CN102296025B - 一种实现藻液内外循环的光生物反应器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实现藻液内外循环的光生物反应器，包括低位平板光生物、高位平板光生物反应器、中位光生物反应器及外循环管，其中：所述低位平板光生物和所述高位平板光生物反应器的内侧通过所述中位光生物反应器连通；所述低位平板光生物和所述高位平板光生物反应器的外侧通过所述外循环管道连通；所述高位平板光生物反应器设有通气管路；所述低位平板光生物反应器设置有两组通气管路，其中一组位于低位平板光生物反应器底部，另一组靠近所述低位平板光生物反应器的上表面。本发明提出一种新型耦合式光生物反应器培养系统，其结合平板光生物反应器和垂直管式光生物反应器各自的优势，可实现高附加值微藻的低成本高密度培养。

Description

一种实现藻液内外循环的光生物反应器

技术领域

本发明涉及光生物反应器，特别涉及一种实现藻液内外循环的光生物反应器。

背景技术

微藻是一类系统发生各异、个体较小、通常为单细胞或群体的、能进行光合作用的水生(或陆生、气生、共生)低等植物，是自然界起源最早、分布最广、种类和数量最多的生物质资源。微藻具有独特的生物学特性，被广泛应用在生物制药、营养品、保健品、污水处理、天然食品加工、生物饵料、生物肥料和可再生能源生产等方面，具有重要的经济和社会价值。

许多微藻富含高附加值的生物活性物质，如蛋白质、多糖、维生素、β-胡萝卜素、多不高饱和脂肪酸(EPA、DHA、AA)、叶黄素等，成为人类未来开发的重要生物资源之一。(1)蛋白质，部分蓝藻(螺旋藻)和绿藻(小球藻)的蛋白质含量高，且氨基酸组成合理，含有人体必需的8种氨基酸，可作为单细胞蛋白的重要来源；(2)多糖，微藻多糖广泛存在于微藻细胞内，具有抗肿瘤、抗病毒、抗辐射损伤、抗突变、抗衰老、抗凝血、降血脂及调节机体免疫能力等广泛的生理功能，目前研究较多的微藻多糖有：节旋藻(螺旋藻)多糖、小球藻多糖、紫球藻多糖等；(3)色素，主要有类胡萝卜素(胡萝卜素类、叶黄素类)和藻胆素(藻红胆素、藻蓝胆素)。β-胡萝卜素是维生素A合成的前体，有抗氧化、抗突变、抗衰老、预防癌症、增加免疫力等作用，盐生杜氏藻(Dunaliella salina)中β-胡萝卜素含量占干重的10％以上。叶黄素类色素及富含藻株主要有：堇菜黄素(Eustigmatophyceae)、虾青素(Haematococcuspluvialis)、玉米黄素(Nannochloropsis gaditana)、叶黄素(Scenedesmus almeriensis、Muriellopsis sp.)、岩藻黄素(Bacillariophyceae)等。藻蓝胆素(螺旋藻)可用作光敏剂，用于癌症的光动态治疗，高纯度的藻蓝蛋白可以作为生物大分子的荧光分子探针；(4)多不高饱和脂肪酸(PUFA)，具有独特的生理功能，有预防和治疗心血管疾病、癌症，调节中枢神经、视觉系统的功能，可提高人体的免疫机能调节能力，防止记忆力减退。某些微藻种类富含PUFA，如柯氏隐甲藻(二十二碳六烯酸)、硅藻和真眼点藻(二十碳五烯酸)、螺旋藻(γ-亚麻酸)、缺刻缘绿藻(花生四烯酸)等。

微藻具有如此重要的开发利用价值，但其产业化进程却较缓慢。目前市面上可供选择微藻生物产品种类非常贫乏，主要集中在螺旋藻、盐藻、雨生红球藻、柯氏隐甲藻和小球藻等藻株生产的产品中，突破微藻的低成本高密度培养技术，是将微藻生物产品推向市场的关键。微藻可通过类似于微生物发酵的方式，在透明的培养装置——光生物反应器中进行规模化培养，因此一种高效的光生物反应器是快速实现微藻规模化培养的关键设备。

