تجميد كخاليط الايس كريم

عملية التجميد Freezing

تعتبر مناهم العمليات التي تجرى في صناعة الايس كريم
تعريفها "عملية تحول للمادة من حالة سائلة إلى حالة صلبة او شبة صلبة"
اى مادة في الطبيعة يمكن أن تتواد في أحدى الصور إما (سائلة – صلبة – غازية) ويوقف وضع المادة على مستوى الطاقة الموجودة على جزيئات هذة المادة

كلما انخفض مستوى الطاقة على جزيئات المادة
تكون المادة في حالة صلبة
كلما ارتفع مستوى الطاقة على جزيئات المادة
تكون المادة في حالة غازية
كلما كان مستوى الطاقة على جزيئات المادة متوسطة
تكون المادة في حالة سائلة

مستوى الطاقة عبارة عن محصلة عدة صور من الطاقة المؤثرة على جزىء المادة

الطاقة عبارة عن قوة ولكن قد تتواجد في أكثر من صورة منها:

1- الطاقة الحرارية
2- الطاقة الكهربائية (الالكترونات)
3- الطاقة النووية (الإشعاعات التي تنطلق)
4- الطاقة الحركية (تحرك الجزيئات)
5- طاقة وضعية

اى أن الطاقة كلها مدلول واحد ولكن لها صور مختلفة تظهر في الطبيعة

جزيئات المادة تحتوى على طاقة سواء طاقة حركية أو طاقة وضعية وتغير مستوى الطاقة على تلك الجزيئات يؤدى إلى تحولها من صورة إلى أخرى فعلى سبيل المثال المادة السائلة عند زيادة مستوى الطاقة عليها تتحول إلى صورة غازية ومن الوسائل التي يمكن استخدامها لرفع مستوى الطاقة منها:

1- الحرارة (رفع درجة الحرارة يزيد من مستويات الطاقة على الجزيئات)
2- الطاقة الاشعاعية (يمكن بها زيادة مستويات الطاقة على الجزئيات)
3- الطاقة الحركية

كذلك يمكن النظر إلى عملية التبريد على أنها عملية سحب طاقة من الجزيئات

اى أن مستوى الطاقة على جزيء المادة يمثل مجموع الطاقات السابقة (الحرارية – الاشعاعية – الكهربائية)

عملية التسخين تؤدى إلى رفع مستوى الطاقة الاجمالية للمادة بالتالي تتحول من صورة إلى أخرى (من السيولة على سبيل المثال إلى الحالة الغازية) كما ان سحب الطاقة من جزيئات المادة يؤدى إلى تحولها من صورة إلى أخرى (على سبيل المثال من الحالة السائلة إلى الحالة الصلبة) اى انة يمكن القول بأن عملية التبريد ما هى إلا عملية سحب للطاقة من جزيئات المواد لتؤدى بذلك إلى تحولها من حالة إلى أخرى (السيولة إلى الصلابة)

يلاحظ أن استخدام الحرارة كوسيلة من وسائل زيادة او إنقاص مستويات الطاقة الكلية على الجزيئات تعتبر عملية سهلة وذلك لسهولة عملية توليد أو سحب الحرارة بعكس الحال عند التعامل مع الطاقة الاشعاعية أو الكهربائية


اىانة يمكن القول بأن أهم الاسباب المحددة لحالة المادة هى:

1- مستويات الطاقة المحملة على الجزيئات
2- المسافات بين جزيئات المادة (حيث نلاحظ أن المسافات بين الجزيئات في حالة المواد الصلبة تكون متباعدة قليلا بينما في حالة السوائل تكون المسافات بين الجزيئات متباعدة بدرجة اكبر من حالة الصلابة بينما في حالة الغازات تكون الجزيئات متباعدة بدرجة اكبر من السوائل



الحالة الصلبة





الحالة السائلة





الحالة الغازية



في عملية التجميد نلاحظ أن سحب الحرارة باستمرار يؤدى إلى تقريب جزيئات المادة من بعضها البعض نتيجة لتخفيض مستويات الطاقة على الجزيئات حيث تتحول المواد السائلة إلى صلبة وفى عملية التجميد نجد أن الماء بصفة أساسية هو الذي تحدث لة عملية التجميد (سواء أكان التجميد لمخلوط الايس كريم أو الخضر أو الفواكة .... الخ)

