CN109486674A - 一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置及发酵方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置及发酵方法，包括集气系统、产气系统和控制检测系统；产气系统中设有发酵反应器，发酵反应器外侧设有磁场调控装置和恒温水浴加热装置；发酵反应器连通到集气系统的储气罐；磁场调控装置连通到控制检测系统的磁场强度检测装置，恒温水浴加热装置通过发酵温度控制仪与控制检测系统相连，通过磁场和温度的调制，实现调控沼气厌氧发酵。该装置使用操作方便，既能保证反应原料的均匀加热，又能保证磁场强度稳定，而且最大程度的地保证发酵环境的均一性，能够实现磁场调控沼气厌氧发酵，从而提高发酵效率和产气率。

Description

一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置及发酵方法
技术领域
本发明属于厌氧发酵技术领域，具体涉及一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置及发酵方法。
背景技术
近年来，能源问题已成为国家发展的制约性问题，煤炭、石油、天然气等不可再生能源由于过度开采已影响到国家未来的发展。因此，寻求和发展新型可再生能源已迫在眉睫。厌氧发酵作为一种具有综合环境效益的绿色能源生产技术，不仅利用了废弃物以缓解环境污染，同时产出沼气，实现了传统能源替代，对发展可再生清洁能源具有重要意义。目前为止，沼气已经在一些发达国家实现规模化利用，而我国发展较为落后，因此沼气既符合国家的可持续发展战略，又避免废弃物对环境的污染。
我国的沼气工程虽早在上世纪60年代就已起步，但直到如今我们的生产技术依旧十分落后，主要问题在于：第一，产气率低下。沼气中甲烷的含量仅为60％左右，且含有少量氢气和硫化氢，除此之外，沼气中的不可燃气体二氧化碳占到20％～45％，导致沼气火力不足。第二，产气不稳定。第三，发酵底物利用率较低，未被充分消化的沼渣沼液容易对环境造成二次污染。这也是目前制约沼气技术发展的关键问题。地球处于地磁场的包围中，地球上的各种生命活动都会受到磁场的影响，磁场作为一种物理因素，其对生物造成的效应有必要进行探究。已有证据表明，不同磁场可以对不同生物产生不同方式及不同程度的效应，磁场对生物的效应的大量实验证明了这一现象。例如，胰蛋白酶在15000奥的磁场中活性会大大增加；兔和小鼠的无血浆细胞在强度为14.6千奥的磁场中生长速率有显著的增加；KB细胞在组织4000奥的均匀磁场中生长反而受到抑制；家兔神经细胞的在磁场中细胞的电活性发生改变。无论是对研究生物磁效应产生的原理，还是将生物磁效应推广到实际应用，都具有很高的研究价值。基于以上磁场对微生物的研究理论，本课题组探索了磁场对厌氧微生物的影响，结果表明：磁场能够有效的促进微生物对发酵底物的利用，极大的缩短发酵周期，提高沼气产量。但是目前尚未有能够同时实现磁场、温度可控且能够连续发酵的装置，使得限制了该技术得不到很好广泛的应用，因此开发一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置及发酵方法，充分利用了磁场对厌氧微生物的促进作用，不仅改善了发酵环境，促进了底物的降解和沼气的产率，更解决了某些难以利用的沼渣、沼液的污染问题。其使用操作方便，既能保证反应原料的均匀加热，又能保证磁场强度稳定，而且最大程度的地保证发酵环境的均一性，能够实现磁场调控沼气厌氧发酵，从而提高发酵效率和产气率。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，包括集气系统、产气系统和控制检测系统；所述产气系统中设有发酵反应器，发酵反应器外侧设有磁场调控装置和恒温水浴加热装置；所述发酵反应器连通到集气系统的储气罐；所述磁场调控装置连通到控制检测系统的磁场强度检测装置，所述恒温水浴加热装置通过发酵温度控制仪与控制检测系统相连，通过磁场和温度的调制，实现调控沼气厌氧发酵。
