Séchage

Le séchage est un procédé de transfert de masse consistant à éliminer l'eau ou un autre solvant par évaporation à partir d'un solide , semi-solide ou liquide . Ce procédé est souvent utilisé comme étape finale de production avant la vente ou l'emballage des produits. Pour être considéré comme « séché », le produit final doit être solide, sous la forme d'une feuille continue (par exemple, du papier), de longs morceaux (par exemple, du bois), de particules (par exemple, des grains de céréales ou des flocons de maïs) ou de poudre (par exemple, du sable, du sel, de la lessive, du lait en poudre). Une source de chaleur et un agent pour éliminer la vapeur produite par le procédé sont souvent impliqués. Dans les bioproduits comme les aliments, les céréales et les produits pharmaceutiques comme les vaccins , le solvant à éliminer est presque invariablement de l'eau. La dessiccation peut être synonyme de séchage ou considérée comme une forme extrême de séchage.

Dans le cas le plus courant, un flux de gaz, par exemple de l'air, applique la chaleur par convection et emporte la vapeur sous forme d'humidité . D'autres possibilités sont le séchage sous vide , où la chaleur est fournie par conduction ou rayonnement (ou micro-ondes ), tandis que la vapeur ainsi produite est éliminée par le système de vide . Une autre technique indirecte est le séchage au tambour (utilisé, par exemple, pour la fabrication de flocons de pommes de terre), où une surface chauffée est utilisée pour fournir l'énergie, et des aspirateurs aspirent la vapeur à l'extérieur de la pièce. En revanche, l'extraction mécanique du solvant, par exemple de l'eau, par filtration ou centrifugation , n'est pas considérée comme un « séchage » mais plutôt comme un « drainage ».

Dans certains produits ayant une teneur en humidité initiale relativement élevée, on peut observer une réduction linéaire initiale de la teneur moyenne en humidité du produit en fonction du temps pendant une durée limitée, souvent appelée « période de vitesse de séchage constante ». En général, au cours de cette période, c'est l'humidité de surface à l'extérieur des particules individuelles qui est éliminée. La vitesse de séchage pendant cette période dépend principalement de la vitesse de transfert de chaleur vers le matériau à sécher. Par conséquent, la vitesse de séchage maximale atteignable est considérée comme limitée par le transfert de chaleur. Si le séchage se poursuit, la pente de la courbe, la vitesse de séchage, devient moins raide (période de vitesse décroissante) et tend finalement à devenir presque horizontale sur des durées très longues. La teneur en humidité du produit est alors constante à la « teneur en humidité d'équilibre », où elle est, en pratique, en équilibre avec le milieu déshydratant. Au cours de la période de vitesse décroissante, la migration de l'eau de l'intérieur du produit vers la surface se fait principalement par diffusion moléculaire, c'est-à-dire que le flux d'eau est proportionnel au gradient de teneur en humidité. Cela signifie que l'eau se déplace des zones à plus forte teneur en humidité vers les zones à plus faible teneur en humidité, un phénomène expliqué par la deuxième loi de la thermodynamique . Si l'élimination de l'eau est considérable, les produits subissent généralement un rétrécissement et une déformation, sauf dans un processus de lyophilisation bien conçu. La vitesse de séchage dans la période de vitesse décroissante est contrôlée par la vitesse d'élimination de l'humidité ou du solvant de l'intérieur du solide en cours de séchage et est qualifiée de « limitée par transfert de masse ». Ce phénomène est largement observé dans les produits hygroscopiques tels que les fruits et les légumes, où le séchage se produit dans la période de vitesse décroissante, la période de vitesse de séchage constante étant considérée comme négligeable.

Voici quelques méthodes générales de séchage :