اى ان:- التجميد عملية سحب طاقة من الجزيئات لتحويلها من صورة إلى اخرى

أهداف عملية التجميد:-

1- في حالة الخضر والفاكهه يعتبر التجميد كوسيلة حفظ
2- في حالة الايس كريم يعتبر الهدف الاساسى للتجميد تحسين قوام المنتج وجعلة في صورة متماسكة بينما الهدف الثانوي إعاقة نمو الميكروبات التي قد تتواجد في المنتج النهائي

تفسير ما يحدث في حالة تجميد الماء النقي وفى حالة مخاليط المركبات

جزيئات الماء النقي توجد على مسافات بينية ثابتة في المدى من درجات الحرارة (صفر حتى 100ºم) حيث نلاحظ انة عند درجة الصفر المؤى تصل مستويات الطاقة في جزىء الماء إلى المستوى الحرج وهى اقل مستوى طاقة يسمح بتواجد الماء على الصورة السائلة بحيث أنة لو انخفضت درجة حرارة الماء إلى -1ºم لتحول من الصورة السائلة إلى الصورة الصلبة لاقتراب الجزيئات من بعضها البعض وهذا في حالة الماء النقي

اما إذا كانت المادة في حالة غير نقية (على سبيل المثال مخلوط الايس كريم) اى أن الماء يوجد في حالة اختلاط مع المواد الأخرى فنجد على سبيل المثال:-

1- حالة الذوبان (الحالة التي يوجد فيها ارتباط دقيق جدا بين جزيئات المذاب مع المذيب مثل السكر والأملاح سواء أملاح الكالسيوم او الماغنسيوم
2- حالة التعليق الغروي (وهى الحالة التي يكون فيها الارتباط بين الجسيمات الغروية (سواء كان كازين أو بعض أنواع البروتينات الأخرى الموجودة ) والماء ارتباط متوسط نتيجة وجود الشحنات الكهربائية على جزيئات المواد الغروية والتى ترتبط مع الماء بروابط استاتيكية
3- حالة الاستحلاب وهى الحالة التى يوجد فيها ارتباط من بين القطب المحب للماء الموجود على سطح غشاء حبيبات الدهن وبيم جزيئات الماء

اى أن الماء في حالة مخلوط الايس كريم على سبيل المثال يوجد مرتبطا مع معظم المكونات اللبنية وبالتالي فأن خفض درجة الحرارة إلى الصفر المؤى لا يؤدى إلى وصول جزيئات الماء إلى مستويات الطاقة الحرجة وذلك لوجود المكونات الأخرى التي ترتبط مع الماء وتمنع وصول مستويات الطاقة للجزيئات إلى المستويات الحرجة اى أن الأمر يستلزم خفض درجات الحرارة بدرجة اكبر للتغلب على قوى الارتباط بين الماء والمواد الأخرى المتواجدة في المخلوط سواء مواد ذائبة او في حالة معلقات أو في حالة استحلاب

اى أن :-
1- خفض درجة الحرارة على سبيل المثال (-3ºم إلى -5ºم) يعمل على كسر الارتباط بين جزيئات الماء والجزيئات الأخرى ويزداد التجاذب بين جزئيات الماء وبالتالي يتحول من الصورة السائلة إلى الصورة الصلبة بمعنى أن خفض مستويات الطاقة بشكل كبير (5 درجات تحت الصفر المؤى) على سبيل المثال يعمل على كسر التجاذب الحادث بين الكالسيوم والماء وبين السكر والماء مع اقتراب جزيئات الماء من بعضها البعض وتحولة من الصورة السائلة إلى الصلبة)
2- عملية التجميد تؤدى إلى زيادة تركيز المواد الذائبة فلو فرضنا أن جزىء واحد من الكالسيوم على سبيل المثال يوجد مرتبطا مع خمس جزيئات من الماء فأن عملية التجميد تؤدى إلى كسر الارتباط بين 2 جزىء من الماء المرتبطين مع الكالسيوم وارتباط الجزيئان المنفصلين اى أصبح الكالسيوم مرتبطا مع ثلاثة جزيئات فقط وليس خمسة جزيئات معنى ذلك أن التركيز زاد (جزىء كالسيوم مذاب في خمسة جزيئات ماء غير جزى كالسيوم مذاب في ثلاثة جزيئات ماء)