对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：
优选的，所述产气系统中磁场调控装置设在发酵反应器两侧，恒温水浴加热装置设在发酵反应器周边；在恒温水浴加热装置底部设有发酵温度控制仪，发酵温度控制仪通过温度控制继电器连接电加热元件，电加热元件置于发酵反应器附近。
优选的，所述发酵反应器上设有集气管、进料进气管和旋桨式搅拌器。
优选的，所述磁场调控装置包括磁体固定装置，在磁体固定装置上架设有轨道，轨道通过轨道固定装置固定在恒温水浴加热装置上，在轨道上固定有磁体固定装置，在磁体固定装置上固定有磁体，且磁体被密封；通过磁场调控螺母调节磁体固定装置与发酵反应器的距离。
优选的，所述磁体固定装置为可拆卸的两块相对的板状或圆柱状，所述磁体为一块或多块。
优选的，所述发酵温度控制仪和磁场调控装置之间通过隔板间隔。
优选的，所述恒温水浴加热装置上设有水循环泵；所述发酵温度控制仪上设有穿过恒温水浴加热装置内壁的温度感应元件。
优选的，所述恒温水浴加热装置设置有保温层，所述保温层为保温复合板。
优选的，所述集气系统包括若干个与产气系统的发酵反应器对应的储气罐，发酵反应器通过集气管连通储气罐；集气管上连通有气体流量计、取气管、管道阀门和气体压缩机。
优选的，所述控制检测系统内设置有连接到发酵温度控制仪上的加热开关，以及连接到发酵反应器上旋桨式搅拌器的电动机的供电回路中的搅拌控制开关；所述磁场强度检测装置上设有伸入恒温水浴加热装置内部的磁场检测探针；还包括连通到发酵反应器的进料循环泵。
本发明进而给出了利用上述装置进行磁场可控的沼气厌氧发酵方法，包括如下步骤：
1)发酵温度控制仪控制恒温水浴加热装置内的温度，使得发酵反应器的发酵温度控制在30-40℃；
2)使用磁场调节螺母将磁体固定装置固定，通过磁场调控装置将发酵反应器的磁场强度调控到2-40mT；
3)被驯化好的反应原料被进料循环泵抽入送料管中，再通过进气进料管被打入发酵反应器内；
4)将进气进料管与氮气罐连接，通气3-5min以除去氧气；通过集气管端部的阀门进行密封；
5)对加入反应器的发酵原料和厌氧污泥进行充分搅拌，控制厌氧发酵的总固体含量，发酵产生的沼气通过集气管传输到气体流量计进行计数；沼气被气体压缩机传输到储气罐内；
6)通过取气管取样对沼气取样检测。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、本发明恒温水浴加热装置采用了内置的电加热元件进行加热，且电加热元件采用多处加热点，并且加入了水循环泵，这样能够在反应进行加热的同时辅以水循环，既能保证反应原料的均匀加热，又能最大程度的地保证每个发酵反应器发酵环境的均一性。
2、本发明通过设置发酵温度控制仪，能够确保发酵反应器内的发酵温度始终处于最佳温度范围内，保证了甲烷菌种具有较高的活性，提高了发酵料液的发酵效率和产气率。
3、本发明采用磁场调控装置调控磁场强度，从而保证反应处于一个稳定可调的磁场强度下，从而保证了每天稳定而充足的沼气产量。
4、本发明在集气管上连接了气体流量计和取气管，能够实时监控沼气产量，并且可以随时取气检验沼气各的组分及含量。
5、不使用电能即可产生磁场，传统电磁方式需要大电流来构造磁场，节能效果有显著提高。
6、传统电磁方式需要大电流来构造磁场，强电流容易引起安全隐患，此装置的安全性能有显著提高。
7、本发明的磁场调控装置，与传统的装置相比，采用了密封的技术，保证了磁铁不会被环境侵蚀，使得磁场调控装置可以应用于环境复杂的实验中。并且采用了固定装置，可以在使用过程中保证磁场强度稳定。
