CN101220378A - 一种基于糖质原料生产乙醇的固态发酵方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于甜高粱茎秆(包括其他糖质原料，如甜菜、甘蔗、菊芋等)生产乙醇的固态发酵方法和系统，属于生物质液体燃料加工技术领域。所述方法主要包括以下关键工序和核心设备：①粉碎料借助转鼓式固态发酵罐筒体的回转运动和罐体倾角(1～15°)与进料抄板双重作用下入罐与经喷淋器喷出的高产乙醇TSH－Sc－1酵母菌液均匀混合；②在兼氧环境中进行固态发酵，发酵罐匀速回转，促进物料混合和强化传热，使发酵始终处于最佳状态，缩短发酵时间；③在线监控：固态发酵受诸多因素影响(如)，微机在线调控温度分布、喷淋量、溶解O₂浓度、填充因子、粉碎料与菌液混合度、黄浆pH值、CO₂浓度、乙醇浓度、菌种迁移性等参数以确保固态发酵在最佳工况下进行；④发酵料借助罐体回转和出料抄板推动，实现自动出罐，并采用密闭隧道皮带输送发酵料至乙醇－糟渣分离单元。这一基于甜高粱茎秆等糖质原料生产乙醇的固态发酵系统将自动进出料、料液混合、固态发酵、过程监控等有机集成，最大限度克服了工程放大效应，能够实现工业化大规模运营。

Description

一种基于糖质原料生产乙醇的固态发酵方法与系统

技术领域

本发明涉及一种由甜高粱茎秆(包括其他糖质原料，如甜菜、甘蔗、菊芋等)粉碎料生产乙醇的固态发酵方法与系统，特别是一种基于甜高粱茎秆粉碎料固态发酵法生产乙醇的集成技术与装备，属于生物质液体燃料生产技术领域。

背景技术

现阶段国际油价一度超过100美元/桶，带动了了粮食及其他相关产品价格上扬，能源紧缺已影响到经济与社会可持续发展，同时CO₂减排问题亦是全球面对的共性问题。为此，大力发展可再生能源、减少石油消耗已成人类共识。2006年世界生物液体燃料产量4000万吨，其中燃料乙醇占85％以上，但是生产乙醇原料主要来自谷物或甘蔗，一是替代石油潜力有限，二是影响粮食安全，而人们寄予厚望的第2代生物液体燃料——纤维素乙醇尚需5-10年才能实现商业化生产。目前生物燃料产业发展正处于关键时期，迫切需要非粮原料合成乙醇生产技术提供支撑。

甜高粱是极具潜力的生产燃料乙醇非粮原料，具有不争粮、不争地等优点，适于在干旱、贫瘠和中轻度盐碱地和边角等荒地上种植。甜高粱集谷物与甘蔗的等作物的优势于一身，抗逆性高，产量高，不影响粮食和耕地安全，是理想的乙醇加工原料，然而甜高粱秆转化乙醇技术一直没有实质性突破。

目前以甜高粱茎秆生产乙醇采用固态和液态两种发酵技术路线，但尚未实现商业化生产。

液态发酵是将鲜甜高粱茎秆进行榨汁处理，以汁液进行液态发酵。在国外，美国(专利号：US20050054064A1)以甜高粱和其它糖质农作物残渣为原料，压榨后糖汁蒸汽灭菌，在30℃下液态发酵，时间72h，随后发酵液经蒸馏后获得乙醇，该工艺水消耗低于传统工艺；印度(专利号：IN200400820-I3，IN200200157-I3)以甜高粱和甘蔗等为原料生产乙醇：将茎秆破碎并与可溶性溶剂混合进行热预处理，浸提后汁液经1～6级连续发酵，上清液通过精馏和分子筛脱水提纯乙醇；中国公开专利(专利号：CN1616666、CN1511954、CN1955303)提出数种以甜高粱为原料榨汁后液态发酵法生产乙醇工艺，其发酵时间从24h到50h不等，综合分析知，液态发酵法无法利用汁液榨取后秆渣中的可发酵糖分；榨汁期短、大量糖汁储存困难；能耗高和废水量大也是瓶颈问题。

