CN113201456A - 基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，它包括筒体和设置于筒体内的罐体，密封盖的顶部开设有多个凹槽，每个凹槽内均嵌入有培养皿，罐体内设置有可沿其轴向滑动的滑环；升降机构的活动部件固设于滑环上，搅拌机构包括固设于滑环顶部的动力单元I、旋转安装于滑环上且与培养皿上下对应的空心管，空心管的上端部安装有位于滑环上方的从动齿轮，从动齿轮与中心齿轮相啮合，空心管的下端部贯穿滑环设置，且延伸端上固设有叶片，罐体与筒体之间设置有摇晃机构。本发明的有益效果是：防动物干细胞液飞溅射、充分混匀培养液和动物干细胞液、提高动物干细胞生长速度。
Description
技术领域
本发明涉及生物设备的技术领域，特别是基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器。
背景技术
生物反应器，指以活细胞或酶为生物催化剂进行细胞增殖或生化反应提供适宜环境的设备，它是生物反应过程中的关键设备。从生物反应过程说，专为动物干细胞大量培养用的生物反应器，称为动物干细胞培养生物反应器。动物干细胞培养生物反应器，由于为细胞生长提供了一个适宜、可控的生长环境，并能够扩大生产规模，符合生物制品生产要求，使动物干细胞工业化大规模培养成为可能。
动物干细胞培养生物反应器包括罐体和搅拌装置，罐体顶部设置有培养液进液口和动物干细胞液进液口，搅拌装置包括电机、搅拌轴和叶片，电机固设于罐体的顶部，电机的输出轴伸入于罐体内，叶片安装于搅拌轴上，进行配液动物干细胞时，先经动物干细胞液进液口向罐体内注入一定量的动物干细胞液，随后关闭动物干细胞液进液口，然后经培养液进液口向罐体内注入一定量的培养液，最后打开电机，电机带动搅拌轴转动，搅拌轴带动叶片转动，叶片搅动动物干细胞液和培养液，以使每个动物干细胞均能吸收到培养液，进而确保动物干细胞正常生长，当搅拌一段时间后关闭电机。
然而，这种动物干细胞培养生物反应器虽然能够培养动物干细胞，但是仍然存在以下缺陷：1、当向罐体内注入培养液后，培养液将动物干细胞液溅射起来，溅射起来的动物干细胞液中的动物干细胞大量附着于罐体的内壁上，造成这部分动物干细胞无法流入到动物干细胞液中而死去，从而导致动物干细胞的数量显著下降。2、通过单一的叶片搅动动物干细胞液和培养液，虽然能够使培养液混合到动物干细胞中，但是叶片是做离心运动的，在离心力下，大量的培养液被叶片刮到罐体的内壁上，造成动物干细胞液并没有与培养液充分混合均匀，导致位于罐体中部区域内的动物干细胞大量死去，进一步的降低了动物干细胞的数量，存在动物干细胞存活率低的缺陷。3、罐体内盛装动物干细胞液的体积大，相应的动物干细胞生长过程中所产生的代谢物也多，大量的代谢物无疑是抑制了动物干细胞生产速度。因此，亟需防动物干细胞液飞溅射、充分混匀培养液和动物干细胞液、提高动物干细胞生长速度的反应器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供结构紧凑、防动物干细胞液飞溅射、充分混匀培养液和动物干细胞液、提高动物干细胞生长速度的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，它包括筒体和设置于筒体内的罐体，罐体的顶部经铰链座铰接于筒体的顶部上，罐体下方设置有密封盖，密封盖的顶部开设有多个凹槽，每个凹槽内均嵌入有培养皿，罐体内设置有可沿其轴向滑动的滑环；
