Instrumentations radiofréquences pour l’agriculture de précision : application à la filière aviaire pour le sexage précoce in et ex ovo

Radiofrequency instrumentations for precision agriculture : application to the avian industry for in and ex ovo early sexing

• Auteur / Autrice : Patricio Felipe Jaque Gonzalez
• Direction : David Dubuc, Katia Grenier, Thierry Véronèse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electromagnétisme et systèmes haute fréquence
• Date : Soutenance le 23/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Baptiste Begueret
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Réhault-Godbert, Valérie Vigneras

Mots clés

Mots clés contrôlés

Radiofréquences

Millifluidique

Agriculture de précision

Oeufs -- Production

Mots clés libres

Spectroscopie diélectrique

Agriculture de précision

Radiofréquences

Millifluidique

Biocapteurs

Dielectric spectroscopy

Precision agriculture

Microwave

Milli-fluidic

Biosensors

Résumé

Ce travail de thèse aborde la problématique du sexage précoce des œufs, consistant à déterminer le sexe d’un embryon aviaire, dans ce cas particulier du canard mulard, à un stade précoce de développement embryonnaire. En effet il s’agit d’une problématique mondiale avec de forts enjeux sociétaux liés au bien-être animal ainsi que des enjeux économiques liés à l’agro-industrie. Pour répondre à cette problématique, les développements en cours impliquent des techniques invasives ou non, majoritairement optiques. Dans notre cas, nous nous sommes intéressés au développement d’instrumentations basées sur la technique de spectroscopie radiofréquence (RF) comme méthode de sexage précoce in et ex ovo en raison de son caractère non-invasif et sa capacité à caractériser la matière biologique par ses propriétés diélectriques. Dans une première partie de ce manuscrit, le Chapitre I, nous étudions le contexte actuel du sexage des œufs, en abordant les enjeux sociétaux et économiques ainsi que les techniques d’analyse existantes ou en cours de développement. Dans ce paysage, nous positionnons la spectroscopie RF comme technique innovante et viable pour une application à grande échelle. Ensuite, le travail de thèse a été divisé en deux axes principaux. Le premier est décrit dans le chapitre II de cette thèse avec la mise en place d’un système d’analyse RF millifluidique pour évaluer les différents liquides constitutifs de l’œuf et voir s’il est possible de trouver une source de différentiation sexuelle (mâle-femelle) ciblée dans l’œuf. Pour cela nous avons conçu puis optimisé un dispositif de spectroscopie millifluidique RF. Sa caractérisation en termes de sensibilité et de reproductibilité des mesures a été menée à l’aide de liquides de référence. Des protocoles de prélèvements et de préparation des échantillons liquides d’œufs ainsi que des méthodes de mesures ont ensuite été mis en place, appliqués à la discrimination d’œufs clairs et d’œufs fécondés puis du sexe. Le deuxième axe traite de la mise en place de l’instrumentation d’analyse RF non invasive des œufs. Pour cela une partie a été dédiée à la conception des capteurs permettant d’irradier des ondes électromagnétiques dans l’œuf et de mesurer les ondes réfléchie et transmise par et à travers l’œuf. En utilisant des outils de simulation électrique et électromagnétique, nous avons conçu différentes versions des capteurs dédiés à la mesure des œufs, et défini celui le plus adapté pour l’application visée. Un banc de caractérisation d’œufs et une méthode expérimentale ont été également mis en place pour mesurer des œufs à différents jours d’incubation. Différentes campagnes de mesure sur œuf a permis de mettre en évidence des améliorations à apporter à l’instrumentation pour une meilleure adaptabilité à la variabilité intrinsèque des œufs et une meilleure sensibilité, avec la proposition d’une nouvelle version du banc de spectroscopie RF sur œufs, adaptable à la géométrie de l’œuf. Ce travail pose donc les premières bases d’une instrumentation RF dédiée à l’analyse non invasive d’œufs, avec pour perspective une possible exploitation pour des problématiques de fraîcheur ou encore de sexage précoce, qui revêtent des enjeux économiques importants pour le secteur agricole et la filière aviaire.

This doctoral work addresses the issue of early sexing of eggs, consisting in determining the sex of an avian embryo, in this particular case of the mulard duck, at an early stage of embryonic development. Indeed, it is a global problem with strong societal issues related to animal welfare as well as economic issues related to agro-industry. To address these issues, current developments involve techniques, that may or may not be invasive, mainly optical. In our case, we were interested in the development of instrumentation based on the radio frequency (RF) spectroscopy technique as a method of early sexing in and ex ovo due to its non-invasive character and its ability to characterize biological material by its dielectric properties. In the first part of this document (Chapter I), we study the current context of egg sexing, by addressing societal and economic issues as well as existing or developing analytical techniques. In this landscape, we position RF spectroscopy as an innovative and viable technique for large-scale application. Then, the work is divided into two main axis. The first one is described in chapter II of this PhD manuscript with the establishment of a millifluidic RF analysis system to evaluate the different constituent fluids of an egg and evaluate if it is possible to find a source of sexual differentiation (male-female). To do this, we design and then optimize an RF millifluidic spectroscopy device. Its characterization in terms of sensitivity and reproducibility of measurements is carried out using reference liquids. Protocols for the collection and preparation of liquid egg samples as well as measurement methods are then set up, applied to the discrimination of clear eggs and fertilized eggs and then gender. The second axis deals with the implementation of an instrumentation for non-invasive RF analysis of eggs. To do this, a part of the work is dedicated to the design of sensors to irradiate electromagnetic waves in the egg and, to measure the waves reflected and transmitted by and through the egg respectively. Using electrical and electromagnetic simulation tools, we design different versions of the sensors dedicated to eggs measurements, and define the most suitable for the intended application. An egg characterization test bench and an experimental method are also set up to measure eggs at different incubation days. Various eggs measurement campaigns permit to highlight the improvements which should be made to the instrumentation for a better adaptability to the intrinsic variability of eggs and a better sensitivity, with the proposal of a new version of the RF spectroscopic test-bench of eggs, adapted to the geometry of the egg. This work therefore lays the first foundations of a RF instrumentation dedicated to the non-invasive analysis of eggs, with the prospect of a possible exploitation for freshness evaluation or even early sexing, which both have significant economic challenges for the agricultural and avian sector.