用于微藻培养的光生物反应器主要有敞开式和封闭式两种类型。敞开式光生物反应器具有结构简单、容易放大和成本低等优点，已普遍应用于商业化微藻大规模培养中。但它也存在诸多缺点，如比表面积小、光能和CO₂利用率低、易污染、环境条件(温度、光照、pH等)控制能力差等，目前仅有少数几种微藻(小球藻、盐藻、螺旋藻等)能够采用敞开式光生物反应器进行培养，而对于培养条件要求温和、种群竞争能力较弱的微藻，则只能采用封闭式光生物反应器培养。与敞开式光生物反应器相比，封闭式光生物反应器具有以下优点：(1)不易受到灰尘、昆虫及杂菌等污染，能实现纯种培养；(2)培养条件易于控制(温度、pH)；(3)培养密度高，且易收获；(4)适合于绝大多数微藻的光自养培养；(5)有较高比表面积；(6)光能和CO₂利用率较高等优点，但封闭式光生物反应器的这些优越性是以提高投资和操作成本为代价的。

目前科研单位和企业普遍采用传统的光生物反应器(跑道池、平板式、管道式、垂直柱式、悬袋式等)培养高附加值的经济微藻，其在技术上存在诸多缺点：(1)多数科研单位设计的光生物反应器并不具备规模放大的能力，某些发明声称可以实现微藻的规模化培养，但它们均缺乏实际应用，经成本核算发现，其构建成本相对较高；(2)利用传统的跑道池光生物反应器培养高附加值的经济微藻，其产量相对较低，且培养的微藻种类有限(小球藻、盐藻、螺旋藻等)，在培养过程中可能会滋生人体致病菌，影响产品的质量；(3)传统的封闭式光生物反应器同样存在许多缺点，如管道式光生物反应器的氧解析问题、垂直柱式光生物反应器的串联问题、悬袋式光生物反应器透光膜的选择、平板式光生物反应器光径增大与光衰减之间矛盾的问题等，上述问题限制了传统封闭式光生物反应器在微藻规模化培养中的广泛应用。

而据中国国家知识产权局(2011)最新数据统计，目前与微藻规模化培养相关的发明已超过90篇，涉及的光生物反应器种类多样，包括：内置光源的发酵罐、平板式光生物反应器、柱式光生物反应器、管道式光生物反应器、袋式光生物反应器、开放式光生物反应器、组合式光生物反应器等。上述光生物反应器在设计上均存在一定程度的缺陷，影响其在微藻规模化培养中的应用。其中管道式光生物反应器氧解析困难、不易清洗、成本高、温度控制较困难。柱式光生物反应器不存在氧解析和混合问题，但其培养体积较小、不易放大(纵向和径向)、比表面积小、且反应器中心光线不易穿透，生产效率低。袋式反应器存在氧解析困难、透明材料难以反复使用等缺点，另外其膜透光性差，外加固结构遮光明显，将其应用在规模化培养中，还需进一步的改进。平板反应器通过缩短光径的方式降低光衰减的影响，会导致培养体积的减少；光径增大，反应器光衰减现象严重，反应器的串联难度大，且投资成本高。内置光源的发酵罐在一定程度上能解决了藻液的光照问题，但它同时带来了一系列潜在的负面影响，如光源被藻液粘附和光源能耗问题等。

实际上，对于高附加值微藻的培养，封闭式光生物反应器是较为理想的选择。一方面，某些微藻(雨生红球藻)对环境较为敏感，开放式光生物反应器无法满足培养的需要；另一方面，微藻生物产品通常用在保健品、化妆品、功能食品和药品中，上述行业对原材料的要求较高，而开放式光生物反应器易污染细菌、病毒、原生动物和其他杂藻，有些污染物自身对人体具有致病性，有些污染物会产生毒素，这在无形中增加了后期培养物检测和处理的成本。