所述滑环与罐体的顶部之间设置有升降机构，升降机构的活动部件固设于滑环上，滑环上设置有搅拌机构，搅拌机构包括固设于滑环顶部的动力单元I、旋转安装于滑环上且与培养皿上下对应的空心管，动力单元I的输出轴上安装有中心齿轮，空心管的上端部安装有位于滑环上方的从动齿轮，从动齿轮与中心齿轮相啮合，空心管的下端部贯穿滑环设置，且延伸端上固设有叶片，空心管的下端部焊接有位于叶片外部的锥形罩；
所述罐体与筒体之间设置有摇晃机构，摇晃机构包括弹簧、固设于筒体外侧壁上的动力单元II、开设于筒体上的通槽、固设于罐体右侧外壁上的固定座，弹簧的一端固设于罐体的左侧外壁上，另一端固设于筒体的左侧内壁上，固定座的右端面上开设有弧形槽，动力单元II固设于筒体的右侧外壁上，动力单元II的输出轴上安装有凸轮，凸轮贯穿通槽设置，且其外轮廓在弹簧的弹力下与弧形槽相接触。
所述滑环的外边缘上套设有密封环，密封环与罐体的内壁滑动配合。
所述升降机构为丝杆螺母副，丝杆螺母副包括机架、伺服电机、丝杆和螺母，机架的上端部固设于罐体的顶部，丝杆垂向设置，且其两端均旋转安装于机架内，螺母螺纹连接于丝杆上，螺母上焊接有连接杆，连接杆的底端焊接于滑环上，伺服电机固设于机架的下端部，伺服电机的输出轴与丝杆的下端部经联轴器连接，所述活动部件为螺母。
所述罐体的外侧壁上且沿其周向上固设有多个升降气缸，升降气缸的活塞杆固设于密封盖的外边缘上。
所述锥形罩的外径等于培养皿的内径。
所述罐体内还焊接有位于滑环下方的隔板，隔板的底表面上开设有多个与培养皿上下对应的台阶孔，台阶孔的大孔直径与培养皿的外径相等，台阶孔的小孔直径与锥形罩的外径相等。
它还包括培养液输送系统，培养液输送系统包括连接于各个空心管顶端口上的旋转接头、固设于筒体顶部的培养液储槽和泵，旋转接头的另一端连接有软管，软管的另一端顺次贯穿罐体的顶部、筒体的顶部且与泵的出口端连接，泵的抽液口与培养液储槽连通。
所述动力单元I包括固设于滑环顶表面上的电机I和减速器I，电机I的的输出轴与减速器I的输入轴经联轴器连接，减速器I的顶部设置有输出轴，所述中心齿轮安装于减速器I的输出轴上；所述动力单元II包括电机II和减速器II，减速器II固设于筒体的右侧外壁上，且设置于通槽的下方，电机II固设于减速器II上，且电机II的输出轴与减速器II的输入轴经联轴器连接，所述减速器II的顶部设置有输出轴，所述凸轮安装于减速器II的输出轴上。
所述罐体的内壁上且位于滑环和隔板之间设置有温度传感器、氧气检测仪和压力传感器。
它还包括控制器和转换器，转换器的输出接口与控制器的输入接口电连接，温度传感器、氧气检测仪和压力传感器的接口贯穿罐体且与转换器的输入接口电连接，所述控制器还与升降气缸的电磁阀、伺服电机、泵、电机I和电机II电连接。
本发明具有以下优点：
1、本发明的搅拌机构包括固设于滑环顶部的动力单元I、旋转安装于滑环上且与培养皿上下对应的空心管，动力单元I的输出轴上安装有中心齿轮，空心管的上端部安装有位于滑环上方的从动齿轮，从动齿轮与中心齿轮相啮合，空心管的下端部贯穿滑环设置，且延伸端上固设有叶片；摇晃机构包括弹簧、固设于筒体外侧壁上的动力单元II、开设于筒体上的通槽、固设于罐体右侧外壁上的固定座，弹簧的一端固设于罐体的左侧外壁上，另一端固设于筒体的左侧内壁上，固定座的右端面上开设有弧形槽，动力单元II固设于筒体的右侧外壁上，动力单元II的输出轴上安装有凸轮，凸轮贯穿通槽设置，且其外轮廓在弹簧的弹力下与弧形槽相接触；动物干细胞液和培养液既在晃动机构的作用下左右晃动，又在叶片的搅动下离心混合，从而使培养皿内的动物干细胞液和培养液充分混合均匀，从而使每个动物干细胞均能吸收培养液中的营养物，有效的提升了动物干细胞的数量，进而极大的提高了动物干细胞的存活率。