固态发酵是甜高粱茎杆粉碎后，在无游离水存在条件下，借助培养后的酵母菌附着在粉碎料上进行发酵。正是由于液态发酵存在诸多先天性弊端促使国内外将目光重新投向固态发酵。截至目前尚未检索到国外固态发酵法生产甜高粱乙醇的专利；中国公开专利(专利号：CN1597973、CN1699583)提出甜高粱茎秆固态发酵生产乙醇工艺，但仍局限于传统“酵池式”白酒酿造工艺内，存在物料自然堆积且静态发酵，传热与传质效果差、发酵时间长(3-7天)，难以实现机械化等工程问题；另外中国专利(CN1434113)提出在脉动压力和循环流动空气形成的气相双动态环境中进行固态发酵，但局限于小装置，存在放大问题。

因此，开发基于粉碎料直接发酵的大型转鼓式固态发酵罐装置、实现自动进出料、使发酵料动起来，改善热质传递和满足现代大生产要求是当务之急。

本发明公开的新型转鼓式固态发酵集成技术及其配套设备能够借助高产乙醇酵母菌TSH-Sc-1将甜高粱茎秆(或其他糖质原料)中的可发酵糖分在44h内转化为乙醇，提高实际乙醇收率，实现大规模连续操作，显著节约能耗和降低成本，从而对生物质资源化和能源化利用提供切实保障。

发明内容

本发明的目的在于针对当前甜高粱乙醇生产中液态发酵工艺存在原料预处理成本高、发酵周期长与能耗高等缺陷，以及传统固态发酵法采用酿酒工艺效率低下等缺陷，以发明人发明的转鼓式固态发酵系统为基础，采用发明人的专有菌种，实现将甜高粱茎杆等粉碎料中可发酵糖分高效、快速转化为乙醇，提高了乙醇实际收率，降低能耗与成本，实现固态发酵法生产乙醇技术的商业化运行。

本发明提出一种基于甜高粱茎秆合成乙醇的固态发酵方法和系统，其特征在于：

所述方法包括以下工艺步骤：

(1)料(粉碎料)-液(TSH-Sc-1菌液)混合：皮带输送而来的甜高粱粉碎料(直径Φ 1～10mm，长度L 2～20cm)依次经进料斗、推料绞轮、进料口到达斜面转鼓式固态发酵罐，在罐体正向回转(0～15rpm)和倾角(3～5°)双重作用下，通过进料抄板与混合抄板推动实现粉碎料自动入罐和在发酵罐内最大限度均匀分布；同时，经斜面接种、一级培养、二级培养和现场扩培合格的TSH-Sc-1高产乙醇酵母菌液空气压送经菌液喷淋器(不受罐体回转影响，始终处于发酵罐内正上部)喷洒于粉碎料中，并借助发酵罐回转和混合抄板推动实现二者均匀混合；

(2)固态发酵：封闭固态发酵罐进出料口、接种口、排液口和清洗口，将CO₂排空口连接呼吸器并使之处于微开，使发酵罐内形成兼氧环境，调节温度达到适宜范围进行固态发酵。定期使发酵罐回转，强化热质传递。产生的CO₂定期释放，以促进发酵反应正向进行。

(3)发酵料出罐：固态发酵结束后，类似于粉碎料入罐，发酵料在罐体回转和倾角双重作用下，借助出料抄板推动实现自动出料。为避免发酵料中乙醇挥发造成损失，发酵料出罐安排在密封舱中进行，并以密闭隧道皮带输送入后续乙醇糟渣分离单元；

(4)在线监控：固态发酵受诸多因素影响(如温度分布、喷淋量、粉碎料与菌液混合度、黄浆pH值、CO₂浓度、乙醇浓度、菌种迁移性等)，建立中控系统，对关键指标实现在线调控，确保固态发酵过程处于最佳工况，这也是现代大规模商业化生产的核心所在。

