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Ultrasound-Assisted Convective Drying of Grape Pomace: Mathematical Modeling, Effective Moisture Diffusivity, and Rehydration Characteristics

Cette étude démontre qu'un prétraitement ultrasonique de 15 minutes réduit significativement le temps de séchage par convection du marc de raisin de 27 % et augmente sa diffusivité effective de l'humidité de 37 % sans compromettre la réhydratation, le modèle de Page ayant été identifié comme le prédicteur le plus précis de la cinétique de séchage.

Auteurs originaux : Amir Hosseinvand, Fizza Saleem, Elena. G. Kovaleva

Publié 2026-07-06

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Amir Hosseinvand, Fizza Saleem, Elena. G. Kovaleva

Article original sous licence CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

La vue d'ensemble : Transformer les déchets de vin en un produit stable

Imaginez l'industrie du vin comme une immense fête. Après que les raisins ont été broyés pour faire le vin, il vous reste un énorme tas de « restes » : les peaux, les pépins et les tiges. C'est ce qu'on appelle le marc de raisin.

Le problème est que ce tas est comme une éponge mouillée posée au soleil. Il est plein d'eau et de sucre, ce qui signifie qu'il pourrit et sent mauvais très rapidement. Pour le sauver, les chercheurs ont voulu l'assécher afin qu'il puisse être stocké et utilisé plus tard (comme pour le transformer en poudre pour l'alimentation ou les cosmétiques).

Cependant, sécher une éponge mouillée prend beaucoup de temps. Les chercheurs se sont posé la question suivante : « Pouvons-nous utiliser des ondes sonores (ultrasons) pour accélérer le processus de séchage, comme si l'on secouait une éponge mouillée pour en extraire l'eau plus vite ? »

L'expérience : Le « bain de son » pour les raisins

L'équipe a pris du marc de raisin et lui a offert un « bain de son » avant de le mettre dans un four chaud. Ils ont utilisé une machine à ultrasons (le genre que les dentistes utilisent pour nettoyer les dents, mais à plus grande échelle) pour bombarder les raisins d'ondes sonores pendant différentes durées :

0 minute : Pas de son (le groupe témoin).
5 minutes : Un bain de son rapide.
10 minutes : Un bain de son moyen.
15 minutes : Un bain de son long.

Après le bain de son, ils ont mis les raisins dans un séchoir à air chaud et ont chronométré le temps nécessaire pour qu'ils soient complètement secs.

Les résultats : Secouer l'éponge, ça marche

Les résultats étaient clairs : plus on utilisait de son, plus les raisins séchaient vite.

Le temps gagné : Sans aucun son, les raisins mettaient 465 minutes (presque 8 heures) pour sécher. Avec un bain de son de 15 minutes, ils ne mettaient que 340 minutes (environ 5,5 heures). Cela représente une réduction de 27 % du temps.
Le « pourquoi » : Considérez le marc de raisin comme une éponge dense et humide avec de petites cellules serrées qui retiennent l'eau à l'intérieur. Les ondes ultrasonores agissent comme de petits marteaux invisibles. Elles créent des bulles dans l'eau qui éclatent (un processus appelé cavitation). Ces bulles qui éclatent créent de minuscules fissures et des canaux dans les peaux et les pépins de raisin.
Le résultat : Au lieu que l'eau s'évapore lentement du raisin, elle dispose désormais d'« autoroutes » pour s'échapper. Les chercheurs ont mesuré cela comme la diffusivité effective de l'humidité (une façon sophistiquée de dire « la vitesse à laquelle l'eau se déplace »). Cette vitesse a augmenté de 37 % avec le traitement par ultrasons.

Les mathématiques : Prédire le séchage

Les chercheurs ne se sont pas contentés de regarder les raisins sécher ; ils ont essayé de prédire comment ils sécheraient en utilisant six formules mathématiques différentes (comme essayer de deviner la forme d'une feuille qui tombe en utilisant différentes équations).

Ils ont testé des modèles nommés d'après des scientifiques comme Newton, Page et Henderson.
Le vainqueur : Le « Modèle de Page » était le meilleur pour prédire exactement quelle quantité d'eau restait dans les raisins à n'importe quel moment. C'était la carte la plus précise pour le voyage de l'état humide à l'état sec.

L'après : Peuvent-ils redevenir humides ?

Une fois les raisins séchés, les chercheurs ont voulu voir s'ils pouvaient les réhydrater en les trempant dans l'eau. Cela est important car si vous transformez les raisins en poudre, vous pourriez vouloir ajouter de l'eau plus tard.

La conclusion : Le fait de tremper les raisins pour qu'ils absorbent l'eau n'a pas beaucoup changé en fonction de la durée du bombardement sonore. Que les raisins aient reçu 5 minutes ou 15 minutes d'ultrasons, ils n'ont absorbé l'eau que d'environ 6 % de mieux.
À retenir : Les ultrasons les ont aidés à sécher plus vite, mais ils n'ont pas radicalement changé leur capacité à absorber l'eau plus tard.

Le verdict final

L'étude conclut que l'utilisation de 15 minutes d'ultrasons avant le séchage du marc de raisin est le « point idéal ».

C'est une méthode écologique pour :

Gagner du temps : Vous obtenez un produit sec 27 % plus vite.
Économiser de l'énergie : Moins de temps dans le four signifie moins d'électricité consommée.
Améliorer l'efficacité : L'eau sort des raisins 37 % plus rapidement.