2、本发明的滑环与罐体的顶部之间设置有升降机构，升降机构的活动部件固设于滑环上，滑环上设置有搅拌机构；控制伺服电机启动，伺服电机带动丝杆转动，螺母沿着丝杆向下运动，螺母带动连接杆向下运动，连接杆带动滑环沿着罐体的轴向向下运动，滑环带动动力单元I、空心管、锥形罩和叶片同步向下运动，叶片穿过台阶孔而进入到培养皿内，由于空心管伸入到动物干细胞液中，即没有存在高度落差，从而确保了注入到动物干细胞液内的培养液不会使动物干细胞液飞溅到培养皿的内壁上，相比传统的生物反应器，有效的避免了在注入培养液过程中，动物干细胞的数量显著减少。
3、本发明将原有在一个大罐体内培养动物干细胞的方式分流在两个培养皿中培养，从而减少了动物干细胞代谢物的产出量，即可避免代谢物抑制了动物干细胞生产速度，从而极大的提高了动物干细胞的生长速度。
4、本发明的罐体的内壁上且位于滑环和隔板之间设置有温度传感器、氧气检测仪和压力传感器，它还包括控制器和转换器，转换器的输出接口与控制器的输入接口电连接，温度传感器、氧气检测仪和压力传感器的接口贯穿罐体且与转换器的输入接口电连接，温度传感器、氧气检测仪和压力传感器将检测到的温度、氧含量和压力经数据线传递给转换器，转换器再将数据传递给控制器，工作人员即可直观的监控培养皿内所培养动物干细胞的生产情况，为工作人员的研究提供了可靠数据。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的A向视图；
图4为隔板的结构示意图；
图5为图4的仰视图；
图6为摇晃机构的结构示意图；
图7为图6的B向视图；
图8为搅拌机构与升降机构的安装示意图；
图9为图8的I部局部放大视图；
图10为密封盖盖合于罐体上的示意图；
图11为图10的II部局部放大视图；
图12为叶片搅动和注入培养液的示意图；
图13为图12的III部局部放大视图；
图14为本发明的控制原理图；
图中，1-筒体，2-罐体，3-密封盖，4-凹槽，5-培养皿，6-铰链座，7-滑环，8-升降机构，9-搅拌机构，10-动力单元I，11-空心管，12-中心齿轮，13-从动齿轮，14-叶片，15-锥形罩，16-弹簧，17-动力单元II，18-通槽，19-固定座，20-弧形槽，21-凸轮，22-密封环，23-机架，24-伺服电机，25-丝杆，26-螺母，27-升降气缸，28-隔板，29-台阶孔，30-旋转接头，31-培养液储槽，32-泵，33-电机I，34-减速器I，35-电机II，36-减速器II，37-温度传感器，38-氧气检测仪，39-压力传感器，40-控制器，41-转换器，42-连接杆，43-软管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述：
如图1～9所示，基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，它包括筒体1和设置于筒体1内的罐体2，罐体2的顶部经铰链座6铰接于筒体1的顶部上，罐体2下方设置有密封盖3，密封盖3的顶部开设有多个凹槽4，每个凹槽4内均嵌入有培养皿5，罐体2内设置有可沿其轴向滑动的滑环7。
所述滑环7与罐体2的顶部之间设置有升降机构8，升降机构8的活动部件固设于滑环7上，滑环7上设置有搅拌机构9，搅拌机构9包括固设于滑环7顶部的动力单元I10、旋转安装于滑环7上且与培养皿5上下对应的空心管11，动力单元I10的输出轴上安装有中心齿轮12，空心管11的上端部安装有位于滑环7上方的从动齿轮13，从动齿轮13与中心齿轮12相啮合，空心管11的下端部贯穿滑环7设置，且延伸端上固设有叶片14，空心管11的下端部焊接有位于叶片14外部的锥形罩15，所述锥形罩15的外径等于培养皿5的内径。所述动力单元I10包括固设于滑环7顶表面上的电机I33和减速器I34，电机I33的的输出轴与减速器I34的输入轴经联轴器连接，减速器I34的顶部设置有输出轴，所述中心齿轮12安装于减速器I34的输出轴上。
