CN103396936A - 一种光生物养殖单元及养殖系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光生物养殖单元及养殖系统。所述养殖单元包括养殖装置和循环系统，所述养殖装置包括养殖面和相应的支撑结构，所述养殖装置与循环系统呈闭环连接；所述养殖面上的液层深度小于10cm。所述光生物养殖系统由多个所述养殖单元通过串联、并联及混联组成。本发明所述养殖单元采用一个养殖面，养殖面可平、可曲，可水平安置也可倾斜安置（大方向基本一致），避免了单元内及相邻单元间养殖面相互挡光的问题；选用柔性面，其表面张力可调，对支撑的强度和安装精度要求较低，并且通过增加促混结构可更利于流淌于其上的藻液的混合。本发明所述的养殖单元及养殖系统结构简单、成本低廉、CO₂利用率高、可应对不良天气、可适当控温。

Description

一种光生物养殖单元及养殖系统

技术领域

本发明涉及一种光生物养殖单元及养殖系统。具体地说，本发明提出一种结构简单、成本低廉、CO₂利用率高、可应对不良天气、可适当控温的光生物养殖单元及养殖系统。

背景技术

光合微生物/植物细胞可以利用太阳能、水和简单的矿物质合成有机物及氢气、氧气、甲烷等形式的无机物。微藻是一类个体微小的光能自养型/兼养型、单细胞/简单多细胞生物，具有分布广泛、种类繁多、光合效率高、生长速度快、适应性强等特点。

规模化、高产养殖是制约微藻产业化发展的瓶颈，低成本、高效养殖系统的开发是微藻规模化生产的关键。现阶段立体光生物反应器仍普遍存在着成本高、不易放大等问题，当前众多企业仍继续沿用传统的“跑道池”进行微藻规模化养殖。传统跑道池多为椭圆形或圆形的浅池，池中藻液一般为15～30cm深，通过滚筒状搅拌桨对藻液进行持续搅拌（Borowitzka，1999），从而实现整池藻液的循环流动，以使藻液中藻细胞及各营养物分布均一，并增大藻细胞见光率。但应用跑道池的养殖产量一直不够理想。其主要原因在于：一方面，池中藻液深度大，阳光摄入液面几厘米后即衰减为零，仅表面薄层藻细胞可见光，进行光合作用；另一方面，藻液混合动力仅靠搅拌桨提供，使得藻液在竖直方向上的混合度较差，表层细胞见光过剩、生长受到抑制，而底层细胞见光不足、生长受到限制。此外，应用跑道池的养殖终浓度亦不理想（仅约0.5g/L，US5981271），导致收集、脱水等后处理过程处理量大，进而增加了最终藻产品的成本。

现有技术公开的一些养殖系统的最小单元均由至少两个养殖面构成，其并非必要；且于室外应用时由于最小单元内两养殖面倾斜方向相反，会造成最小单元内及相邻单元间的养殖面相互挡光。

现有养殖系统大多以硬质材料制作养殖面，不但硬质材料自身的重量会对支撑结构的强度有较高要求，而且对支撑结构的制造和安装精度要求也较高，工程成本及难度更高。另外，现有养殖系统还存在灵活性差（二氧化碳利用率低、无法应对不良天气以保障产品品质、无控温措施）、空间利用率低、藻液竖直方向混合不足、能量来源单一等问题。

发明内容

本发明的目的首先在于解决现有技术中存在的液层深度大，竖直方向混合差的问题，提出一种光生物养殖单元。

本发明的目的还在于解决现有技术中单元内及相邻单元间养殖面相互挡光，硬质材料自身对支撑结构的强度及制造、安装精度要求高，在非平坦地势上的工程成本及难度高的问题。另外还包括CO₂气体补给方式效率低，对风沙等灾害天气的抵抗能力弱（或对藻产品品质控制能力弱），无控温设施，空间利用率低，促混效果差，能量来源单一等技术问题。

本发明还提出了一种由养殖单元构成的光生物养殖系统。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种光生物养殖单元，所述养殖单元包括养殖装置和循环系统，所述养殖装置包括养殖面和相应的支撑结构，所述养殖装置与循环系统呈闭环连接；所述养殖面上的液层深度小于10cm。