在上述的方法中，所述步骤1的料-液混合是指由皮带输送而来的粉碎料(直径Φ 1~10mm、长度L 2~20cm)，经进料斗、推料绞轮和进料口进入斜面转鼓式固态发酵罐，并借助固态发酵罐筒体正向回转(带动进料抄板、混合抄板)和倾角【从高(进口)到低(出口)，固态发酵罐与水平呈1～15°】的协同作用，使粉碎料在罐内最大程度均匀分布，填充系数控制在0.3~0.7之间。随后封闭粉碎料进出口，将斜面接种、一级培养、二级培养和现场扩培合格的高产乙醇TSH-Sc-1酵母菌液通过空气压送并经菌液喷淋器【菌液喷淋管巧妙设计，沿轴向固定于发酵罐内正上部，不受筒体回转影响】沿轴向均匀喷洒，并借助筒体正向回转和混合抄板推动，实现菌液与粉碎料最大限度混合。

在上述的方法中，所述步骤2的固态发酵是在发酵罐内粉碎料与酵母菌液达到最大限度混合后，调整发酵温度(蒸汽提温到26～38℃后)，使其处于适宜范围并营造兼氧环境，将培养合格后的菌液经空气压送入罐，其接种量为(5～25％)(m/m)，搅拌转速控制在0-15rpm，混合均匀后进行固态发酵，发酵时间控制在36～48小时内；借助酵母菌的新陈代谢将粉碎料中的可发酵糖分转化为乙醇和CO₂，CO₂经排气口(呼吸器)逸出，促进发酵反应正向进行。固态发酵中罐体间歇定期回转，以强化传热、传质和酵母菌迁移性。

在上述的方法中，所述步骤3的发酵料出罐是固态发酵结束后，发酵料借助罐体回转和倾角，在出料抄板推动下自动出料。鉴于发酵料中乙醇易于挥发，为降低损耗，发酵料输送安排在密闭隧道中皮带输送入后续乙醇-糟渣分离单元。

在上述方法中，所述步骤4的在线监控是考虑到固态发酵受诸多因素影响，(如发酵温度、黄浆pH值、菌种迁移性、乙醇和CO₂浓度等)，需要建立中控协调，对关键指标实行在线调控，使固态发酵处于最佳工况下进行，也是实现商业化大规模生产的必备条件。

本发明提出一种基于甜高粱茎杆生产燃料乙醇的固态发酵一体化方法和分系统，其特征在于：所述系统包括：输送进料斗(1)，输送皮带(2)、发酵罐进料仓(3)，推料绞轮(4)，进料管(5)，固态发酵罐(6)、支座(7)、进料抄板(8)、混合抄板(9)、接种口(10)，菌液喷淋器(11)，出料抄板(12)，出料口(13)，CO₂逸出口(14)，种子罐(15)，自动控制(16)，调速电机(17)，回转拖轮(18)排液口(19)，出料密封舱(20)，发酵料出口(21)

所述输送皮带(2)的一端与输送进料斗(1)，另一端与发酵罐进料仓(3)相连；推料绞轮(4)一端与进料仓(3)相连，另一端与固态发酵罐进料管(5)相连；固态发酵罐筒体(6)位于支座(7)上面；

所述转鼓式固态发酵罐筒体(6)附设接种口(10)、菌液喷淋器(11)、排液口(19)和CO₂逸出口(14)；

所述种子罐(15)通过空气压送管路与转鼓式固态发酵罐筒体(8)的接种口(12)相连；

所述固态发酵罐出料口(13)置于密闭舱(20)中，密闭舱(20)一端与转鼓式发酵罐(6)相连，另一端与后续固态蒸馏单元相连；固态发酵罐筒体(6)内表面从高到底依次固定进料抄板(8)、混合抄板(9)和出料抄板(12)，发酵罐正转实现进料和混合，而反转完成自动出料；固态发酵罐(6)前后两端盖固定，即不随筒体回转而转动，以便于喷淋管(11)固定在发酵罐内正上部；

所述固态发酵罐借助于拖轮(18)，在控制元件(16)调控下受变频电机(17)驱动实现正向或反向回转运动，以完成自动进出料和料液混合。

本发明具有以下优点：

(1)借助此项甜高粱乙醇生产固态发酵集成技术与主体设备，通过调整关键工况参数和技术指标，能够直接对甜高粱茎杆粉碎料进行固态发酵，高效快速地将粉碎料中的可发酵糖分转化为乙醇，并提高实际乙醇收率；通过采用高产乙醇TSH-Sc-1酵母菌种，使固态发酵周期缩短到36～48h范围内，大大提高设备利用率和生产效率；