所述罐体2与筒体1之间设置有摇晃机构，摇晃机构包括弹簧16、固设于筒体1外侧壁上的动力单元II17、开设于筒体1上的通槽18、固设于罐体2右侧外壁上的固定座19，弹簧16的一端固设于罐体2的左侧外壁上，另一端固设于筒体1的左侧内壁上，固定座19的右端面上开设有弧形槽20，动力单元II17固设于筒体1的右侧外壁上，动力单元II17的输出轴上安装有凸轮21，凸轮21贯穿通槽18设置，且其外轮廓在弹簧16的弹力下与弧形槽20相接触。所述滑环7的外边缘上套设有密封环22，密封环22与罐体2的内壁滑动配合。所述动力单元II17包括电机II35和减速器II36，减速器II36固设于筒体1的右侧外壁上，且设置于通槽18的下方，电机II35固设于减速器II36上，且电机II35的输出轴与减速器II36的输入轴经联轴器连接，所述减速器II36的顶部设置有输出轴，所述凸轮21安装于减速器II36的输出轴上。
所述升降机构8为丝杆螺母副，丝杆螺母副包括机架23、伺服电机24、丝杆25和螺母26，机架23的上端部固设于罐体2的顶部，丝杆25垂向设置，且其两端均旋转安装于机架23内，螺母26螺纹连接于丝杆25上，螺母26上焊接有连接杆42，连接杆42的底端焊接于滑环7上，伺服电机24固设于机架23的下端部，伺服电机24的输出轴与丝杆25的下端部经联轴器连接，所述活动部件为螺母26。
所述罐体2的外侧壁上且沿其周向上固设有多个升降气缸27，升降气缸27的活塞杆固设于密封盖3的外边缘上，所述罐体2内还焊接有位于滑环7下方的隔板28，隔板28的底表面上开设有多个与培养皿5上下对应的台阶孔29，台阶孔29的大孔直径与培养皿5的外径相等，台阶孔29的小孔直径与锥形罩15的外径相等。
它还包括培养液输送系统，培养液输送系统包括连接于各个空心管11顶端口上的旋转接头30、固设于筒体1顶部的培养液储槽31和泵32，旋转接头30的另一端连接有软管43，软管43的另一端顺次贯穿罐体2的顶部、筒体1的顶部且与泵32的出口端连接，泵32的抽液口与培养液储槽31连通。
所述罐体2的内壁上且位于滑环7和隔板28之间设置有温度传感器37、氧气检测仪38和压力传感器39，它还包括控制器40和转换器41，转换器41的输出接口与控制器40的输入接口电连接，温度传感器37、氧气检测仪38和压力传感器39的接口贯穿罐体2且与转换器41的输入接口电连接，所述控制器40还与升降气缸27的电磁阀、伺服电机24、泵32、电机I33和电机II35电连接。
本发明的工作过程如下：
S1、将原有的动物干细胞液分成两份，并分别装入到两个培养皿5中如图1～2所示；
S2、控制升降气缸27使其活塞杆缩回，升降气缸27带动密封盖3向上运动，密封盖3带动培养皿5向上运动，当活塞杆完全缩回后，密封盖3将罐体2的下端口封闭住，同时培养皿5的上端口嵌入于台阶孔29的大孔内，以实现培养皿5的固定如图10～11所示；
S3、控制伺服电机24启动，伺服电机24带动丝杆25转动，螺母26沿着丝杆25向下运动，螺母26带动连接杆42向下运动，连接杆带动滑环7沿着罐体2的轴向向下运动，滑环7带动动力单元I10、空心管11、锥形罩15和叶片14同步向下运动，叶片14穿过台阶孔29而进入到培养皿5内，同时锥形罩15贯穿台阶孔29进入到培养皿5内如图12～13所示；
S4、培养液的注入，控制泵32启动，泵32将培养液储槽31内的培养液抽出，抽出的培养液顺次经软管43、旋转接头30、空心管11的内腔、空心管11的末端口进入到培养皿5内，从而实现了培养液的注入如图12～13所示；由于空心管11伸入到动物干细胞液中，即没有存在高度落差，从而确保了注入到动物干细胞液内的培养液不会使动物干细胞液飞溅到培养皿5的内壁上，相比传统的生物反应器，有效的避免了在注入培养液过程中，动物干细胞的数量显著减少；