构建一种高效的封闭式光生物反应器培养系统，是推动微藻产业发展的重要途径。封闭式光生物反应器的设计应该遵循以下几个原则：(1)构建成本低；(2)容易放大，清洗方便，控温精确；(3)光照和二氧化碳利用率高；(4)藻液循环状况好，藻细胞在光暗区的转换速度快。本发明即按照该原则设计一种新的光生物反应器，通过藻液内外循环实现微藻的低成本高密度培养。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种实现藻液内外循环的光生物反应器，用以实现高附加值微藻的低成本高密度培养。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是，一种实现藻液内外循环的光生物反应器，包括低位平板光生物、高位平板光生物反应器、中位光生物反应器及外循环管，其中：所述低位平板光生物和所述高位平板光生物反应器的内侧通过所述中位光生物反应器连通；所述低位平板光生物和所述高位平板光生物反应器的外侧通过所述外循环管道连通；所述高位平板光生物反应器设有通气管路；所述低位平板光生物反应器设置有两组通气管路，其中一组位于低位平板光生物反应器底部，另一组靠近所述低位平板光生物反应器的上表面。

较优地，所述低位平板光生物反应器包括前、后主体透明板，低位底槽，左、右异形法兰及低位顶部透明板，其中：所述前、后主体透明板嵌入所述低位底槽的卡槽中，并用密封胶密封；所述左、右异形法兰设置于所述低位底槽的左、右两侧，所述左、右异形法兰的法兰盖上分别开设有多个贯通的管道接口；所述低位顶部透明板粘合于低位平板光生物反应器的上表明并用密封胶密封，且所述低位顶部透明板上开设藻液口，用以连通所述中位光生物反应器。

较优地，所述管道接口的内侧为螺纹接口，外侧为光滑接口。

较优地，所述低位平板光生物反应器的内部设置有蛇形冷凝管，所述蛇形冷凝管的进水口和出水口设置在同一法兰盖上。

较优地，所述高位平板光生物反应器包括透明容器、高位底槽及高位底部透明板，其中：所述透明容器由若干透明平板粘合而成，且所述透明容器的侧面设置有外循环管接口；所述高位底槽支撑所述透明容器，所述高位底部透明板粘合于所述高位底槽上，且所述高位底槽及所述高位底部透明板上均开设有开设藻液口，用以连通所述中位光生物反应器。

较优地，所述中位光生物反应器为柱式光生物反应器，其中所述低位顶部透明板、高位底槽及高位底部透明板均开设有多个圆孔。

较优地，所述低位顶部透明板为多孔有机玻璃板，其中每一小孔内部为两层阶梯结构。

较优地，所述中位光生物反应器为短光径平板光生物反应器，其中所述低位顶部透明板、高位底槽及高位底部透明板的中间开设方槽。

较优地，包括金属支撑架，其底面焊接在所述低位底槽上，上表面焊接在所述高位底槽上。

较优地，所述低位平板光生物和所述高位平板光生物反应器上分别设置有扩展口。

与现有技术相比，本发明在综合分析光生物反应器设计原则的基础上，提出一种新型耦合式光生物反应器培养系统，其结合平板光生物反应器和垂直管式光生物反应器各自的优势，实现了高附加值微藻的低成本高密度培养。具体而言，通过优化耦合式光生物反应器的设计方案，可取得以下技术效果：第一，实现光生物反应器的有效控温；第二，实现光生物反应器规模放大；第三，利用气升方式，解决藻液的循环；第四，将短光径光生物反应器(管式、平板式)与平板反应器进行耦合，增大了反应器的有效照光面积，提高藻细胞对光的利用率。

附图说明

图1是本发明实现藻液内外循环的光生物反应器的示意图，即耦合式光生物反应器类型一的结构示意图；

图2为图1所示耦合式光生物反应器的藻液循环示意图；

图3A为图1中柱式光生物反应器结构示意图；

图3B为图1中短光径平板光生物反应器结构示意图；

图4为图1中低位底槽的结构示意图；

图5A为图4所示低位底槽主视图；

图5B为图4所示低位底槽俯视图；

图5C为图4所示低位底槽左视图；

图6为图1中法兰盖结构示意图；

图7为耦合式光生物反应器类型二结构示意图；

图8A为高位底槽结构示意图；

图8B为金属内支撑架结构示意图；

图9为多孔有机玻璃板结构示意图；

图10耦合式光生物反应器类型一串联模式图；

图11耦合式光生物反应器类型二串联模式图。

具体实施方式

本发明的关键点是在传统的平板反应器中引入“柱式光生物反应器或短管径平板光生物反应器”，以增加传统的平板反应器的照光面积，提高微藻对光线的利用效率，用以实现高附加值微藻的低成本高密度培养。