以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好的达到和实现本发明的技术目的和有益效果。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述养殖面上的液层深度小于5cm，优选小于3cm，进一步优选小于2cm，再优选小于1cm，最优选4～8mm。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述养殖单元内含一个养殖面。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述养殖面为柔性面；所述柔性面覆盖于支撑结构的上表面，与支撑结构固定连接，构成养殖装置。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述养殖面中部为流动区；所述养殖面各边缘中，至少与藻液流动方向平行的两边缘高于流动区，形成溢流堰；所述溢流堰与流动区的夹角优选为90度。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述养殖面呈水平或具一定坡度放置；所述坡度优选小于10度，进一步优选小于5度，最优选小于2度。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，在养殖面表面或其上方加设促混结构。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述养殖面的上方设有透明材质层；在所述养殖面外部设透明防红外膜。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述支撑结构的各边缘中，至少与藻液流动方向平行的两边缘高于支撑结构内其他部分；

所述支撑结构为骨架状结构，其由单一材料制成整体模型，或由多模块、单一/多种材料拼接组装制成；所述支撑结构中加设坡度调节装置和张力调节装置。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述循环系统包括管路、提升装置、缓冲罐和布液装置；所述管路从养殖面上藻液流动方向的末端延伸到藻液流动方向的起端；所述布液装置与管路末端相连，位于藻液流动方向的起端；所述提升装置为泵；所述缓冲罐上设有控温装置；所述管路上设置收集装置。

优选地，在本发明提供的技术方案的基础上，所述提升装置为离心泵、潜水泵或气液混合泵，所述缓冲罐与管路串接；所述提升装置为气液混合泵，所述缓冲罐与管路并接。

本发明还提供了一种由上述养殖单元构成的光生物养殖系统，所述光生物养殖系统由多个所述养殖单元通过串联、并联及混联组成。

所述养殖系统中各养殖单元的养殖面倾斜方向一致，藻液在各养殖面上循环流动，或在多个养殖面上流动后被收集。

与已有技术方案相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的技术方案克服了传统养殖系统中液层深度大、竖直方向混合差等缺陷造成的表层藻细胞见光过剩、底层藻细胞见光不足、养殖终浓度低等不足，有效提高了单位体积藻液中各藻细胞见光几率，光利用效率高。同时，该养殖单元结构简单、易于施工，可建于地上、半地上、地下，可利用自然土地、山地、丘陵等作为支撑结构，依地势建设养殖单元，具有更大应用潜力和低成本化空间。

此外，本发明提供的优选的技术方案中：所述养殖单元由一个养殖面构成，养殖面可平、可曲、可呈任意形状，可水平安置也可倾斜安置（大方向基本一致），避免了养殖单元内养殖面相互挡光的问题；柔性面在确保现有技术功能的前提下，为低成本材料的选择开辟了空间；同时自身质量相对非柔性材料而言普遍较轻，从而降低了对支撑的强度要求。且柔性面对支撑结构的加工及安装精度要求相对低些，若沿液体流动方向上，不同位置的支撑梁高度与设计高度略有出入，不会对柔性面铺设构成限制，且藻液在柔性面（实为养殖面）上将呈现“瀑布流”，更利于混合。还可在养殖面表面或其上方加设促混结构，利于薄层内藻液在径向上的混合，进一步提高光利用效率。

利用气液混合泵同时实现液体输送及气液充分混合，提高混合效率，且可将缓冲罐作为旁路备用，简化系统。微藻养殖过程中碳源可以CO₂溶气水形式补入，溶气水中CO₂于常温、常压下以微小气泡形式析出与藻液充分接触，从而提高CO₂利用效率。

在养殖面上方可设置透明材质层，可有效避免不良天气对微藻生长的影响，进而提高藻产品品质；可采用透明防红外膜，在保障藻产品品质的同时，增加了对系统温度的可控性，利于在高温气候区域进行养殖。