(2)通过采用新型转鼓式固态发酵罐系统，可以实现在筒体回转过程中空气压送将数级培养后的菌液入罐，显著提高料液混合度，强化发酵效果；同时，由于改善了发酵罐内热质传递，乙醇发酵热及时移出系统，从而更有利于维持发酵温度；

(3)采用两端盖固定而筒体回转设计，能够使菌液喷淋装置始终位于发酵罐内正上方，提高喷淋效率，促进料液最大限度混合；

(4)采用呼吸器控制副产物从发酵系统中及时逸出，有利于发酵反应正向移动，提高乙醇产率；

(5)借助于固态发酵罐定期正转和反转，实现自动进出料和料液均匀混合。发酵料在密闭舱中皮带输送，有效减少产物乙醇挥发损失。

附图说明

附图1本发明优选的甜高粱乙醇生产工艺流程示意图。

附图2本发明优选的斜面转鼓式固态发酵罐系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

(1)料(粉碎料)-液(TSH-Sc-1菌液)混合：皮带输送而来的粉碎料(Φ 1～10mm，长度L 2～20cm)依次经过进料斗、推料绞轮、进料口到达斜面转鼓式固态发酵罐，在筒体正向回转(0～15rpm)和倾角(0～10°)双重作用下，借助进料抄板与混合抄板推动实现粉碎料在发酵罐内最大限度均匀分布；同时，经斜面接种、一级培养、二级培养和现场扩培合格的TSH-Sc-1高产乙醇酵母菌液空气压送经液体喷淋器(不受罐体回转影响，始终处于发酵罐内正上部)喷洒于粉碎料中，并借助发酵罐回转和混合抄板推动实现二者均匀混合；

(2)固态发酵：封闭固态发酵罐进出料口、接种口、排液口和清洗口，CO₂排气口连接呼吸器并处于微开，使发酵罐内形成兼氧环境，调节温度达到适宜发酵范围，进行固态发酵。定期使发酵罐回转，强化热质传递。产生的CO₂定期释放，以促进发酵反应正向进行。发酵过程中严格监控关键指标；

(3)发酵料出罐：固态发酵结束后，类似于粉碎料入罐，发酵料在罐体回转和倾角作用下，借助出料抄板推动完成自动出料。为避免发酵料中乙醇挥发造成损失，发酵料直接以密闭隧道皮带输送进入后续乙醇-糟渣分离单元；

(4)在线监控：固态发酵过程受诸多因素影响(如温度分布、喷淋量、粉碎料与菌液混合度、黄浆pH值、CO₂浓度、乙醇浓度、菌种迁移性等)，建立中控系统，对关键指标在线调控，使固态发酵处于最佳工况下进行，这也是实现现代大规模商业化生产的核心所在。

所述步骤1的料-液混合是指由皮带输送而来的粉碎料(直径Φ 1~10mm、长度L 2~20cm)，经进料斗、推料绞轮和进料口进入斜面转鼓式固态发酵罐，并借助固态发酵罐筒体回转(0～15rpm)和倾角【从高(进口)到低(出口)，固态发酵罐与水平呈1～15°】的协同作用，使粉碎料在罐内最大程度均匀分布，填充系数控制在0.2~0.7之间。随后封闭粉碎料进出口，将斜面接种、一级培养、二级培养和现场扩培合格的高产乙醇TSH-Sc-1酵母菌液通过空气压送并经菌液喷淋器【菌液喷淋管巧妙设计，沿轴向固定于发酵罐内正上部，不受筒体回转影响】沿轴向均匀喷洒，并借助筒体回转和混合抄板推动，实现菌液与粉碎料最大限度混合。

所述步骤2的固态发酵是将培养合格后的菌液经空气压送入罐，接种量为5～20％(m/m)，混合均匀后进行固态发酵，借助筒体回转(搅拌转速控制在0-15rpm)和倾角(0～15°)，在混合抄板搅拌作用下使粉碎料与酵母菌液在罐内实现最大限度混合，调整发酵温度使其处于适宜范围(蒸汽提温到26～38℃后)并营造兼氧环境，从而借助酵母菌的新陈代谢将粉碎料中的可发酵糖分转化为乙醇和CO₂，CO₂经排气口(呼吸器)逸出，使发酵反应正向进行。固态发酵时间控制在36～48小时内；发酵过程中罐体定期回转，以强化传热、传质和酵母菌迁移性。