以下实施例为实现藻液内外循环的光生物反应器，为一种耦合式光生物反应器，以下对该耦合式光生物反应器的结构、功能及工作原理进行描述。

所述耦合式光生物反应器包括金属支撑架、低位平板光生物反应器、高位平板光生物反应器、外循环管、柱式光生物反应器/短光径平板光生物反应器，以下以柱式光生物反应器为例，对主要部件结构、功能及工作原理描述如下：

所述金属支撑架的主要作用是支撑和固定高位平板光生物反应器，它的底面和上表面分别焊接在低位高位平板光生物反应器和高位平板光生物反应器的底槽上，金属支撑架的材质为具有一定刚性的金属方管或圆管。

所述低位平板光生物反应器是由前后透明板、低位底槽、蛇形冷凝管、通气管、异形法兰、多孔有机玻璃板(或其它开口透明板)等结构组成。其中低位底槽(图4)主要用于光生物反应器底部的加固，所述低位底槽须由具有一定刚性且不易生锈的金属材料，或者由塑料模具制成(低位底槽的精细结构如图5A-5C所示)。前、后主体透明板嵌入图4所示低位底槽的卡槽中，并用玻璃胶密封，防止培养液渗出；透明板可由普通玻璃、有机玻璃、钢化玻璃和硼硅玻璃等制成。异型法兰安装或焊接在低位底槽的左、右两侧面，所述异型法兰的作用主要有：(1)方便反应器的清洗；(2)法兰盖(图6)可焊接金属接口，方便冷凝管、通气管、外导流管的连接。蛇形冷凝管安装在低位平板光生物反应器内部，用于藻液的冷却；蛇形冷凝管的进水口和出水口设置在相同法兰盖上，可通过螺纹接口进行拆卸和安装；蛇形冷凝管的材质为传热快的金属管(如不锈钢管、紫铜管和铝管)。低位平板光生物反应器共两组通气管路，其中：一组位于低位平板反应器底部，用于平板反应器藻液的混合和二氧化碳的补充；另一组靠近多孔有机玻璃板下表面。多孔有机玻璃板(图9)通过玻璃胶固定在低位平板光生物反应器上表面，每一小孔内部为两层阶梯结构，防止柱式光生物反应器滑落至平板光生物反应器中。

所述柱式光生物反应器/短光径平板光生物反应器为本发明的核心结构，当微藻由低位平板光生物反应器进入该区域后，可以接受更充足的光照，并进行二氧化碳高效补充，大幅提高了藻细胞的生长速率。对于光诱导型生物活性物质(如虾青素等)的生产，其促进作用更加明显。柱式光生物反应器可由有机玻璃管、普通玻璃管和软性塑料管制成。短光径平板光生物反应器可由普通玻璃、有机玻璃制成。

所述高位平板光生物反应器是由透明容器、高位底槽、多孔有机玻璃板(或其它开口透明板)、通气管路和外循环管接口组成，其中：透明容器是由若干特定规格的透明平板，通过粘合剂粘合而成，藻液由“柱式光生物反应器/短光径平板光生物反应器”进入透明容器后得到充分混合；通气管路用于加富的压缩空气的鼓入，高压气体在气泡快速上升的过程中产生强大的气升力，带动培养液向上运动，实现藻液的循环；多孔有机玻璃板用于柱式光生物反应器的固定；高位底槽主要用于光生物反应器底部的加固，但其不同于低位平板光生物反应器的低位底槽结构，高位底槽具有若干均匀排列的圆孔，藻液可由圆孔进入透明容器。外循环管接口位于高位平板光生物反应器的侧面，用于外循环管的连接。