3- استمرار عملية التجميد وخفض درجات الحرارة يؤدى إلى زيادة تركيز المواد الذائبة حيث نجد ان التجميد الأولى يؤدى فقط إلى تجميد جزىء بسيط من الماء (حوالي 30-40%) واخراجة من ملعب الارتباط بينما عملية التصليب (التجميد الشديد عملية تؤدى الى تجميد الماء الكلى)

وهذا يفسر سبب ضرورة خفض درجات حرارة التجميد بزيادة تركيز المواد الذائبة من اجل التغلب على قوى الارتباط بين جزيئات المواد الذائبة والمذيب كما انة يوضح كذلك سبب عدم ثبات درجات تجميد المخاليط المختلفة

الطرق الحسابية التي يمكن استخدامها لمعرفة انسب درجة تجمد مطلوبة للمخلوط:-

هذة الطريقة تعتمد على عمل علاقة بين المواد الذائبة بتركيز معين ودرجة التجمد (حيث يتم تجهيز ماء نقى تركيز المواد الذائبة بة صفر وقياس درجة التجمد لة ثم إضافة بعض المواد الذائبة مثل السكر بتركيز معين بسيط وقياس درجة التجمد للمحلول الناتج وزيادة تركيز السكر بدرجة ثابتة فيما بعد مع قياس درجة التجمد لكل تركيز من تركيزات المحلول وذلك باستخدام جهاز الكرايوسكوب Cryoscop (جهاز قياس درجة تجمد السوائل عبارة عن وعاء معدني مزود بوسيلة لقياس درجة حرارة التبريد ووسيلة للتبريد)



وعن طريق تحويل العلاقة السابقة إلى علاقة عكسية بين تركيز السكر وبين الانخفاض الذي يحدث في درجة التجمد يمكن معرفة الدرجة المطلوبة من التجميد لكل تركيز من تركيزات المخلوط




مثال :-
افترض أن لدينا مخلوط ايس كريم يحتوى على جوامد صلبة لا دهنية 10% كما يحتوى على تركيز من سكر السكروز يصل إلى 12% والمطلوب معرفة الدرجة المناسبة من التجميد لهذا المخلوط باستخدام الطريقة البيانية السابقة

الحل:
يتم حساب كمية السكر الكلية الموجودة في المخلوط على اعتبار أن سكر اللاكتوز مثل الجلوكوز

اولا:- يحتوى اللبن في المعتاد على 5.45% لاكتوز
ثانيا:- السكر أضيف بنسبة 12%
ثالثا:- مجموع السكر الموجود في المخلوط = 5.45 + 12 = 17.45%

معنى ذلك أن كل 100 جرام من المخلوط تحتوى على 17.45 جرام من السكر الكلى
ولكن السكر (سواء لاكتوز أو سكروز) يعتبر من المواد الذائبة اى انة يتواجد في ماء المخلوط بمعنى ان ال 17.45 جرام سكر السابقة تتواجد في 60 جرام ماء على اعتبار أن الجوامد الكلية في المخلوط تصل إلى 40%

اى ان ال 60 جرام ماء تحتوى على 17.45 جرام سكر اذا ال 100 جرام ماء تحتوى على س جرام من السكر وبحل المعادلة السابقة نستطيع القول بأن كل 100 جرام من الماء يوجد ذائبا بها 29 جرام من السكر اى ان تركيز السكر 29% وبمجرد معرفة تركيز السكر في المخلوط يمكن مباشرة من المنحنى البيانى السابق معرفة الانخفاض اللازم في درجات التجمد للمخلوط

