CN108290789A - 具有改进的流变性质的基于水泥的组合物及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于水泥的组合物，其中所述组合物包含：水泥材料，水，具有或不具有营养培养基的选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，以及由这样的菌种产生的胞外多糖。

Description

具有改进的流变性质的基于水泥的组合物及其制造方法
描述
本发明涉及具有改进的流变性质的基于水泥的组合物及其制造方法。
背景技术
粘度调节剂(VMA)作为混凝土添加剂广泛用于建筑业。关于不同VMA的流动特征及其对自密实混凝土(SCC)的流变性的现有技术状态进行了各种研究。此外，还存在针对VMA对水泥浆的早期水化和混凝土强度的影响进行的研究。
目前，在基于水泥的材料中使用水溶性聚合物作为VMA。这种用于基于水泥的材料的聚合物基于纤维素、丙烯酸或聚乙烯基料制造。低成本、可持续和环境友好的生物材料，例如微生物水泥、砂浆、多糖和生物塑料也在建筑业中占据突出地位。除此之外，工业制造或原位合成的微生物多糖也被用作基于水泥的材料中的VMA。例如，多糖如例如黄原胶、威兰胶(welan gum)、凝胶多糖(curdlan)、定优胶(diutan gum)、纤维素醚、淀粉、壳聚糖已知用作如粘度、保水性、流动性等的性质的改进剂。
例如，在美国专利号5,004,506中描述了由产碱杆菌属(Alcaligenes)细菌产生的威兰胶在基于水泥的材料中的用途。作为发酵产品的这些多糖可以改进水泥浆的粘度，且它们在承受高pH水平和增加水泥组合物的空气含量中也变得突出。然而，能够产生所述多糖的这些微生物的生态群体是未知的。此外，已知使用威兰胶能够导致强度损失，这是由于其增加基于水泥的材料中的空气空隙量的倾向。国际专利申请公开号WO 97/22564公开了用于改进目前水泥体系的改进的基于水泥的体系和方法。在那里，已经描述了来自黄单胞菌属(Xanthomonas) ATCC 53159细菌的发酵产品S-657在所述水泥体系中用作VMA。
在2001年，Kahng等人从类芽孢杆菌属(Paenibacillus)菌种获得了胞外多糖(EPS)，并通过将这些多糖加入到水泥砂浆混合物中来改变砂浆的粘度。这里所用的产品是一种发酵产品。
在美国专利公开号2008/0319186A1中，描述了通过鞘氨醇单胞菌属(Sphingomonas)菌种的发酵获得的定优胶作为基于水泥的材料中的VMA的用途。
然而，威兰胶和定优胶可以在天然或基因改性菌种的需氧发酵后产生。因此，目前的VMA以及包含该VMA的基于水泥的材料和混凝土体系也是昂贵的，这继而促成极少使用自密实混凝土(SSC)代替传统混凝土的事实。另一方面，已经发现从菌种获得的发酵产品降低基于水泥的材料的强度。
因此，目前在建筑业中使用的生物材料是通过劳动密集型生产过程获得的发酵产品。这些生产过程需要昂贵和耗时的程序，如例如制备培养基、对活动持续的监测和监督。尽管这些生物材料改进基于水泥的材料的流变性质，例如流动性，它们导致基于水泥的材料的空气含量增加和强度降低。
在2015年，Routing Pei等人从枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)细菌分离了细胞壁，将这些提取的壁用作VMA，且他们在他们的结果中发现，使用细胞壁会导致粘度增加。本研究中使用的细菌为革兰氏阳性，且细胞壁由浓稠的肽聚糖组成。然而，在该研究中，虽然枯草芽孢杆菌的细胞壁作为VMA有效，但发现它们的性能低于市售可得的定优胶的性能。这可能是由于肽聚糖的结构类似于VMA的结构的事实。除此之外，分离细胞壁是一个困难的过程，需要使用氧化铝。此外，氧化铝对水泥凝结时间的影响尚不知晓。
国际专利申请公开号WO 2015/066817 A1描述了在专门为油井生产的砂浆中各种微生物的用途。在所述文献中，已经公开了该细菌通过沉积方解石修补水泥砂浆中的裂纹。在该文献中，已经大体上提到了相关方法和细菌菌种，且已经公开了所述细菌主要用于裂纹修复目的，而不是改变水泥砂浆的流变性质。
出于上述所有理由，在现有技术状态中，仍然需要在经济和生态两方面中比已知的基于水泥的材料更有利和更有效的产品。
发明概述