所述外循环管为一连接高位平板光生物反应器和低位光生物反应器的管道，当藻液通过气升的方式进入高位平板光生物反应器后，可在重力的作用下，由外循环管道返回低位光生物反应器，实现藻液的循环。该循环结构的引入加速了反应器中上层藻液和下层藻液之间的循环，有利于藻细胞生物量的积累。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，为本发明实现藻液内外循环的光生物反应器的一种较优实施例，其中1代表低位平板光生物反应器，2为柱式光生物反应器，3为高位平板光生物反应器，4为外循环管，5为金属支撑架，11为透明板，12为底槽，13为异形法兰，14为多孔有机玻璃板，31为外循环管连接口，32为通气管接口，各部件的结构、功能已在前述发明原理中详述，在此不再重复。

藻液在该系统中的循环方向如图2中箭头所示，低位平板光生物反应器1中的藻液在气升力的作用下，沿箭头方向进入柱式光生物反应器2，由于柱式光生物反应器2的照光面积和光径较小，藻细胞可以接受更加充足的光照，在此进行生物量的快速积累，藻液而后进入高位平板光生物反应器3中进行充分混合，当藻液高度超过外循环管接口高度时，藻液进入外循环管4，然后在重力的作用下返回低位平板光生物反应器1中，完成藻液循环。藻液在低位平板光生物反应器1中可进行降温并进行二氧化碳的补充。

参见图3A和图3B，分别为短光径平板光生物反应器和柱式光生物反应器的结构示意图，在遵循本发明设计原理的基础上，上述两种类型(短光径平板式和柱式)光生物反应器均可以实现高附加值微藻的高密度培养。

低位底槽12的立体结构如图4所示，底槽须由具有一定刚性且不易生锈的金属材料，或者由塑料模具制成。底槽左右两端各安装一个异形法兰，图5A、5B和5C为分别为底槽的主视图、俯视图和左视图，前后平板光生物反应器的主体透明板嵌入低位底槽12的卡槽中，并用玻璃胶密封，防止水渗出。

参见图6，为异型法兰的法兰盖，其上具有多个贯通的接口，朝向反应器内侧的接口为螺纹接口，外部接口为光滑接口。螺纹接口方便管路拆卸。其中61为通气管路接口，62和63分别为冷凝管的进水口和出水口，64为外循环管的连接口，65为通气管路接口。

实施例1、耦合式光生物反应器类型一的组建

为了更好的阐述本发明的设计思路，现将该耦合光生物反应器类型一的组装流程详述如下：

(1)利用焊接、切割、折弯等金属加工手段，或制作塑料技术，制作反应器低位底槽(如图4)；

(2)利用玻璃胶，将前后主体玻璃板粘合在指定位置；

(3)将多孔有机玻璃板(如图9)粘合至低位平板光生物反应器上表面；

(4)将金属内支撑架(如图8B)固定在如图1所示位置；

(5)按顺序安装高位底槽(如图8A)和多孔有机玻璃板；

(6)利用玻璃胶将柱式光生物反应器安装在指定位置；

(7)制作高位平板光生物反应器；

(8)安装各类通气、冷凝和循环管路。

实施例2、耦合式光生物反应器类型二的组建

在遵循本发明设计原理的基础上，可将柱式光生物反应器替换为短光径的平板光生物反应器(具体结构如图7)，现将该耦合光生物反应器类型二的组装流程详述如下：

(1)用焊接、切割、折弯等金属加工手段，或制作塑料技术，制作反应器低位底槽；

(2)将内支撑架(如图8B)固定在金属低位底槽上，内支撑架主要用于支撑短光径平板光生物反应器，利用玻璃胶，将前后主体玻璃板粘合在指定位置；

(3)将中部开长槽的有机玻璃板粘合至低位平板光生物反应器上表面，并用玻璃胶密封，以防培养液渗出；

(4)安装短光径平板光生物反应器至图7中指定位置；

(5)将金属内支撑架固定在如图7所示位置；将中部开槽的高位底槽(如图8A)粘合在短光径平板光生物反应器上表面；

(6)制作高位平板光生物反应器；

(7)安装各类通气、冷凝和循环管路。

实施例3、耦合式光生物反应器的串联放大

为了追求更大的培养规膜，本发明提供该耦合式反应器单元的串联模型(如图10、图11)。每一反应器单元的异型法兰盖上增加一个接口，用于反应器下部的串联，高位平板光生物反应器侧面同样开具一个扩展口，用于相邻反应器单元的串联。