Les chercheurs recommandent cette méthode comme une façon intelligente et verte de gérer les quantités massives de déchets que l'industrie du vin crée, transformant un désordre périssable en un produit stable et utile.

Résumé technique : Séchage par convection assisté par ultrasons du marc de raisin

Énoncé du problème
L'industrie mondiale du vin génère environ 8,49 millions de tonnes métriques de marc de raisin par an, un sous-produit composé de peaux, de pépins et de rafles. Ce matériau est hautement périssable en raison de sa teneur initiale élevée en humidité (60 à 87 % sur la base humide) et de ses sucres résiduels, ce qui entraîne une décomposition microbienne rapide. Historiquement, la gestion de ces déchets a reposé sur des méthodes d'élimination linéaires (mise en décharge, incinération), qui génèrent des émissions de gaz à effet de serre et entraînent la perte de biomasse précieuse. Bien que le séchage par convection à l'air chaud offre une méthode viable pour stabiliser le marc en vue d'une utilisation dans les aliments fonctionnels et les nutraceutiques, le processus est chronophage. De plus, il existe un manque de recherche systématique concernant l'impact du prétraitement par ultrasons sur la cinétique de séchage du marc de raisin rouge, et aucun modèle mathématique de couche mince n'a été évalué auparavant pour cette application spécifique.

Méthodologie
L'étude a utilisé du marc de raisin Merlot provenant d'une usine de transformation de vin russe. Le dispositif expérimental comprenait les étapes suivantes :

Prétraitement : Des échantillons de marc de raisin entier ont été soumis à un prétraitement par ultrasons dans un bain à ultrasons de 40 kHz et 150 W pendant des durées de 0 (témoin), 5, 10 et 15 minutes.
Processus de séchage : Les échantillons traités ont été séchés dans un four à convection à air chaud à 45 °C jusqu'à ce que l'humidité d'équilibre soit atteinte. La perte de poids a été enregistrée toutes les 1 ou 15 minutes.
Calcul de la diffusivité : Le coefficient de diffusivité de l'humidité effective ( $D_{eff}$ ) a été calculé en utilisant la deuxième loi de Fick sur la diffusion, en supposant une géométrie de particule sphérique et l'absence de résistance externe.
Modélisation cinétique : Six modèles mathématiques (Newton, Page, Page modifié, Henderson & Pabis, Logarithmique et à deux termes) ont été ajustés aux données du rapport d'humidité expérimentales par régression non linéaire. La performance des modèles a été évaluée à l'aide d'indicateurs statistiques : le coefficient de détermination ( $R^2$ ), l'erreur quadratique moyenne (RMSE), le khi-carré ( $\chi^2$ ) et l'efficacité de la modélisation (EF).
Réhydratation : Le rapport de réhydratation (RR) a été déterminé en immergeant les échantillons séchés dans de l'eau distillée à 45 °C pendant 30 minutes.

Résultats clés

Réduction du temps de séchage : Le prétraitement par ultrasons a réduit de manière significative le temps de séchage total. L'augmentation du temps de sonication de 0 à 15 minutes a réduit la durée de séchage de 465 minutes à 340 minutes, soit une réduction de 27 %.
Diffusivité de l'humidité effective : Le coefficient de diffusivité de l'humidité effective a augmenté de manière significative ( $p < 0,05$ ) avec l'allongement des temps de sonication. Le coefficient est passé de $3,26 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (0 min) à $4,52 \times 10^{-10} \, m^2/s$ (15 min), soit une augmentation moyenne de 37 %.
Modélisation mathématique : Parmi les six modèles testés, le modèle de Page a fourni le meilleur ajustement pour la cinétique de séchage du marc de raisin traité par ultrasons. Il a présenté les coefficients de corrélation les plus élevés ( $R^2$ allant de 0,9984 à 0,9986) et les valeurs d'erreur les plus faibles (RMSE entre 0,0096 et 0,0156) pour tous les traitements.
Caractéristiques de réhydratation : Bien que le prétraitement par ultrasons ait accéléré le séchage, son effet sur la réhydratation a été minime. L'augmentation du temps de prétraitement de 5 à 15 minutes n'a entraîné qu'une augmentation de 6 % du rapport de réhydratation, aucune différence statistiquement significative n'ayant été observée entre les différents temps d'application.

Signification et revendications
Les auteurs affirment que cette étude comble des lacunes critiques de connaissances en quantifiant systématiquement les effets du prétraitement par ultrasons sur le comportement de séchage du marc de raisin rouge et en identifiant le modèle mathématique le plus précis pour ce processus. La recherche démontre qu'un prétraitement par ultrasons de 15 minutes est une méthode efficace et écologique pour améliorer les capacités de transfert de masse et réduire considérablement la durée globale de séchage sans compromettre la capacité du matériau à se réhydrater. En validant le modèle de Page pour cette application spécifique, l'étude fournit une base objective pour la valorisation industrielle du marc de raisin, soutenant sa transformation en produits stables et de longue conservation pour l'économie circulaire. L'étude conclut que la méthode proposée réduit le temps de séchage de 27 % et augmente le coefficient de diffusion de l'humidité de 37 %, offrant une optimisation pratique pour les processus de séchage par convection.