DD217786A1 - METHOD FOR OBTAINING BIOGAS FROM GUELLE OR CLAUSE SLUDGE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Energie in Form von Biogas durch Kultivierung von Bakterien auf Guelle oder Klaerschlamm. Nach den bekannten Verfahren der anaeroben Fermentation von Guelle oder Klaerschlamm sind zur Aufrechterhaltung der Stoffwechseltaetigkeit der Methanbakterien im mesophilen Bereich 30 bis 50 % der erhaltenen Energiemenge im Jahresmittel als Prozessenergie notwendig, was die Effizienz von Verfahren zur Erzeugung von Biogas stark herabmindert. Desweiteren sind mikrobiell schwer abbaubare Inhaltsstoffe der Guelle bzw. des Klaerschlammes wie Lignozellulosen u. a. fuer die Methanbildung nicht nutzbar. Das Ziel der Erfindung besteht darin, durch eine fermentative Vorbehandlung schwer zugaengliche Inhaltsstoffe der Guelle oder des Klaerschlammes aufzuschliessen und die Waerme des exergonisch ablaufenden aeroben Voraufschlusses als Prozessenergie zu nutzen. Das Ziel wird erreicht, indem die Guelle in einer aeroben Vorstufe einer intensiven Belueftung unterzogen wird. Die dabei freiwerdende Waerme dient als Prozessenergie fuer die nachfolgende anaerobe Stufe, es liegt also der ideale Fall vor, dass Substrat und Waermetraeger in einer Komponente vereinigt sind. Die aerobe Vorstufe ist mikrobiologisch durch eine Mischpopulation gekennzeichnet, in der potente fermentative Kulturen eine dominante Rolle spielen. Dabei werden Bestandteile der organischen Substanz der Methanbildung zugaenglich gemacht, die ohne Vorbehandlung nicht genutzt werden. Dieser freiwerdende Anteil an organischer Substanz betraegt ein Vielfaches von dem Anteil, der durch Oxydation zu Kohlendioxid (Betriebsstoffwechsel) fuer die Erwaermung der Guelle verbraucht wird. Die Erfindung kann in Anlagen der Tierproduktion, in denen Guelle anfaellt, sowie zur Klaerschlammkonditionierung genutzt werden.The invention relates to a method for obtaining energy in the form of biogas by culturing bacteria on bark or sewage sludge. According to the known methods of anaerobic fermentation of guelle or Klaerschlamm 30 to 50% of the energy received in the mesophilic range to maintain the metabolic activity of Methanbakterien in the annual average as process energy necessary, which greatly reduces the efficiency of processes for the production of biogas. Furthermore, microbially poorly degradable ingredients of the galleon or Klaerschlammes such as lignocelluloses u. a. not usable for methane formation. The aim of the invention is to close by digestive pretreatment difficult to access ingredients of the bark or Klaerschlammes and to use the heat of exergonic expired aerobic Voraufschlusses as process energy. The goal is achieved by subjecting the bark to intensive ventilation in an aerobic precursor. The released heat serves as process energy for the subsequent anaerobic stage, so it is the ideal case that substrate and heat carrier are combined in one component. The aerobic precursor is microbiologically characterized by a mixed population in which potent fermentative cultures play a dominant role. In this case, components of the organic substance of methane formation are made accessible, which are not used without pretreatment. This released amount of organic matter is a multiple of the proportion that is consumed by oxidation to carbon dioxide (fuel change) for the heating of the guelle. The invention may be used in animal production facilities where guelle is found and for sludge conditioning.
Description
Titel der Erfindung . Title of the invention.