本发明的一个方面提供基于水泥的组合物。所述组合物包含：水泥材料，水，存在或不存在营养培养基的选自巴氏芽孢八叠球菌(Sporosarcina pasteurii)、巨大芽孢杆菌(Bacillus magetrium)、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌(Paenibacillus polymyxa)的一种或多种细菌菌种，以及由这样的菌种产生的胞外多糖。
本发明的另一方面提供用于制造基于水泥的组合物的方法。所述方法包括以下过程步骤：在营养培养基中生长选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，直到它们达到平衡期；通过离心并将细胞洗出而从营养培养基分离长成的细胞；将细胞加入到磷酸盐溶液(pH 7)中，并在约2-6℃内范围的温度下以悬浮形式储存细胞；使获得的溶液达到室温，并在将溶液加入到水泥砂浆之前对其离心；和不经任何进一步处理，将细胞和由细胞释放的胞外多糖加入到水泥混合水中。
本发明的另一方面提供用于制造基于水泥的组合物的方法。所述方法包括以下过程步骤：在营养培养基中生长选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，直到它们达到平衡期；在约2-6℃范围内的温度下将细胞与营养培养基一起储存；使细胞与储存它们在内的营养培养基一起达到室温，并将细胞与营养培养基一起加入到水泥混合水中；且考虑营养培养基中的水量减少混合水。
附图简述
图1显示根据本发明的一个实施方案的用于制造基于水泥的组合物的方法的流程图。
图2是描绘三种不同水泥浆的剪切应力和剪切速率的图表。
图3是巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌细菌结构的示意图。
发明详述
本发明提供流变学改进的基于水泥的组合物，其通过使用易于从自然获得的非致病性细菌获得。
根据本发明的基于水泥的组合物包含已知在溶液中活性浮游的巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌菌株。本发明基于固有地存在于细菌细胞中的多糖的使用以及所述细菌在基于水泥的组合物中的运动特征。已经发现，通过向体系加入这些细胞，基于水泥的组合物可以协同地改变它们的流变性质，包括例如渗漏性、流动性和失水控制(即保水性)以及其他性质。
本发明的发明人已经发现，与仅使用来自细菌的细胞壁和发酵产品的情况相比，通过使用细胞固有的浮力和细胞结构，它们对流动性的影响得到协同改进。另外，已经发现使用细胞不会导致在使用发酵产品的情况下观察到的性能损失。
本发明的发明人进一步发现，巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌和枯草芽孢杆菌菌株能够在基于水泥的组合物中保持活性，且由于它们对碱性培养基的高耐受性和形成内生孢子的能力，它们可以修复紧急裂纹。
此外，在本发明中还发现，将细菌与生长细菌的营养培养基一起加入到水泥浆中增加砂浆的压缩强度，且由此允许修缮在表面上形成的裂纹。与目前使用的VMA相反，所述细菌还能够修复在砂浆硬化期间形成的那些微裂纹。
已知巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌菌种是棒状、能动的和革兰氏阳性的。革兰氏阳性细菌特有的细胞壁是肽聚糖，其是由两种不同糖组分组成的多糖。已观察到这些棒状细菌会影响水泥浆移动时水泥浆的流动性。由于所有这些性质组合，所述微生物的使用还可以改进基于水泥的组合物对偏析和渗漏的抵抗性。
本发明的细菌广泛见于土壤和湿地中的事实在经济和环境两方面也提供优点。多粘类芽孢杆菌除了为革兰氏阳性外，还由于其释放的胞外多糖(EPS)而在包括食品工业、制药和水处理的各业中进一步使用。与先前研究的结果相反，在细胞生长过程中EPS形成的作用由于其在不与细胞本身分离的情况下掺入而得到改进。这使得能够获得基于水泥的组合物，其不仅通过减少过程步骤的数目提供成本降低，而且还显示与当前可用产品相当的性能。因此，本发明的基于水泥的组合物还可以优选地包含由多粘类芽孢杆菌细菌产生的胞外多糖。
同样，巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌细菌也能够释放胞外多糖。根据本发明的基于水泥的多糖可以进一步包含由巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌细菌产生的胞外多糖。
本文使用的基于水泥的组合物是指水凝水泥，即细磨和煅烧的硅酸钙和氧化铝钙(calcium alumina)，当其与水混合时，反应形成坚硬的岩石状物质。