S5、控制电机I33和电机II35启动，电机I33的转矩经减速器I34减速后带动中心齿轮12转动，中心齿轮12带动从动齿轮13转动，从动齿轮13带动空心管11转动，空心管11带动叶片14和锥形罩15同步转动，叶片14开始混合动物干细胞液和培养液，同时电机II35的转矩经减速器II36减速后带动凸轮21转动，凸轮21驱动固定座19绕着罐体2顶部与筒体1顶部的铰接点左右晃动，从而使培养皿5晃动，进而使培养皿5内的动物干细胞液和培养液左右晃动，其中锥形罩15用于防止液体直接飞溅到培养皿5的外部；因此，动物干细胞液和培养液既在晃动机构的作用下左右晃动，又在叶片14的搅动下离心混合，从而使培养皿5内的动物干细胞液和培养液充分混合均匀，从而使每个动物干细胞均能吸收培养液中的营养物，有效的提升了动物干细胞的数量，进而极大的提高了动物干细胞的存活率；
S6、经一段时间的混合后，关闭电机I33和电机II35；在培养过程阶段，温度传感器37、氧气检测仪38和压力传感器39实时检测罐体2内的温度、氧含量和压力，温度传感器37、氧气检测仪38和压力传感器39将检测到的温度、氧含量和压力经数据线传递给转换器41，转换器41再将数据传递给控制器40如图14所示，此时工作人员即可直观的监控培养皿5内所培养动物干细胞的生产情况，为工作人员的研究提供了可靠数据。
此外，该生物反应器将原有在一个大罐体内培养动物干细胞的方式分流在两个培养皿5中培养，从而减少了动物干细胞代谢物的产出量，即可避免代谢物抑制了动物干细胞生产速度，从而极大的提高了动物干细胞的生长速度。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：它包括筒体(1)和设置于筒体(1)内的罐体(2)，罐体(2)的顶部经铰链座(6)铰接于筒体(1)的顶部上，罐体(2)下方设置有密封盖(3)，密封盖(3)的顶部开设有多个凹槽(4)，每个凹槽(4)内均嵌入有培养皿(5)，罐体(2)内设置有可沿其轴向滑动的滑环(7)；
所述滑环(7)与罐体(2)的顶部之间设置有升降机构(8)，升降机构(8)的活动部件固设于滑环(7)上，滑环(7)上设置有搅拌机构(9)，搅拌机构(9)包括固设于滑环(7)顶部的动力单元I(10)、旋转安装于滑环(7)上且与培养皿(5)上下对应的空心管(11)，动力单元I(10)的输出轴上安装有中心齿轮(12)，空心管(11)的上端部安装有位于滑环(7)上方的从动齿轮(13)，从动齿轮(13)与中心齿轮(12)相啮合，空心管(11)的下端部贯穿滑环(7)设置，且延伸端上固设有叶片(14)，空心管(11)的下端部焊接有位于叶片(14)外部的锥形罩(15)；
所述罐体(2)与筒体(1)之间设置有摇晃机构，摇晃机构包括弹簧(16)、固设于筒体(1)外侧壁上的动力单元II(17)、开设于筒体(1)上的通槽(18)、固设于罐体(2)右侧外壁上的固定座(19)，弹簧(16)的一端固设于罐体(2)的左侧外壁上，另一端固设于筒体(1)的左侧内壁上，固定座(19)的右端面上开设有弧形槽(20)，动力单元II(17)固设于筒体(1)的右侧外壁上，动力单元II(17)的输出轴上安装有凸轮(21)，凸轮(21)贯穿通槽(18)设置，且其外轮廓在弹簧(16)的弹力下与弧形槽(20)相接触。
2.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：所述滑环(7)的外边缘上套设有密封环(22)，密封环(22)与罐体(2)的内壁滑动配合。