Verfahren zur Gewinnung von Biogas aus Gülle oder KlärschlammProcess for the production of biogas from manure or sewage sludge
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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung besteht in einer Kombination aerober und anaerober Verfahrenaschritte zur Erzeugung von B(iogas aus Gülle oder Klärschlamm, insbesondere von Rinder- und Schweinegülle bei gleichzeitiger Reduzierung unerwünschter Inhaltestoffe. Die Erfindung gehört in das Gebiet der .technischen Mikrobiologie und kann in Anlagen der industriellen Tierproduktion sowie allen Anlagen, in denen Güllje bzw. Klärschlamm anfallen, genutzt werden·The invention consists in a combination of aerobic and anaerobic process steps for the production of B ( iogas from liquid manure or sewage sludge, in particular from bovine and pig manure with at the same time reduction of unwanted contents substances.The invention belongs to the field of technical microbiology and can be used in plants of industrial animal production and all plants in which Güllje or sewage sludge are produced.
Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions
Die bekannten Erfindungsbeschreibungen mit einer Kombination aerober und anaerober Verfahrensschritte haben die Zielstellung der Konditionierung kommunaler Abwasserschlämme. Die in JDE 28 05 054 dargelegte Erfindung beschreibt ein Verfahren zum Abbau von Schlamm, bei dem wenigstens ein Teil des Schlammes durch mindestens zwei abgedeckte Abbauzonen geleitet und dabei unter Bildung von stabilisiertem Schlamm und Methangas nacheinander aeroben und anaeroben Bedingungen ausgesetzt wird.The known invention descriptions with a combination of aerobic and anaerobic process steps have the objective of conditioning municipal sewage sludge. The invention set forth in JDE 28 05 054 describes a method of sludge removal in which at least a portion of the sludge is passed through at least two covered mining zones exposed sequentially to aerobic and anaerobic conditions to form stabilized sludge and methane gas.
In der ersten abgedeckten Abbauzone werden der Schlamm und ein mindestens 50 Vol. % Sauerstoff enthaltendes Belüftungsgas eingeleitet, wobei der Schlamm bei eine* Temperatur im thermbphilen Bereich von 450C bis 750C gehalten wird.In the first covered degradation zone the slurry and at least 50 vol% oxygen. Launched containing ventilation gas, wherein the slurry at a temperature in the thermbphilen * range from 45 0 C to 75 0 C.
, ' ' ;': - 2 - · .' ' ' ·. · ' Dazu muß der Schlamm vorgewärmt werden, wozu ein Teil des aus der zweiten .Abbaus.tufθ anfallenden Methangases notwendig ist. Während einer Verweildauer von 4 bis 48 Stunden tritt eine teilweise Verminderung des Gehaltes an biologisch abbaufähigen flüchtigen Schwebstoffen ein., '';' : - 2 - ·.''' ·. · For this purpose, the sludge must be preheated, to which a part of the methane gas produced from the second .Abbaus.tufθ is necessary. During a residence time of 4 to 48 hours, a partial reduction in the content of biodegradable volatile suspended matter occurs.
Der teilstabiliaierte Schlamm wird in einer zweiten Abbauzone bei einer Temperatur von 350C bis 400C unter anaeroben Bedingungen ausgefault und dabei biologisch weiter abgebaut. Dieses Verfahren beansprucht einen großen Teil des erhaltenen Klärga* ses zui? Prozeßführung für die erste Abbaustufe* Weiterhin ist die Bereitstellung eines Belüftungsgases mit einem Sauerstoffanteil von 50 Vol. % bis 30 Vol. % mit hohen Aufwendungen verbunden.The teilstabiliaierte sludge is digested in a second zone of degradation at a temperature of 35 0 C to 40 0 C under anaerobic conditions and thereby biodegraded further. This process claims a large part of the received sewage system? Process control for the first stage of decomposition * Furthermore, the provision of a ventilation gas with an oxygen content of 50 vol. % To 30 vol. % Is associated with high expenses.
Auch das in DE -OS 15 84 958 beschriebene Verfahren hat als technologische Zielstellung die Stabilisierung von Klärschlamm. Erfindungsgemäß wird die Zielstellung dadurch gelöst, daß der aeroben Schlammstabilisierung eine anaerobe nachgeschaltet ist, um die nach der aeroben Stufe verbleibenden Reste organischer Substanz fast vollständig zu mineralisieren. Dabei wird der Klärschlamm nach längerer Belüftung durch mehrere Faultürme geleitet, wobei auch Huminstoffe völlig zersetzt werden sollen.Also, the method described in DE-OS 15 84 958 has as a technological goal the stabilization of sewage sludge. According to the invention the object is achieved in that the aerobic sludge stabilization is followed by an anaerobic, to mineralize almost completely after the aerobic stage remains of organic matter. The sewage sludge is passed through several digestion towers after prolonged ventilation, whereby humic substances are also to be completely decomposed.