本文使用的水泥是指水泥组合物，例如波特兰水泥，特别是由无水硅酸盐和铝酸钙化合物、火山灰水泥、高炉熔渣水泥、矿渣水泥、砂浆水泥(例如粘结砂浆)、建筑混凝土(包含砂和骨料)、油井水泥、高铝水泥、石膏水泥、膨胀水泥(包含高含量的硫酸盐和氧化铝，其根据硬化模式膨胀)、加气水泥(包含捕获气泡并由此形成抗冻和耐化学品的混凝土的化合物)、轻质混凝土(包含低密度材料如炉渣、浮石、泡沫熔渣、飞灰、气体、木材等)、重质混凝土(包含材料如重晶石、铁、钢等)和低热水泥、陶瓷等以及其混合物。
如本文所用的VMA包括水溶性聚合物，例如纤维素醚(例如羟乙基纤维素、羟丙基甲基纤维素、羧甲基纤维素钠、羧甲基羟乙基纤维素等)、合成聚合物(例如聚丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙二醇等)；表多糖(生物聚合物比如例如威兰胶、黄原胶、ramsan、右旋糖苷、普鲁兰多糖(pullulan)、凝胶多糖等)；海胶(例如藻酸、琼脂、角叉菜胶等)；植物渗出物；基于淀粉的胶(例如醚、酯和相关衍生物)。
根据本发明的基于水泥的组合物可以进一步包含一种或多种已知的分散剂，例如保水剂和超增塑剂(superplasticizer)。如本文所用的“保水剂”意指能够在不加入减水剂的情况下，在降低加入的水的浓度的同时保持体系粘度的混合物。如本文所用的“超增塑剂”意指通过改进水泥颗粒在水泥浆中的分散来增加水泥浆的可加工性和粘度的化学品。
本发明提供一种基于水泥的组合物，其包含足以改进流变性质的量的选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种和由其产生的胞外多糖。
在本发明的一个实施方案中，足以改进流变性质的量以所用干水泥的重量计对应于0.05-1%的范围，而与所用细菌菌种无关。
足以改进流变性质的量以所用干水泥的重量计优选对应于0.1-0.4%的范围，而与所用细菌菌种无关。
本发明提供具有改进的粘度的自调节(自流平)砂浆制剂。所述制剂包含足以改进流变性质的量的选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种。
如本文所用的砂浆包含基于水泥的材料和水。
应控制所述砂浆的粘度，以使砂浆可注射到裂纹中。在本发明的一个实施方案中，所述砂浆制剂用作支撑(增强)混凝土的裂纹注射砂浆。所述砂浆制剂也可用于复原历史结构和建筑。
所述注射砂浆可进一步包含波特兰水泥、火山灰、硅粉和飞灰。可以改变该砂浆的水/固体物质比率。该砂浆也可以含有超增塑剂、气体形成剂如铝粉和VMA。
根据本发明的具有改进粘度的基于水泥的组合物可以用于非建筑应用的S3和S4类混凝土混合物。对于S3和S4类混凝土的可加工性测定，进行根据TS-EN 206预拌混凝土标准的稠度等级测定。当使用沉淀(坍落)试验确定稠度等级时，S3和S4类的最小坍落值分别为100mm和160mm。
本发明还提供一种用于在釉面陶瓷砖之间浇注的具有改进粘度的基于水泥的粘合剂制剂。所述制剂包含足以改进流变性质的量的选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种。
本发明提供一种用于改进基于水泥的组合物的流变性质的方法。所述方法包括以下步骤：
- 在营养培养基中生长选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，直到达到平衡期；
- 通过离心并将细胞洗出而从营养培养基分离长成的细胞，
- 在磷酸盐溶液(pH 7)中加入细胞并在2-6℃范围的温度下以悬浮形式储存细胞；
- 使以上获得的溶液达到室温，并在将其加入到水泥砂浆之前对其离心；和
- 不经任何进一步处理，将细胞和由其释放的胞外多糖加入到水泥混合水中。
本发明还提供待用的长成细胞，其未从储存它们的营养培养基分离。因此，在根据本发明的方法的一个实施方案中，省略了从营养培养基分离前述细胞的步骤。因此，在本发明的一个实施方案中，改进基于水泥的组合物的流变性质的方法包括以下步骤：
- 在营养培养基中生长选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，直到达到平衡期；
- 在约2-6℃范围的温度下将细胞与营养培养基一起储存；
- 使细胞与储存它们在内的营养培养基一起达到室温，并将二者加入到水泥混合水中，并将混合水减少一定量，该量与营养培养基中的水量对应。