如前述，高附加值微藻的低成本高密度培养技术是制约其产业化的关键，目前科研机构和企业普遍采用跑道池和封闭式光生物反应器(平板式、管道式、垂直柱式和悬袋式等)培养高附加值微藻，其生产效率普遍较低，并且上述培养系统存在诸多缺点：(1)跑道池光生物反应器产量低、光衰减严重、控温难、CO₂的利用率低、循环差，且培养的微藻种类有限(小球藻、盐藻、螺旋藻等)，在培养过程中容易受其它生物污染，影响产品的质量；(2)传统的封闭式光生物反应器构建成本相对较高，同样存在许多缺点，如管道式光生物反应器的氧解析问题、垂直柱式光生物反应器的串联问题、悬袋式光生物反应器透光膜的选择、平板式光生物反应器光径增大与光衰减之间矛盾的问题等。

而本发明提出了一种新型耦合式光生物反应器的设计方案，通过结合平板光生物反应器和垂直管式光生物反应器各自的优势，实现了高附加值微藻的低成本高密度培养，其包括但不仅限于以下技术效果：(1)光生物反应器的有效控温；(2)光生物反应器规模放大；(3)利用气升方式，解决藻液的循环；(4)将短光径光生物反应器(管式、平板式)与平板反应器进行耦合，增大了反应器的有效照光面积，提高了藻细胞对光的利用效率。由此，较好地实现了高附加值微藻的低成本高密度培养。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种实现藻液内外循环的光生物反应器，其特征在于，包括低位平板光生物反应器、高位平板光生物反应器、中位光生物反应器及外循环管，其中：所述低位平板光生物反应器和所述高位平板光生物反应器的内侧通过所述中位光生物反应器连通；所述低位平板光生物反应器和所述高位平板光生物反应器的外侧通过所述外循环管道连通；所述高位平板光生物反应器设有通气管路；所述低位平板光生物反应器设置有两组通气管路，其中一组位于低位平板光生物反应器底部，另一组靠近所述低位平板光生物反应器的上表面；

所述低位平板光生物反应器包括前、后主体透明板，低位底槽，左、右异形法兰及低位顶部透明板，其中：所述前、后主体透明板嵌入所述低位底槽的卡槽中，并用密封胶密封；所述左、右异形法兰设置于所述低位底槽的左、右两侧，所述左、右异形法兰的法兰盖上分别开设有多个贯通的管道接口；所述低位顶部透明板粘合于低位平板光生物反应器的上表面并用密封胶密封，且所述低位顶部透明板上开设藻液口，用以连通所述中位光生物反应器；

所述高位平板光生物反应器包括透明容器、高位底槽及高位底部透明板，其中：所述透明容器由若干透明平板粘合而成，且所述透明容器的侧面设置有外循环管接口；所述高位底槽支撑所述透明容器，所述高位底部透明板粘合于所述高位底槽上，且所述高位底槽及所述高位底部透明板上均开设有藻液口，用以连通所述中位光生物反应器；

所述中位光生物反应器为柱式光生物反应器，其中所述低位顶部透明板、高位底槽及高位底部透明板均开设有多个圆孔；或者所述中位光生物反应器为短光径平板光生物反应器，其中所述低位顶部透明板、高位底槽及高位底部透明板的中间开设方槽。

2.如权利要求1所述的实现藻液内外循环的光生物反应器，其特征在于，所述管道接口的内侧为螺纹接口，外侧为光滑接口。

3.如权利要求1所述的实现藻液内外循环的光生物反应器，其特征在于，所述低位平板光生物反应器的内部设置有蛇形冷凝管，所述蛇形冷凝管的进水口和出水口设置在同一法兰盖上。

4.如权利要求1所述的实现藻液内外循环的光生物反应器，其特征在于，所述低位顶部透明板为多孔有机玻璃板，其中每一小孔内部为两层阶梯结构。

5.如权利要求4所述的实现藻液内外循环的光生物反应器，其特征在于，包括金属支撑架，其底面焊接在所述低位底槽上，上表面焊接在所述高位底槽上。

6.如权利要求1~5任一项所述的实现藻液内外循环的光生物反应器，其特征在于，所述低位平板光生物和所述高位平板光生物反应器上分别设置有扩展口。

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