综上所述，本发明使用操作方便，既能保证反应原料的均匀加热，又能保证磁场强度稳定，而且最大程度的地保证发酵环境的均一性，能够实现磁场调控沼气厌氧发酵，从而提高发酵料液的发酵效率和产气率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明产气系统侧视图；
图3为本发明磁场调控装置主视图；
图4为图3的侧视图；
图中：1—储气罐；2—出气阀；3—气压表；4—进气阀；5—气体压缩机；6—管道阀门；7—取气管；8—气体流量计；9—发酵温度控制仪；10—电加热元件；11—温度感应原件；12—温度控制继电器；13—隔板；14—磁场调控装置；14-1—磁体固定装置；14-2—磁体；14-3—磁场调控螺母；14-4—轨道；14-5—轨道固定装置；15—保温复合板；16—水循环泵；17—集气管；18—进气进料管；19—阀门；20—恒温水浴加热装置；21—磁场强度检测装置；22—磁场检测探针；23—发酵反应器固定装置；24—加热开关；25—旋桨式搅拌器；25-1—搅拌杆；25-2—搅拌叶片；26—发酵反应器；27—集气系统；28—控制检测系统；29—搅拌控制开关；30—产气系统；31—开关安装面板；32—进料循环泵；33—送料管。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1和图2所示，在示出的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置的实施例中，包括集气系统27、产气系统30和控制检测系统28；其中，产气系统30外围设置有由恒温水浴加热装置20构成的保温层，产气系统30中部设有发酵反应器26，发酵反应器26外侧设有磁场调控装置14；其中发酵反应器26连通到集气系统27的储气罐1；磁场调控装置14连通到控制检测系统28的磁场强度检测装置21，恒温水浴加热装置20通过发酵温度控制仪9与控制检测系统28相连，通过磁场和温度的调制，实现调控沼气厌氧发酵。
如图1所述，集气系统27内设置有储气罐1，储气罐1的中下部通过集气管17与产气系统30的发酵反应器26的上部相连通；储气罐1的中上部设置有出气阀2，储气罐1上连接有用于对储气罐1内的气压进行检测并显示的气压表3；集气管17上从靠近发酵反应器26到靠近储气罐2的方向依次连接有气体流量计8、管道阀门6、气体压缩机5和进气阀4；位于气体流量计8和管道阀门6之间的一段集气管17上连接有取气管7，取气管7上连接有取气阀，通过该系统可以实现沼气的气体流量检测，收集压缩，实时取样成分分析。
如图1所示，本实施例中，安装在产气系统30内的发酵反应器26固定在发酵反应器固定装置23上，在发酵反应器26中设有旋桨式搅拌器25，旋桨式搅拌器25的搅拌杆插入发酵反应器26罐体内部，旋桨式搅拌器25的电动机支撑在发酵反应器26罐体顶部，旋桨式搅拌器25的搅拌杆底部安装有搅拌叶片25-2。发酵反应器26罐体上设有集气管17和伸进发酵反应器26内的进料进气管18。旋桨式搅拌器25的电动机的供电回路中串联有控制检测系统28的搅拌控制开关29。
在本实施例中，产气系统30的发酵反应器26外部两侧设磁场调控装置14，恒温水浴加热装置20设在产气系统30的外围。恒温水浴加热装置20设置有保温层，以减缓热量散失，保温层由保温复合板15组成。恒温水浴加热装置20内设有发酵温度控制仪9，发酵温度控制仪9上设有穿过恒温水浴加热装置20内壁的温度感应元件11，发酵温度控制仪的输出端接有温度控制继电器12，温度控制继电器的输出端接有电加热元件10，在温度升到一定温度时停止加热。电加热元件10的供电回路中还串联有加热开关24。恒温水浴加热装置20上设有水循环泵16，在本实施例中，水循环泵的数目有两个，两个水循环泵均匀设置在恒温水浴加热装置右侧板下方。
如图1所示，本实施例中，控制检测系统28内设置有开关安装面板31、磁场强度检测装置21和进料循环泵32；磁场强度检测装置21上连有磁场检测探针22，磁场检测探针22穿过恒温水浴加热装置20侧壁伸入恒温水浴加热装置20内部。进料循环泵32上连有送料管33。