支撑结构中加设坡度调节装置和张力调节装置，可实现养殖面坡度和表面张度的调节；循环系统中缓冲罐上设置控温装置，实现藻液的集中控温；管路上可设置收集装置，实现藻产品收获；此外，营养物质（气态、液态、固态）可通过补料系统从循环系统及养殖面上任意位置补入。

养殖系统可构成农业温室基本结构，将微藻养殖与温室植物养殖相结合，可实现多联产，从而提高土地利用率和经济效益；系统运转动能可由风车、水车等系统提供，以利用所处区域自然/可再生/废弃能源，降低不可再生能源消耗。

本发明所述养殖单元构成的养殖系统，避免了相邻单元间养殖面相互遮挡的问题，具有养殖单元本身所拥有的上述各种优点，可应用于光生物（微藻）的规模化养殖。

附图说明

图1是本发明中设有一种循环系统的光生物养殖单元结构示意图；

图2是本发明中设有另一种循环系统的光生物养殖单元结构示意图；

图3是本发明所述养殖单元的不同建造形式图，

其中：（a）养殖单元以架状支撑建于地上；（b）养殖单元以土地为支撑建于地上；（c）养殖单元以土地为支撑建于半地上；（d）养殖单元以土地为支撑建于地下；（e）养殖单元依山地地势而建；（f）养殖单元依丘陵地势而建；

图4是本发明实施例1所述光生物养殖单元结构示意图；

图5是本发明实施例2所述光生物养殖单元结构示意图；其中，（a）和（b）是透明红外膜的两种布置形式；

图6是本发明实施例3所述光生物养殖单元结构示意图。

图7是本发明由所述养殖单元串联，在末端收集藻液的养殖系统结构示意图；

图8是本发明由所述养殖单元混联，循环养殖的养殖系统结构示意图。

图中：1-养殖面；2-支撑结构；3-管路；4-提升装置；5-缓冲罐；6-溢流堰；7-布液装置；8-收集装置。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

一种光生物养殖单元，所述养殖单元包括养殖装置和循环系统，所述养殖装置包括养殖面1和相应的支撑结构2，所述养殖装置与循环系统呈闭环连接；所述养殖面1上的液层深度小于10cm。

在本发明中，所述养殖单元主要由养殖面1和循环系统两部分构成。所述养殖单元内含一个养殖面1。营养物质通过循环系统或养殖面补入至整个养殖体系中。

所述养殖面1上的液层深度小于5cm，优选小于3cm，进一步优选小于2cm，再优选小于1cm，最优选4～8mm。

所述养殖面1为柔性面；所述柔性面覆盖于支撑结构2的上表面，与支撑结构2固定连接，构成养殖装置。养殖面1可平、可曲，可呈任意形状（如阶梯状、波状、圆形、任意多边形等，不限于此），其表面光滑或设有特征性促混结构。养殖面1可水平安置也可倾斜安置（大方向基本一致），优选倾斜安置。

所述养殖面1中部为流动区，供藻液流动；养殖面1各边缘中，至少与藻液流动方向平行的两边缘高于流动区，形成溢流堰6，以维持柔性面上藻液的厚度，并可防止流速控制不当时沿柔性面流动的藻液溢出。养殖面1的形状、溢流堰6的高度、溢流堰6与流动区的夹角由支撑结构2决定。优选地，溢流堰6与流动区的夹角为90度。

养殖面1呈水平或具一定坡度放置。其坡度小于10度，优选小于5度，进一步优选小于2度。

所述柔性面材料为无毒性的材料，优选耐海水腐蚀的材料，优选膜或布状防渗材料，进一步优选棚膜、建筑膜、土工膜、篷布、苫布或油布；所述棚膜选自PVC、PE、EVA、PEP或其复合膜。典型但非限制性的例子包括：PVC，PEP，建筑膜，篷布，EVA和PE的复合膜，苫布，油布，PVC和PEP的复合膜，土工膜等，皆可用于实施本发明。