实施例
生物添加剂的制备
实施例1
制备含有肉和蛋白胨的营养培养基用于生长多粘类芽孢杆菌菌株。向1升去离子水(DI水)加入100g糖蜜(pekmez-糖蜜)、30g玉米浸渍汁(玉米浆)、5g K2HPO4、0.3g CaCl2并将其调节至pH 8。将营养培养基溶液在高压灭菌器中保持在121°下45分钟并灭菌。
在灭菌的营养培养基冷却至室温后，将多粘类芽孢杆菌(P. polymyxa)细胞加入到其中。将获得的细菌培养物在30°下在220rpm下孵育96小时。之后，将细胞在20℃和10000rpm下离心10分钟；将沉淀的细胞与过滤水分离并用磷酸盐溶液洗涤。将由此获得的细菌在新的和新鲜的营养培养基中在30°和220rpm下再次孵育96小时，以增加细胞的数目。重复该程序直到获得稳定数目的细胞。作为另一个备选方案，通过使用具有25-30升容量的连续运行的生物反应器，生长程序可以在更短的时间段内完成。
细菌细胞在20℃和10000rpm下离心10分钟；将沉淀的细胞与过滤水分离，并在加入到pH 7的磷酸盐水后以悬浮形式储存。由此获得的生物溶液在-4℃下储存约1个月。
实施例2
制备含有酵母提取物和尿素的营养培养基用于生长巴氏芽孢八叠球菌和巨大芽孢杆菌菌株。向1升去离子水(DI水)加入15g玉米浆、10g硫酸铵和5g乙酸钠并调节至pH 9。将营养培养基溶液在高压灭菌器中保持在121℃下45分钟并灭菌。在将灭菌的营养培养基冷却至室温后，将巴氏芽孢八叠球菌(S. pasteurii)细胞加入到其中。将获得的细菌培养物在30°和220rpm下孵育96小时。
一旦长成，将细胞在20℃和10000rpm下离心10分钟；将沉淀的细胞与过滤水分离并用磷酸盐溶液洗涤。分离的细菌在加入到pH 7磷酸盐水后以悬浮形式储存。将由此获得的生物溶液在-4℃下储存约1个月。
将生物添加剂加入到水泥浆：
实施例3
在使用时，如下所述制备水泥混合物：
1- 在混合之前确定待使用的材料的以下性质：
a.水泥类型和粒度(推荐的水泥类型：CEM I 32.5N、CEM I 42.5N、CEM I 42.5 R、CEMI 52.5 N和CEM I 52.5R)
b.水-水泥-砂比率(推荐的水:水泥:砂重量比为0.5:1:3)
c.砂的等级、密度、吸收系数和要吸收的水量(例如，如果加入1000g吸收率为0.7%的砂，则它们吸收7g水)。
2- 从冰箱取出以悬浮形式储存在磷酸盐溶液中的细胞，并使其达到30℃。干燥烘箱或孵育器用于此目的。
3- 使来自该溶液的细胞达到室温，且然后通过在20℃和10000rpm下离心10分钟分离。推荐的细胞比率保持在水泥重量的0.05%-1%的范围内。例如，对于具有250g:500g:1500g的水:水泥:砂比率的混合物，细胞比率将为最小0.25g和最大5g。剂量应根据期望的的粘度调节。
4- 准备要在混合物中使用的砂，使其最大粒度将为4mm，并在混入之前，将其在设定为110℃的干燥烘箱中干燥。在混合前数小时，将其从干燥烘箱取出并让它冷却至室温。
5- 在混合阶段，将第一干燥砂置于混合器中，然后加入要被砂吸收的量的水，并在140rpm下混合60秒。
6- 在加入水泥和混合物所需水量的一半之后，在140rpm下进一步进行混合60秒。之后，将转速提高到280rpm并进一步混合30秒。
7- 在完成150秒的初始混合后，停止混合器，在15秒内将粘在侧壁上的砂浆除去，且然后使砂浆静置75秒。同时，将先前在步骤2和3中制备的细胞加入到混合物所需的剩余一半水中以形成悬浮液，并在使其静置75秒后将该悬浮液加入到混合物中。
8- 然后，将混合速率提高到280rpm，将该砂浆再混合60秒，且由此完成该过程。
实施例4
将细胞与其营养培养基一起加入到水泥浆中。
在使用时，如下所述制备水泥混合物：
1- 在混合之前确定待使用的材料的以下性质：
a.水泥类型和粒度(推荐的水泥类型：CEM I 32.5N、CEM I 42.5N、CEM I 42.5 R、CEMI 52.5 N和CEM I 52.5R)
b.水-水泥-砂比率(推荐的水-水泥-砂重量比为0.5:1:3)
c.砂的等级、密度、吸收系数和要吸收的水量(例如，如果加入1000g吸收率为0.7%的砂，则它们吸收7g水)。
2- 将存储在它们各自的营养培养基中的细胞从冰箱取出，并使其达到30℃。干燥烘箱或孵育器用于此目的。通过减去所加入的化学品的重量来计算营养培养基的水含量。