Der Aufwand an Energie für diese Schlammineralisierung ist erheblich und nur in sehr kleinen Größenordnungen realisierbar»The energy required for this sludge mineralization is considerable and can only be realized on very small scales »
Ziel der ErfindungObject of the invention
Ziel der Erfindung ist die Gewinnung von Biogas aus Gülle oder Klärschlamm, wobei durch eine fermentative Vorbehandlung die spezifische Biogasausbeute erheblich erhöht wird und die während der aeroben Vorbehandlung anfallende Wärme als Prozeßenergie für die anaerobe Fermentationsstufe genutzt wird. Gleichzeitig werden Gülle bzw. Klärschlamm von umweltbelastenden Inhaltsstoffen befreit· .The aim of the invention is the production of biogas from liquid manure or sewage sludge, whereby the specific biogas yield is considerably increased by a fermentative pretreatment and the heat arising during the aerobic pretreatment is used as process energy for the anaerobic fermentation stage. At the same time manure or sewage sludge are released from polluting ingredients.
Darlegung des Wesens der Erfindung -Explanation of the essence of the invention
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, die in der Gülle bzw. im Klärschlamm vorhandenen organischen Inhaltsstoffe maximal für die mikrobielle Biogassynthese zu nutzen sowie den Aufwand an zuzuführender Prozeßenergie drastisch zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Gülle oder der Klärschlamm vor der eigentlichen anaeroben Gärung einer fermentativen Vorbehandlung unter aeroben Bedingungen unterzogen wird. Durch diese Vorbehandlung wird eine maximale mikrobielle Biogassynthese bei gleichzeitigem maximalem Abbau organischer und anorganischer Inhaltsstoffe mit Hilfe von Bakterien erreicht. Der Abbau der organischen Inhaltsstoffe ist über den BSBc bestimmbar und der so ermittelte Abbaugrad kann 90 % betragen. :·': ":'. '. ' -. . - .' ,..-. ",The object of the invention is to use the organic ingredients present in the liquid manure or sewage sludge at maximum for the microbial biogas synthesis and to drastically reduce the expenditure of process energy to be supplied. According to the invention the object is achieved in that the manure or the sewage sludge is subjected before the actual anaerobic fermentation of a fermentative pretreatment under aerobic conditions. This pre-treatment achieves maximum microbial biogas synthesis with simultaneous maximum degradation of organic and inorganic ingredients with the help of bacteria. The decomposition of the organic constituents can be determined via the BODC and the degree of degradation determined can be 90 % . : ' : ': '.'. '-. -.' , ..-. ",
Durch die aerobe Vorbehandlung werden leicht veratembare Inhaltsstoffe der' Gülle bzw· des Klärschlammes mit Hilfe von Luftsauerstoff zu Kohlendioxid oxydiert, die dabei frei werdende Energie erwärmt die Giille in Abhängigkeit von der Sauer-r stoffzufuhr. Durch diese Erwärmung entfällt die Zufuhr externer Prozeßenergie. Die dabei für die Methanbildung nicht mehr verfügbare Menge veratmeter organischer Substanz wird durch:den AufSchluß'sonst für die Methanbildung nicht zugänglicher Inr •hai fs stoffe mehr als kompensiert·The aerobic pretreatment easily veratembare ingredients of the manure or the sewage sludge with the help of atmospheric oxygen to carbon dioxide oxidized, the released energy heats the Giille depending on the oxygen supply. This heating eliminates the supply of external process energy. The amount of organic matter that is no longer available for methane formation is more than compensated for by: the digestion, which is otherwise inaccessible to methane formation.