• Utilisation d'air chaud ( séchage par convection ou direct). Le chauffage de l'air augmente la force de séchage pour le transfert de chaleur et accélère le séchage. Il réduit également l' humidité relative de l'air , augmentant encore la force motrice du séchage. Dans la période de taux de décroissance, lorsque la teneur en humidité diminue, les solides se réchauffent et les températures plus élevées accélèrent la diffusion de l'eau de l'intérieur du solide vers la surface. Cependant, des considérations de qualité du produit limitent l'augmentation applicable de la température de l'air. L'air trop chaud peut déshydrater presque complètement la surface solide, de sorte que ses pores rétrécissent et se ferment presque, entraînant la formation de croûtes ou « durcissement superficiel », ce qui est généralement indésirable. Par exemple, dans le séchage du bois (bois d'œuvre), l'air est chauffé (ce qui accélère le séchage) bien qu'un peu de vapeur y soit également ajoutée (ce qui ralentit la vitesse de séchage dans une certaine mesure) afin d'éviter une déshydratation excessive de la surface et une déformation du produit en raison des gradients d'humidité élevés sur l'épaisseur du bois. Le séchage par pulvérisation appartient à cette catégorie.
• Séchage indirect ou par contact (chauffage à travers une paroi chaude), comme le séchage au tambour ou le séchage sous vide. Là encore, des températures de paroi plus élevées accélèrent le séchage, mais cela est limité par la dégradation du produit ou la cémentation. Le séchage au tambour appartient à cette catégorie.
• Le séchage diélectrique (radiofréquence ou micro-ondes absorbées à l'intérieur du matériau) fait l'objet de recherches intenses de nos jours. Il peut être utilisé pour faciliter le séchage à l'air ou le séchage sous vide. Les chercheurs ont découvert que le séchage de finition par micro-ondes accélère la vitesse de séchage, qui est par ailleurs très faible à la fin des méthodes de séchage classiques. Le séchage par micro-ondes sous vide est utilisé pour la ration d'assaut rapproché expérimentale de l'armée américaine.
• La lyophilisation est une méthode de séchage dans laquelle le solvant est congelé avant le séchage, puis sublimé , c'est-à-dire passé de la phase solide à la phase gazeuse, en dessous du point de fusion du solvant. Elle est de plus en plus appliquée aux aliments secs, au-delà de ses applications pharmaceutiques ou médicales déjà classiques. Elle permet de conserver les propriétés biologiques des protéines, et de conserver les vitamines et les composés bioactifs. La pression peut être réduite par une pompe à vide poussé (bien que la lyophilisation à pression atmosphérique soit possible dans l'air sec). Si l'on utilise une pompe à vide, la vapeur produite par sublimation est éliminée du système en la transformant en glace dans un condenseur, fonctionnant à très basse température, à l'extérieur de la chambre de lyophilisation.
• Le séchage supercritique (séchage à la vapeur surchauffée) consiste à sécher à la vapeur des produits contenant de l'eau. Ce procédé est possible car l'eau contenue dans le produit est éliminée par ébullition et se joint au milieu de séchage, ce qui augmente son débit. Il est généralement utilisé en circuit fermé et permet de récupérer une partie de la chaleur latente par recompression, une caractéristique qui n'est pas possible avec le séchage à l'air conventionnel, par exemple. Le procédé peut être utilisé dans les aliments s'il est réalisé à pression réduite, pour abaisser le point d'ébullition.
• Le séchage à l'air libre consiste à sécher les matériaux à l'aide d'air pulsé non chauffé, en tirant parti de son potentiel de séchage naturel. Le processus est lent et dépend des conditions météorologiques. Il faut donc élaborer une stratégie judicieuse « ventilateur éteint/ventilateur allumé » en tenant compte des conditions suivantes : température de l'air, humidité relative et teneur en humidité et température du matériau à sécher. Les céréales sont de plus en plus séchées avec cette technique, et la durée totale (y compris les périodes d'arrêt et de fonctionnement du ventilateur) peut aller d'une semaine à plusieurs mois, si un repos hivernal peut être toléré dans les régions froides.

Dans l'industrie des revêtements et des adhésifs, le séchage est utilisé pour durcir les films à base de solvants. Dans certains cas, des films hautement structurés peuvent en résulter. Par exemple, l'évaporation du solvant d'une solution contenant un polymère hélicoïdal produit un ensemble hautement ordonné de structures toroïdales écrasées.

Les aliments sont séchés pour inhiber le développement microbien et la dégradation de la qualité. Cependant, le degré de séchage dépend de l'utilisation finale du produit. Les céréales et les oléagineux sont séchés après la récolte jusqu'à la teneur en humidité qui permet la stabilité microbienne pendant le stockage. Les légumes sont blanchis avant le séchage pour éviter un noircissement rapide, et le séchage est effectué non seulement pour inhiber la croissance microbienne, mais aussi pour éviter le brunissement pendant le stockage. En ce qui concerne les fruits séchés, la réduction de l'humidité agit en combinaison avec sa teneur en acide et en sucre pour assurer une protection contre la croissance microbienne. Les produits tels que le lait en poudre doivent être séchés jusqu'à une teneur en humidité très faible afin d'assurer la fluidité et d'éviter l'agglomération. Cette humidité est inférieure à celle requise pour assurer l'inhibition du développement microbien. D'autres produits comme les crackers sont séchés au-delà du seuil de croissance microbienne pour conférer une texture croustillante, appréciée des consommateurs.

Parmi les produits non alimentaires, certains nécessitent un séchage important, notamment le bois (dans le cadre de la transformation du bois), le papier, le lin et la lessive en poudre. Les deux premiers, en raison de leur origine organique, peuvent développer des moisissures s'ils ne sont pas suffisamment séchés. Un autre avantage du séchage est la réduction du volume et du poids.

Dans le domaine de l'assainissement , le séchage des boues d'épuration des stations d'épuration , des boues fécales ou des matières fécales collectées dans des toilettes sèches à séparation d'urine (TSSU) est une méthode courante pour éliminer les agents pathogènes , car ceux-ci ne peuvent tolérer qu'un certain niveau de sécheresse. De plus, le séchage est nécessaire comme étape du processus si les matières à base d'excréments sont destinées à être incinérées.