3.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：所述升降机构(8)为丝杆螺母副，丝杆螺母副包括机架(23)、伺服电机(24)、丝杆(25)和螺母(26)，机架(23)的上端部固设于罐体(2)的顶部，丝杆(25)垂向设置，且其两端均旋转安装于机架(23)内，螺母(26)螺纹连接于丝杆(25)上，螺母(26)上焊接有连接杆(42)，连接杆(42)的底端焊接于滑环(7)上，伺服电机(24)固设于机架(23)的下端部，伺服电机(24)的输出轴与丝杆(25)的下端部经联轴器连接，所述活动部件为螺母(26)。
4.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：所述罐体(2)的外侧壁上且沿其周向上固设有多个升降气缸(27)，升降气缸(27)的活塞杆固设于密封盖(3)的外边缘上。
5.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：所述锥形罩(15)的外径等于培养皿(5)的内径。
6.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：所述罐体(2)内还焊接有位于滑环(7)下方的隔板(28)，隔板(28)的底表面上开设有多个与培养皿(5)上下对应的台阶孔(29)，台阶孔(29)的大孔直径与培养皿(5)的外径相等，台阶孔(29)的小孔直径与锥形罩(15)的外径相等。
7.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：它还包括培养液输送系统，培养液输送系统包括连接于各个空心管(11)顶端口上的旋转接头(30)、固设于筒体(1)顶部的培养液储槽(31)和泵(32)，旋转接头(30)的另一端连接有软管(43)，软管(43)的另一端顺次贯穿罐体(2)的顶部、筒体(1)的顶部且与泵(32)的出口端连接，泵(32)的抽液口与培养液储槽(31)连通。
8.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：所述动力单元I(10)包括固设于滑环(7)顶表面上的电机I(33)和减速器I(34)，电机I(33)的的输出轴与减速器I(34)的输入轴经联轴器连接，减速器I(34)的顶部设置有输出轴，所述中心齿轮(12)安装于减速器I(34)的输出轴上；所述动力单元II(17)包括电机II(35)和减速器II(36)，减速器II(36)固设于筒体(1)的右侧外壁上，且设置于通槽(18)的下方，电机II(35)固设于减速器II(36)上，且电机II(35)的输出轴与减速器II(36)的输入轴经联轴器连接，所述减速器II(36)的顶部设置有输出轴，所述凸轮(21)安装于减速器II(36)的输出轴上。
9.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：所述罐体(2)的内壁上且位于滑环(7)和隔板(28)之间设置有温度传感器(37)、氧气检测仪(38)和压力传感器(39)。
10.根据权利要求1所述的基于物联网的搅拌式动物干细胞培养生物反应器，其特征在于：它还包括控制器(40)和转换器(41)，转换器(41)的输出接口与控制器(40)的输入接口电连接，温度传感器(37)、氧气检测仪(38)和压力传感器(39)的接口贯穿罐体(2)且与转换器(41)的输入接口电连接，所述控制器(40)还与升降气缸(27)的电磁阀、伺服电机(24)、泵(32)、电机I(33)和电机II(35)电连接。
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