所述步骤3的发酵料出罐是固态发酵结束后，发酵料借助罐体反向回转和倾角，在出料抄板推动下自动出料。鉴于发酵料中乙醇易于挥发，为降低损耗，发酵料输送安排在密闭隧道中皮带输送入后续乙醇-糟渣分离单元。

所述步骤4的在线监控是鉴于固态发酵受诸多因素影响(如发酵温度、黄浆pH值、菌种迁移性、乙醇和CO₂浓度等)，需要建立中控系统，对关键指标实行在线调控，以确保固态发酵在最佳工况下机械，也是实现商业化大规模甜高粱乙醇生产的必备条件。

参阅图1和图2。

实施例1

以含水量70％，锤度为15°(实际茎秆总糖为9-10％，还原糖4-5％)的甜高粱茎秆为原料，经切割与粉碎成丝状(直径Φ 1～3mm，长度L 5～10cm)，通过发明人选育培养的TSH-Sc-1菌种直接在固体发酵罐中进行固态发酵，接种量为10％(m/m)，发酵时间40hr，搅拌速率控制在1-10rpm。固态蒸馏后得到乙醇，乙醇收率为4.23g/100g甜高粱秆，达到理论值的87.16％；残总糖为0.37％，还原糖为0.20％。

实施例2

以1吨含水量68％，锤度为18°(茎秆中实际总糖为13-14％，还原糖7-8％)的甜高粱茎秆为原料，经切割与粉碎成丝状(直径小于5mm，长度小于30mm)，通过发明人选育培养的TSH-Sc-1菌种直接在固体发酵罐中进行固态发酵，接种量为低于20％(m/m)，发酵时间42hr，搅拌转速控制在1-15rpm，定期间歇旋转。固态蒸馏后得到99.5％乙醇60.5公斤，乙醇收率为6.05Kg/100Kg高粱秆，达到理论值的90.36％；残总糖为0.751％，还原糖为0.375％。

Claims (6)

1.一种基于甜高粱茎杆(包括其他糖质原料，如甜菜、甘蔗、菊芋等)生产乙醇的固态发酵一体化方法和系统，其特征在于所述方法包括以下工艺步骤：

(1)料(粉碎料)-液(TSH-Sc-1菌液)混合：皮带输送而来的甜高粱茎杆粉碎料(直径Φ 1～10mm，长度L2～20cm)依次经进料斗、推料绞轮、进料口到达斜面转鼓式固态发酵罐，在发酵罐体回转(正转)和倾角(1～15°)双重作用下，依靠进料抄板与混合抄板共同推动入罐，并使粉碎料在发酵罐内最大限度均匀分布；粉碎料全部入罐后封闭进出料口；同时，经斜面接种、一级培养、二级培养和现场扩培并检验合格后的TSH-Sc-1高产乙醇酵母菌液空气压送经菌液喷淋器(在确保发酵罐端盖与筒体密封效果前提下，使两端盖固定且不受筒体回转影响，为菌液喷淋器固定提供支点，使喷淋器始终处于发酵罐内正上部)喷洒于粉碎料中，并借助发酵罐回转和混合抄板推动实现二者均匀混合；

(2)固态发酵：封闭接种口、排液口和清洗口，CO₂排气口连接呼吸器并使之处于微开，使发酵罐内形成兼氧环境，调节温度达到适宜发酵范围，直接进行固态发酵；定期使发酵罐回转，强化热质传递；过程中产生的CO₂定期通过呼吸器逸出系统，以促进发酵反应正向进行。发酵过程中严格监控关键指标(黄浆pH值、菌种生化活性和数量、发酵温度、乙醇浓度、CO₂浓度等)；

(3)发酵料出罐：固态发酵结束后使筒体反转，发酵料在罐体回转和倾角作用下，借助出料抄板推动自动出料。为避免发酵料中乙醇挥发造成损失，发酵出料在密封舱中进行，并以密闭隧道皮带输送入后续乙醇分离单元；

