font défaut, en raison de la complexité des évaluations des odeurs, impliquant généralement des analyses sensorielles et chimiques. L'objectif de cette thèse était donc de caractériser de manière détaillée les émissions de gaz et les odeurs lors du processus de compostage. À cette fin, les émissions d’odeurs et de polluants ont tout d’abord été étudiées au cours des différentes étapes opérationnelles du processus de compostage, à savoir le stockage, la phase active, le retournement et la maturation. Les résultats ont montré que la phase active et le retournement jouent un rôle essentiel dans les générations de nuisances olfactives causées principalement par les composés soufrés volatils (CSV). Des efforts supplémentaires ont ensuite été consacrés à la caractérisation des émissions de gaz au cours de la phase active de compostage de quinze déchets solides et du digestat, permettant ainsi de corroborer l’importance des CSV sur la production d’odeurs lors du compostage et de différencier l’impact des émissions de gaz sur les odeurs en fonction des matières premières des déchets. La dernière partie de ce travail de recherche a été consacrée à la corrélation des mesures sensorielles et chimiques, par le biais de méthodes de régression simple et multiple visant à faciliter et à renforcer le contrôle des odeurs dans les unités de traitement des déchets. Notamment, un modèle des moindres carrés partiels améliore la prévision de la concentration d'odeurs grâce à la composition chimique des gaz émis.

La valorisation des déchets par digestion anaérobie conduit à la production d’un résidu, appelé digestat, qui est composé de la matière organique non biodégradée et présente une forte teneur en azote ammoniacal et organique. De par cette richesse en azote, les digestats présentent un intérêt grandissant pour la substitution aux engrais minéraux. L’objectif de cette thèse est de comprendre les transformations de l’azote en digestion anaérobie afin de prédire la qualité azotée des digestats. Cette compréhension des processus de transformation de l’azote ouvrira la possibilité de dimensionner et piloter le procédé de digestion anaérobie pour une substitution optimisée des engrais minéraux par les digestats. Pour cela, deux approches ont été développées: (i) une approche compréhensive centrée sur la compréhension de la bioaccessibilité de l’azote organique en lien avec sa biodégradabilité, et la compréhension des transformations de l’azote en digestion anaérobie en conditions de laboratoire et pilote; et ; (ii) une approche numérique où les processus identifiés ont été intégrés à des outils de modélisation à bases statistiques et biocinétiques permettant de prédire les propriétés azotées des digestats en fonction des cocktails de substrats et du temps de séjour dans le digesteur.