如图2所示，本实施例中，发酵温度控制仪9和磁场调控装置14之间通过隔板13间隔。
如图3所示，本实施例中，磁场调控装置14放置于恒温水浴加热装置20内部；磁场调控装置14包含磁体固定装置14-1和轨道14-4，磁体固定装置14-1通过轨道固定装置14-5固定在恒温水浴加热装置20上；磁体固定装置14-1置于具有螺纹的轨道14-4上，并且可以移动；在轨道14-4上固定有磁体固定装置14-1，在磁体固定装置14-1上固定有磁体14-2，且磁体被密封；通过磁场调控螺母14-3调节磁体固定装置14-1与发酵反应器26的距离。轨道14-4通过磁场调控螺母14-3将磁体固定装置14-1进行固定，以获得稳定的磁场。使用轨道固定装置14-5将轨道14-4固定在恒温水浴加热装置20箱体内壁。
如图1所示，本实施例中，控制检测系统28顶部安装有开关安装面板31，搅拌控制开关29和加热开关24均安装在开关安装面板31上，下部设有磁场强度检测装置21。
如图4所示，本实施例中，发酵反应器固定装置23固定于磁场调控装置14中心。
本发明具体的发酵方法是：1)发酵温度控制仪9控制恒温水浴加热装置20内的温度，使得发酵反应器26的发酵温度控制在30-40℃；
将送料管33和进气进料管18连接，使用磁场调节螺母14-3将磁体固定装置14-1固定，通过磁场调控装置14将发酵反应器26的磁场强度调控到2-40mT；
3)被驯化好的反应原料(如畜禽粪便、餐厨垃圾、污泥等)被进料循环泵32抽入送料管33中，再通过进气进料管18被打入发酵反应器26内；
4)将进气进料管18与氮气罐连接，通气3-5分钟以除去氧气。通过阀门19进行密封；
5)对加入反应器的发酵原料和厌氧污泥进行充分搅拌，控制厌氧发酵的总固体含量，发酵产生的沼气通过集气管17传输到气体流量计8进行计数。之后沼气被气体压缩5传到储气罐1内；
6)气体流量计8后联有取气管9，用以沼气的取样检测。
另外，本发明还能够实现对反应原料的自动加热，具体原理为：
按下加热开关24后，就进行如自动加热的工作状态，发酵温度控制仪9的温度感应原件11对恒温水浴加热装置20内的温度进行实时检测，发酵温度控制仪9将温度感应原件11检测到的发酵温度与预先设定的加热温度上限值和加热温度下限值进行比对，当发酵温度低于加热温度下限值时，发酵温度控制仪9控制温度控制继电器12接通，电加热元件10的供电回路接通，电加热元件10开始加热；当发酵温度高于加热温度上限值时，发酵温度控制仪9控制温度控制继电器12断开，电加热元件10的供电回路断开，电加热元件10停止加热。当需要进行搅拌时，按下搅拌开关29，旋桨式搅拌器25的电动机接通电源并开始工作，旋桨式搅拌器25的搅拌叶片25-2对反应原料进行搅拌，搅拌完成后，再次按下搅拌开关29，旋桨式搅拌器25搅拌杆25-1停止搅拌。
本装置首次精确实现磁场、温度的联合控制，以及各系统完美配合，极大地优化了发酵环境，为一种磁场可控的沼气厌氧发酵提供技术可靠、设备简单、控制精确的沼气厌氧发酵设备。
使用上述设备，下面通过实施例1-3进一步说明本发明所公开的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置及发酵方法。
实施例1
1)控制发酵温度：控制恒温水浴加热装置内的温度，使得发酵反应器的发酵温度控制在35℃；
2)调节磁场：调节设备使磁场强度为6mT；
3)利用磁场环境进行沼气发酵：
以质量份数为180份牛粪作为发酵原料，再添加320份城市污水处理厂的厌氧污泥，抽入送料管中，再通过进气进料管被打入发酵反应器内；将进气进料管与氮气罐连接，通气3min以除去氧气；通过集气管端部的阀门进行密封；