3- 准备要在混合物中使用的砂，使其最大粒度将为4mm，并在混入之前，将其在设定为110℃的干燥烘箱中干燥。在混合前数小时，将其从干燥烘箱取出并让它冷却至室温。
4- 在混合阶段，将第一干燥砂置于混合器中，然后加入要被砂吸收的量的水，并在140rpm下混合60秒。
5- 在加入水泥和混合物所需水量的一半之后，在140rpm下进一步进行混合60秒。之后，将转速提高到280rpm并进一步混合30秒。
6- 在完成150秒的初始混合后，停止混合器，在15秒内除去粘在侧壁上的砂浆，且然后使砂浆静置75秒。同时，将先前在步骤2和3中制备的细胞与它们的营养培养基一起代替混合物所需的剩余一半水使用，并在使其静置75秒之后加入到混合物中。
7- 然后，将混合速率提高到280rpm，将该砂浆再混合60秒，且由此完成该过程。
图2描绘三种不同的水泥浆的剪切应力和剪切速率的图表。对于该试验，将巴氏芽孢八叠球菌细胞在含有尿素-酵母提取物的营养培养基中生长，且然后与水泥(溶液/水泥：0.5)混合。从屈服应力(τo)和粘度(η)以及降低的剪切速率()获得的数据用于确定流变参数，且设想该材料根据Bingham模型的屈服行为。
Bingham模型：
与通常的水泥浆营养培养基相比，仅将含有尿素-酵母提取物的营养培养基加入到水泥浆没有观察到粘度变化，但当细胞也被引入到该体系时，观察到与仅包含具有尿素-酵母提取物的营养培养基的水泥浆相比，粘度增加20%。同样，在加入细胞的情况下，与仅包含具有尿素-酵母提取物的营养培养基的水泥浆相比，水泥浆的屈服应力增加40%。
附图中的参考符号
图1
200：根据本发明的一个实施方案的用于制造基于水泥的组合物的方法的流程图
202：第一步
204：第二步
206：第三步
208：第四步
A：细菌在推荐的营养培养基中生长，直到达到平衡期。
B：将细胞在20℃下在8000rpm下离心10分钟并用磷酸盐溶液洗涤。
C：然后，将它们加入到相同的磷酸盐溶液中并在4℃下以悬浮形式储存。
D：在加入到水泥砂浆之前，使该溶液达到室温，在20℃和8000rpm下离心10分钟，且然后加入到水泥混合水中。
图2
E：剪切应力
F：包含尿素+酵母提取物+巴氏芽孢八叠球菌的水泥浆
G：包含尿素+酵母提取物的水泥浆
H：通常的水泥浆—对照
I：剪切速率
图3
300：细胞的肽聚糖部分
K：曳力方向
L：浮力方向。

Claims (5)

1.基于水泥的组合物，其包含：
水泥材料，
水，
具有或不具有营养培养基的选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，以及由这样的菌种产生的胞外多糖。
2.根据权利要求1的组合物，其中所述基于水泥的材料包含选自波特兰水泥、火山灰水泥、矿渣水泥、砂浆水泥、油井水泥、高铝水泥、石膏水泥、膨胀水泥、加气水泥、轻质和低热水泥及其混合物的一种或多种水泥材料。
3.根据权利要求1或2的组合物，其以干燥水泥的重量计包含0.05-1%的量的选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种。
4.一种用于制造基于水泥的组合物的方法，包括以下步骤：
- 在营养培养基中生长选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，直到达到平衡期；
- 通过离心并将细胞洗出而从所述培养基分离长成的细胞，
- 在磷酸盐溶液(pH 7)中加入细胞，并在2-6℃范围内的温度下以悬浮形式储存细胞；
- 使以上获得的溶液达到室温，并在将其加入到水泥砂浆之前对其离心；和
- 不经任何进一步处理，将细胞和由其释放的胞外多糖加入到水泥混合水中。
5.一种用于制造基于水泥的组合物的方法，包括以下步骤：
- 在营养培养基中生长选自巴氏芽孢八叠球菌、巨大芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和多粘类芽孢杆菌的一种或多种细菌菌种，直到达到平衡期；
- 在约2-6℃范围内的温度下将细胞与营养培养基一起储存；
- 使所述细胞与储存它们在内的营养培养基一起达到室温，并将二者加入到水泥混合水中，并将混合水减少一定量，该量与营养培养基中的水量对应。
CN201680064334.2A 2016-01-07 2016-11-30 具有改进的流变性质的基于水泥的组合物及其制造方法 Active CN108290789B (zh)

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