所述支撑结构2的各边缘中，至少与藻液流动方向平行的两边缘高于支撑结构2内其他部分，即其沿藻液流动方向纵截面呈近似凹型。所述支撑结构2可由单一材料制成整体模型，或由多模块、单一/多种材料拼接组装制成。

所述支撑结构2构成材料可为天然材料或合成材料；所述天然材料选自金属、土、砖、石、木或竹等；所述合成材料选自塑料、混凝土或塑钢等。所述支撑结构2材料的典型但非限制性的例子包括：金属，砖，石，塑料，混凝土，竹，塑钢，土等，皆可用于实施本发明。

所述支撑结构2中加设坡度调节装置和张力调节装置。所述柔性面坡度可通过坡度调节装置实现调节，表面张度可通过张力调节装置实现调节。

所述养殖系统可建于地上、也可以土地为支撑建于地上、半地上、地下，还可依地势而建（如土地、山地、丘陵），但不限于此。

在本发明中，循环系统包括管路3、提升装置4、缓冲罐5和布液装置7，并与养殖装置呈闭环连接。管路3从养殖面1上藻液流动方向的末端延伸到藻液流动方向的起端；布液装置7与管路3末端相连，位于藻液流动方向的起端。提升装置4优选为泵；缓冲罐5上优选设有控温装置；管路3上优选设置收集装置。

（1）如图1所示，当提升装置4为离心泵、潜水泵或气液混合泵时，缓冲罐5与管路3串接。

含有CO₂组分的气体或含有CO₂组分的溶气水或可促进微藻生长的营养液通入缓冲罐5中，优选沿缓冲罐5底部通过微孔分布器后再与缓冲罐5中藻液接触，这样形成的含有CO₂组分的均匀微气泡可与藻液进行更充分的接触，以利于CO₂或营养物质与藻液充分混合。

（2）如图2所示，当提升装置4为气液混合泵时，缓冲罐5与管路3并接（旁路连接）。

通常情况下，旁路阀关闭，含有CO₂组分的气体在气液混合泵内与藻液充分混合，以提供微藻生长所需营养物质。在夜晚或不良天气时，可将旁路打开，使藻液存入缓冲罐5，根据养殖工艺需求可在缓冲罐5中通入气体（优选含有CO₂组分的气体）。

所述缓冲罐5可作为藻液与气体（含CO₂组分）混合的场所或藻液的临时储存场所，依此选择泵的种类。根据工艺要求，作为储存场所时有时也会鼓入含CO₂组分的气体。

所述营养物质（气态、液态、固态）除上述补入方式外，还可通过补料系统在循环系统其他位置（如管路3）或养殖面1上加入。

所述循环系统将流至养殖面1一端的藻液输送至养殖面1另一端，使藻液呈薄层状，均匀地沿养殖面1流动，如此循环往复。

所述管路3上可设置收集装置，用于收集该养殖系统中所养殖的细胞。

所述管路3材料优选耐海水腐蚀的材料，优选为塑料或衬塑金属。所述塑料优选PVC；但如所培养细胞为淡水品系，则对材料的耐腐要求相对降低。

本发明可在养殖面1表面或其上方加设促混结构，从而使藻液在沿柔性面流动过程中，在薄层内形成湍流，利于薄层内藻液在径向上的混合，以进一步提高光利用效率。本发明所述“促混结构”意指在养殖面表面或上方设置能够促进藻液混合的结构。本领域人员能够获得的其他能够增强薄层内藻液混合的结构均可用于本发明。

本发明所述养殖面1的上方设有透明材质层。天气晴朗时，藻液于透明材质层上养殖；如遇风沙天气，藻液于底层柔性面上养殖。

本发明在所述养殖面1外部设透明防红外膜，可以有效阻隔引起升温的红外线，使可用于光合作用的可见光进入并照射在养殖面1上，利于在高温气候区域进行养殖。

本发明可将所述养殖单元与农业温室结合；其中养殖面由柔性、透明材质制成，支撑结构2由砖墙及金属框架结构构成，结构简单、易于施工，利于降低土建工程成本。同时，养殖单元构成农业温室基本结构，温室内（养殖面1下）可利用透射的阳光进行花卉及农作物养殖。