4)对加入反应器的发酵原料和厌氧污泥进行充分搅拌，控制厌氧发酵的总固体含量为10％，在35℃下进行发酵；发酵产生的沼气通过集气管传输到气体流量计进行计数；沼气被气体压缩机传输到储气罐内；
5)通过取气管取样对沼气取样检测。累积沼气产量为631mL/g VS。
实施例2
1)控制发酵温度：控制恒温水浴加热装置内的温度，使得发酵反应器的发酵温度控制在30℃；
2)调节磁场：调节设备使磁场强度为15mT；
3)利用磁场环境进行沼气发酵：
以质量份数为180份猪粪作为发酵原料，再添加320份城市污水处理厂的厌氧污泥，抽入送料管中，再通过进气进料管被打入发酵反应器内；将进气进料管与氮气罐连接，通气5min以除去氧气；通过集气管端部的阀门进行密封；
4)对加入反应器的发酵料液进行充分搅拌，控制厌氧发酵的总固体含量为10％，在30℃下进行发酵；发酵产生的沼气通过集气管传输到气体流量计进行计数；沼气被气体压缩机传输到储气罐内；
5)通过取气管取样对沼气取样检测。累积沼气产量为487mL/g VS。
实施例3
1)控制发酵温度：控制恒温水浴加热装置内的温度，使得发酵反应器的发酵温度控制在40℃；
2)调节磁场：调节设备使磁场强度为27mT；
3)利用磁场环境进行沼气发酵：
以质量份数为180份鸡粪作为发酵原料，再添加320份城市污水处理厂的厌氧污泥，抽入送料管中，再通过进气进料管被打入发酵反应器内；将进气进料管与氮气罐连接，通气4min以除去氧气；通过集气管端部的阀门进行密封；
4)对加入反应器的发酵原料和厌氧污泥进行充分搅拌，控制厌氧发酵的总固体含量为10％，在40℃下进行发酵。发酵产生的沼气通过集气管传输到气体流量计进行计数；沼气被气体压缩机传输到储气罐内；
5)通过取气管取样对沼气取样检测。累积沼气产量为461mL/g VS。
对比例1
以单一牛粪为发酵底物，厌氧污泥为接种物进行沼气发酵，无磁场辅助发酵。
以单一牛粪为发酵底物，添加量为180份，城市污水处理厂的厌氧污泥为接种物，添加量为320份，控制厌氧发酵的总固体含量为10％，对发酵料液进行充分搅拌，在35℃下进行发酵。累积沼气产量为415mL/g VS。
实施例与对比例的性能测试结果对比见表1。
表1性能对比
组分 对比例1 实施例1 实施例2 实施例3
VS去除率 37.19％ 62.5％ 55.8％ 53.06％
COD降解率 44.2％ 60.7％ 58.2％ 55.7％
沼气产量(mL/g VS) 415 631 487 461
缩短发酵时间(d) 0 6 3 2
从表1可以看出，采用本发明的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置及发酵方法，其累积沼气产量不小于461mL/g VS，VS去除率不低于65.3％，COD降解率不小于55％，沼气产量不小于461(mL/g VS)。采用该装置进行沼气厌氧发酵具备显著改善发酵的环境和提升微生物的消化能力，促使有机质能够更快的、更彻底的被分解和利用，提高沼气产量，缩短发酵周期。本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，包括集气系统(27)、产气系统(30)和控制检测系统(28)；所述产气系统(30)中设有发酵反应器(26)，发酵反应器(26)外侧设有磁场调控装置(14)和恒温水浴加热装置(20)；所述发酵反应器(26)连通到集气系统(27)的储气罐(1)；所述磁场调控装置(14)连通到控制检测系统(28)的磁场强度检测装置(21)，所述恒温水浴加热装置(20)通过发酵温度控制仪(9)与控制检测系统(28)相连，通过磁场和温度的调控，实现调控沼气厌氧发酵。
2.根据权利要求1所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述产气系统(30)中磁场调控装置(14)设在发酵反应器(26)两侧，恒温水浴加热装置(20)设在发酵反应器(26)周边；在恒温水浴加热装置(20)底部设有发酵温度控制仪(9)，发酵温度控制仪(9)通过温度控制继电器(12)连接电加热元件(10)，电加热元件(10)置于发酵反应器(26)附近。