(4)在线监控：固态发酵过程受诸多因素影响(如温度分布、喷淋量、粉碎料与菌液混合度、黄浆pH值、CO₂浓度、乙醇浓度、菌种迁移性等，，建立中控单元，实现对影响发酵的关键因素在线监控，确保固态发酵在最佳工况下进行)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(1)的料液混合是指由皮带输送而来的粉碎料(直径Φ 1～5mm，长度L 2～20mm)，经进料斗、推料绞轮和进料口进入斜面转鼓式固态发酵罐，并借助固态发酵罐筒体回转【进料抄板、混合抄板和出料抄板】和倾角【从高(进口)到低(出口)，固态发酵罐与水平呈1～15°】的协同作用，使粉碎料在罐内最大程度均匀分布，填充系数控制在0.3~0.7之间。随后封闭粉碎料进出口，将斜面接种、一级培养、二级培养和现场扩培合格的高产乙醇TSH-Sc-1酵母菌液通过空气压送并经菌液喷淋器【菌液喷淋管巧妙设计，沿轴向固定于发酵罐内正上部，不受筒体回转影响】沿轴向均匀喷洒，并借助筒体正向回转和混合抄板推动，实现菌液与粉碎料最大限度混合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(2)的固态发酵是在斜面转鼓式固态发酵罐内(两端盖固定，筒体回转)，通过固定于发酵罐两端盖正上部的菌液喷淋器的喷淋作用和筒体带动混合抄板回转形成的搅拌作用，使粉碎料与酵母菌液二者实现最大限度混合，调整发酵温度使其处于适宜范围并营造出兼氧环境，借助酵母菌的新陈代谢将粉碎料中的可发酵糖分转化为乙醇和CO₂，CO₂经排气口(呼吸器)逸出，使发酵反应正向进行。发酵过程中罐体定期回转，以强化传热、传质和酵母菌迁移性。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(3)的发酵料出罐是固态发酵结束后，发酵料借助罐体反向回转和倾角，在出料抄板推动下自动出料。鉴于发酵料中乙醇易于挥发，为降低损耗，发酵料出罐在密封舱中进行，输送应在密闭隧道中皮带输送入后续乙醇-糟渣连续分离单元。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤(4)的在线监控是鉴于固态发酵受诸多因素影响，如发酵温度、黄浆pH值、菌种迁移性、乙醇和CO₂浓度等，需要建立中控系统，对关键指标实行在线调控才能保证发酵顺利进行，也是实现商业化大规模运作的必备条件。

6.一种基于甜高粱茎秆实现生产乙醇方法的固体发酵系统，其特征在于，所述系统包括：输送进料斗(1)，输送皮带(2)、发酵罐进料仓(3)，推料绞轮(4)，进料管(5)，固态发酵罐(6)、支座(7)、进料抄板(8)、混合抄板(9)、接种口(10)，菌液喷淋器(11)，出料抄板(12)，出料口(13)，CO₂逸出口(14)，种子罐(15)，自动控制(16)，调速电机(17)，回转拖轮(18)排液口(19)，出料密封舱(20)，发酵料出口(21)

所述输送皮带(2)的一端与输送进料斗(1)，另一端与发酵罐进料仓(3)相连；推料绞轮(4)一端与进料仓(3)相连，另一端与固态发酵罐进料管(5)相连；固态发酵罐筒体(6)位于支座(7)上面；

所述转鼓式固态发酵罐筒体(6)附设接种口(10)、菌液喷淋器(11)、排液口(19)和CO₂逸出口(14)；

所述种子罐(15)通过空气压送管路与转鼓式固态发酵罐筒体(8)的接种口(12)相连；

所述固态发酵罐出料口(13)置于密闭舱(20)中，密闭舱(20)一端与转鼓式发酵罐(6)相连，另一端与后续固态蒸馏单元相连；固态发酵罐筒体(6)内表面从高到底依次固定进料抄板(8)、混合抄板(9)和出料抄板(12)，发酵罐正转实现进料和混合，而反转完成自动出料；固态发酵罐(6)前后两端盖固定，即不随筒体回转而转动，以便于喷淋管(11)固定在发酵罐内正上部；

所述固态发酵罐借助于拖轮(18)，在控制元件(16)调控下受变频电机(17)驱动实现正向或反向回转运动，以完成自动进出料和料液混合。

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