本发明所述养殖单元的运转动能可通过风车或水车等系统提供，以利用所处区域自然/可再生/废弃能源，降低不可再生能源消耗。

如图7、图8所示，一种由所述的养殖单元构成的光生物养殖系统由多个所述养殖单元通过串联、并联及混联等方式组成。所述养殖系统中各养殖单元的养殖面倾斜方向一致，藻液在各养殖面上循环流动，或在多个养殖面上流动后通过收集装置8被收集。

实施例1

如图4所示，本实施例中，养殖面以框架结构为支撑。养殖面倾度为2%、呈长方形、长35米、宽15米，上层养殖面由PVC透明棚膜制成、下层养殖面由PE棚膜制成，上下层养殖面相距0.1米，两养殖面边缘间以透明塑料膜密封，使下层养殖面与外界隔离。藻液以4.5×10^-2m³/s（即50cm/s）的流量沿养殖面流动，液层厚度约为6mm。缓冲罐中所通气体为CO₂与空气的混合气，其中CO₂浓度为5%，经由孔径为0.2mm的微孔曝气系统将混合气体通入混气罐中。天气晴朗时，藻液于顶层养殖面上养殖；如遇风沙天气，藻液则于底层养殖面上养殖，当藻液浓度（以小球藻为例）达30g/L左右时，收集藻液中1/3藻细胞后继续养殖。养殖过程中，以初始养殖体积及培养液组成为基础，定期补加水及N、P等营养元素。

此外，该单元中上层养殖面可设计成非固定式模式，此时藻液始终于下层养殖面上养殖，当天气适宜时可将上层养殖面移开，当天气欠佳、有沙尘时再将上层养殖面覆盖移入。

本实施例可以解决现有技术中存在的薄层养殖系统缺乏应对不良天气的解决方案和CO₂气体的通入方式不利于CO₂气体在藻液中的分布及扩散，同一单元中及相邻单元间养殖面相互挡光等问题。该实施例中采用“双养殖面”系统，顶层养殖面由透明材质构成，天气晴朗时，藻液于顶层养殖面上养殖；如遇风沙天气，藻液则于底层养殖面上养殖，以有效应对不良天气。此外，采用CO₂通入口与水泵出液口相连或CO₂通入口与水泵进液口间接相连等方式，避免水泵影响CO₂气体在藻液中的分布和扩散。

实施例2

如图5所示，本实施例中，养殖面以土为支撑。养殖面由PE膜制成，呈长方形、长60米、宽30米、倾度为1.7%。养殖面外（如1.5米高处）设透明防红外膜，在内蒙地区夏季，可使藻液温度不超过35℃。藻液以1.2×10^-1m³/s（即50cm/s）的流量沿养殖面流动，液层厚度约为8mm。其余与实施例1同。

本实施例可以解决现有技术中存在的薄层养殖系统缺乏应对“高气温”的解决方案和同一单元中及相邻单元间养殖面相互挡光等问题。该实施例中在养殖面外部加设透明防红外膜，有效阻隔引起温升的红外线，使可用于光合作用的可见光进入并照射在养殖面上，利于在高温气候区域进行微藻养殖。CO₂通入方式与实施例1同。

实施例3

如图6所示，本实施例中，养殖面以土墙和框架结构为支撑。养殖面倾度为2.5%、呈长方形、长100米、宽50米，由加厚棚膜制成。养殖面高端以砖墙为支撑、低端以插入土地中的木桩为支撑。在养殖面边缘及中部（有框架的位置）设置木桩等支撑物以维持养殖面整体平坦且略向一方倾斜。藻液以0.2m³/s（即40cm/s）的流量沿养殖面流动，液层厚度约为10mm。混气罐中所通气体为净化后的电厂烟气，其中CO₂浓度为8%。养殖面边缘可用棚膜等材料与地面连接，形成温室，可在其内部的地面上可种植花卉及农作物，特别是喜阴植物长势尤好。