3.根据权利要求1或2所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述发酵反应器(26)上设有集气管(17)、进料进气管(18)和旋桨式搅拌器(25)。
4.根据权利要求1所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述磁场调控装置(14)包括磁体固定装置(14-1)，在磁体固定装置(14-1)上架设有轨道(14-4)，轨道(14-4)通过轨道固定装置(14-5)固定在恒温水浴加热装置(20)上，在轨道(14-4)上固定有磁体固定装置(14-1)，在磁体固定装置(14-1)上固定有磁体(14-2)，且磁体(14-2)被密封；通过磁场调控螺母(14-3)调节磁体固定装置(14-1)与发酵反应器(26)的距离。
5.根据权利要求4所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述磁体固定装置(14-1)为可拆卸的两块相对的板状或圆柱状，所述磁体(14-2)为一块或多块。
6.根据权利要求1所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述恒温水浴加热装置(20)上设有水循环泵(16)；所述发酵温度控制仪(9)上设有穿过恒温水浴加热装置(20)内壁的温度感应元件(11)。
7.根据权利要求1所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述恒温水浴加热装置(20)设置有保温层，所述保温层为保温复合板(15)。
8.根据权利要求1所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述集气系统(27)包括若干个与产气系统(30)的发酵反应器(26)对应的储气罐(1)，发酵反应器(26)通过集气管(17)连通储气罐(1)；集气管(17)上连通有气体流量计(8)、取气管(7)、管道阀门(6)和气体压缩机(5)。
9.根据权利要求1所述的一种磁场可控的沼气厌氧发酵装置，其特征在于，所述控制检测系统(28)包括连接到发酵温度控制仪(9)上的加热开关(24)，和连接到发酵反应器(26)上旋桨式搅拌器(25)的电动机的供电回路中的搅拌控制开关(29)；控制检测系统(28)中的磁场强度检测装置(21)上设有伸入恒温水浴加热装置(20)内部的磁场检测探针(22)；还包括连通到发酵反应器(26)的进料循环泵(32)。
10.一种权利要求1-9任一项所述装置进行磁场可控的沼气厌氧发酵方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)发酵温度控制仪(9)控制恒温水浴加热装置(20)内的温度，使得发酵反应器(26)的发酵温度控制在30-40℃；
2)使用磁场调节螺母(14-3)将磁体固定装置(14-1)固定，通过磁场调控装置(14)将发酵反应器(26)的磁场强度调控到2-40mT；
3)被驯化好的反应原料被进料循环泵(32)抽入送料管(33)中，再通过进气进料管(18)被打入发酵反应器(26)内；
4)将进气进料管(18)与氮气罐连接，通气3-5min以除去氧气；通过集气管(17)端部的阀门(19)进行密封；
5)对加入反应器的发酵原料和厌氧污泥进行充分搅拌，控制厌氧发酵的总固体含量，发酵产生的沼气通过集气管(17)传输到气体流量计(8)进行计数；沼气被气体压缩机(5)传输到储气罐(1)内；
6)通过取气管(7)取样对沼气取样检测。
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