نفس الكلام السابق يمكن تطبيقة مع اى مكون آخر من مكونات مخلوط الايس كريم سواء كان أملاح او بروتينات أو غيرها مع إجراء عملية جمع لدرجات حرارة التجميد لكل المكونات يمكن الحصول على الدرجة المطلوبة من التجميد للمخلوط في النهاية ولكن هذا لا يمنع وجود بعض الطرق الأخرى الرياضية التي تستطيع حساب الانخفاض اللازم في درجات حرارة التجميد لكل مكونات المخلوط دفعة واحدة

كذلك يمكن القول بانة لا يمكن تحديد نهاية عملية التجميد حيث أنها من العمليات التي تحتاج إلى خبرة ولكن يعتبر الوصول إلى نسبة تجميد من 50 – 50% من ماء المخلوط درجة مناسبة من التجميد

أهم الصفات التي يجب ملاحظتها بعد عملية التجميد الأولى:-

1- صفة المحافظة على الريع
حيث أن عملية التجميد الأولى يكون الغرض الاساسى منها المحافظة على فقاعات الهواء التي تم دمجها في المخلوط والتي تمثل الريع في المنتج بحيث يظل المنتج محتفظا بشكلة ولا يفقد فقاعات لهواء بسهولة

2- صفة المحافظة على قوام المنتج بعد التجميد الأولى
وذلك من اجل الحصول على مثلوج محتفظا بشكلة وقوامة وفى نفس الوقت يسهل اخراجة من العبوة فلو تم التجميد على درجات حرارة -80م على سبيل المثال فان ذلك يعنى الحصول على قوام شديد التماسك ( مثل الحجر) ولذلك يفضل التجميد بنسبة لا تزيد عن 50% للماء الموجود في المخلوط

اى أن الموضوع يتعلق بخبرة العامل ومدى ملاحظتة لقوام مخلوط الايس كريم والتي عندها يتم إيقاف عملية التجميد الأولى

مما سبق يتضح لنا أن عملية التجميد ما هي إلا عملية يصاحبها فقد في الطاقة الحرارية أو سحب وتقليل الطاقة الحرارية للمخلوط وهذة العملية مهمة في مصانع المثلجات اللبنية والتي عليها يتوقف بعض الأمور منها:-
1- معرفة نوع وكفاءة الماكينات المطلوب استخدامها في خطوط الإنتاج وتحديد الكفاءة والسعة الحرارية المطلوب نزعها ومن ثم تحديد سعة الماكينة أو التبريد (حصان – اثنين حصان ....الخ)
2- معرفة كمية الطاقة المستهلكة وبالتالي التكلفة الاقتصادية
3- حساب الحرارة النوعية (Specific heat) للمخلوط (كمية الحرارة اللازمة لرفع أو خفض وزن معين من المادة درجة واحدة مؤية) حيث تختلف الحرارة النوعية من مادة لأخرى فبعض المواد لها درجة حرارة نوعية مرتفعة والبعض الآخر العكس (بصفة عامة يعتبر الماء من المواد التى لها حرارة نوعية مرتفعة) وذلك من الحكم الالهية حيث أنة يحتاج إلى طاقة كبيرة لسحب الحرارة من الجزيئات والوصول إلى حالة التجميد فلكي يتم خفض درجات حرارة الماء درجة واحدة نحتاج إلى كم كبير من السعرات الحرارية بينما التذبذب في درجات حرارة جو الأرض يكون في حدود بسيطة لا تتعدى 20م بالزيادة أو النقصان في العديد من دول العالم اى أن الماء على سطح الكرة الارضية يوجد في حالة سائلة في اغلب بلاد العالم ومن هنا يمكن تفسير كيف أن زيادة المحتوى المائي في المخلوط يعنى زيادة الصعوبة في عملية التجميد . عملية حساب الحرارة النوعية للمخلوط تتوقف على الحرارة النوعية لمكونات المخلوط وهذا يتأتى عن طريق حساب الحرارة النوعية للماء والدهن والسكر والأملاح والبروتين مع ملاحظة نسبة كل مكون من المكونات ومن ثم يمكن تحديد الحرارة النوعية للمخلوط (اى انة كلما ارتفعت الحرارة النوعية لمخلوط المثلجات كلما احتاج المخلوط إلى درجات حرارة اكبر في التسخين وكلما احتاج إلى مجهود اكبر في التجميد)