此外，该养殖单元中，采用气液混合泵作为传输动力和气液混合系统，缓冲罐作为旁路连接于循环系统中。正常养殖时，旁路阀关闭；夜晚或天气不宜时，打开旁路阀，藻液流入缓冲罐。缓冲罐可设于养殖面下的温室内，从而实现藻液集中控温作用。

本实施例可以解决现有技术中存在的薄层养殖系统缺乏应对“低成本化”的解决方案和CO₂气体的通入方式不利于CO₂气体在藻液中的分布及扩散、同一单元中及相邻单元间养殖面相互挡光等问题。该实施例中养殖系统与农业温室结合，其中养殖面可由透明材质（如棚膜）制成，支撑结构由砖墙、土墙及框架等结构组成，可省略开沟挖槽等人工成本、且结构简单，利于降低工程成本。同时，养殖系统构成农业温室基本结构，温室内（养殖面下）可利用顶层四周透射的阳光进行花卉及农作物养殖。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (13)

1.一种光生物养殖单元，其特征在于，所述养殖单元包括养殖装置和循环系统，所述养殖装置包括养殖面（1）和相应的支撑结构（2），所述养殖装置与循环系统呈闭环连接；所述养殖面（1）上的液层深度小于10cm。

2.如权利要求1所述的养殖单元，其特征在于，所述养殖面（1）上的液层深度小于5cm，优选小于3cm，进一步优选小于2cm，再优选小于1cm，最优选4～8mm。

3.如权利要求1或2所述的养殖单元，其特征在于，所述养殖单元内含一个养殖面（1）。

4.如权利要求1所述的养殖单元，其特征在于，所述养殖面（1）为柔性面；所述柔性面覆盖于支撑结构（2）的上表面，与支撑结构（2）固定连接，构成养殖装置。

5.如权利要求4所述的养殖单元，其特征在于，所述养殖面（1）中部为流动区；所述养殖面（1）各边缘中，至少与藻液流动方向平行的两边缘高于流动区，形成溢流堰（6）；所述溢流堰（6）与流动区的夹角优选为90度。

6.如权利要求1所述的养殖单元，其特征在于，所述养殖面（1）呈水平或具一定坡度放置；所述坡度优选小于10度，进一步优选小于5度，最优选小于2度。

7.如权利要求1所述的养殖单元，其特征在于，在养殖面（1）表面或其上方加设促混结构。

8.如权利要求1所述的养殖单元，其特征在于，所述养殖面（1）的上方设有透明材质层；

优选地，在所述养殖面（1）外部设透明防红外膜。

9.如权利要求1所述的养殖单元，其特征在于，所述支撑结构（2）的各边缘中，至少与藻液流动方向平行的两边缘高于支撑结构（2）内其他部分；

优选地，所述支撑结构（2）为骨架状结构，其由单一材料制成整体模型，或由多模块、单一/多种材料拼接组装制成；

优选地，所述支撑结构（2）中加设坡度调节装置和张力调节装置。

10.如权利要求1所述的养殖单元，其特征在于，所述循环系统包括管路（3）、提升装置（4）、缓冲罐（5）和布液装置（7）；所述管路（3）从养殖面（1）上藻液流动方向的末端延伸到藻液流动方向的起端；所述布液装置（7）与管路（3）末端相连，位于藻液流动方向的起端；

优选地，所述提升装置（4）为泵；

优选地，所述缓冲罐（5）上设有控温装置；

优选地，所述管路（3）上设置收集装置。

11.如权利要求9所述的养殖单元，其特征在于，所述提升装置（4）为离心泵、潜水泵或气液混合泵，所述缓冲罐（5）与管路（3）串接；或，所述提升装置（4）为气液混合泵，所述缓冲罐（5）与管路（3）并接。

12.一种由如权利要求1-11之一所述的养殖单元构成的光生物养殖系统，其特征在于，所述光生物养殖系统由多个所述养殖单元通过串联、并联及混联组成。

13.如权利要求12所述的养殖系统，其特征在于，所述养殖系统中各养殖单元的养殖面倾斜方向一致，藻液在各养殖面上循环流动，或在多个养殖面上流动后被收集。

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