Bei der Lösung der Aufgabe werden bereits bekannte Elemente aerober und anaerober Güllereinigungsteehnologien sowie der Klärschlammkonditionierung so kombiniert und weiterentwickelt bzw. modifiziert, daß sich insgesamt ein geschlossener Verfah-/ renszug ergibt.In the solution of the problem already known elements of aerobic and anaerobic slurry cleaning technologies and sewage sludge conditioning are combined and further developed or modified so that the overall result is a closed process train.
Jede Fermentationsstufe hat einen spezifischen Anteil am Ge<samtprozeß. 'Each fermentation stage has a specific share in the overall process. '
Der tragende Gedanke der Erfindung ist, eine optimale Biogasproduktion ohne Zusatz externer oder aus dem erzeugten Biogas gewonnener Energieträger (Warmwasser, Dampf etc.) zu realisieren und so die Zielstellung nicht nur prinzipiell, sondern auch energiewirtschaftlich und damit ökonomisch akzeptabel zu verwirklichen·The main idea of the invention is to realize an optimal biogas production without the addition of external energy sources (hot water, steam, etc.) obtained from the produced biogas and thus to achieve the objective not only in principle, but also in terms of energy and thus economically acceptable.
In dem erfindungsgemäßeη Verfahren erfolgt die Verwertung der Inhaltsstoffe der Gülle oder des Klärschlammes durch eine kontinuierliche Fermentation in 2 Verfahrens schritten-· Im ersten Abschnitt wird in die Gülle/den Klärschlamm mittels eines Belüftungsaggregates in einem geschlossenen Behälter intensiv Luftsauer stoff eingetragen· Dabei erwärmt sich das Reaktionsmedium auf 300C bis 450Cy die Fermentation verläuft im schwach alkalischen Bereich. Die Belüftungsintensität und damit die Wärmetönung der Reaktion wird in bestimmten Grenzen geregelt«.In the method according to the invention, the recycling of the ingredients of the liquid manure or of the sewage sludge is carried out by continuous fermentation in 2 process steps. In the first section, intensive air-acid substance is introduced into the liquid manure / sewage sludge by means of an aeration aggregate in a closed container Reaction medium to 30 0 C to 45 0 Cy the fermentation proceeds in the weakly alkaline range. The ventilation intensity and thus the heat of reaction is regulated within certain limits. "
Durch die Wahl eines Rundbehälters mit optimalem Verhältnis zwischen Volumen und Oberfläche werdenWärmeVerluste durch Abstrahlung auf ein Mindestmaßreduziert· Die aerobe Vorstufe ist mikrobiologisch durch eine synthrophe Mischpopulation mit wirksamen fermentativen Bakterienkulturen gekennzeichnet, die in der zweiten Stufe infolge Sauerstoffmangels absterben und so der Methangärung voll zugänglich werden· " ' · '.>':.: ' "· ' ''' ' -.' ' Die Prozeßführung der ersten Stufe ist über den Sauer stoffeintrag steuerbar, der aus der Zuluftmenge und der Sauerstoffkonzentration in der Abluft leicht bestimmbar Ist· Durch die aerobe Vorbehandlung werden der Methanbildung nicht zugängliche Inhaltsstoffe der Gülle oder des Klärschlammes wie durch Lignin krustierte Zellulosen bakteriell verwertbar, was über den BSBc analytisch verfolgt werden kann· Durch hohe BSBC-Werte sowie die hohe mikrobielle Aktivität verlieren die Gülle oder der Klärschlamm sofort nach Verlassen des Belüftungsbehälters ihren aeroben Charakter, das heißt, daß das für die Stoffwechsel tat igke it der Anaerobier der zweiten Verfahrensstufe notwendige sauerstofffreie Milieu durch den "sauerstoffzehrenden" Charakter belüfteter Gülle bzw· belüfteten Klärschlammes voll gewährleistet wird·The aerobic precursor is microbiologically characterized by a synthetic mixed population with effective fermentative bacterial cultures, which die off in the second stage due to lack of oxygen and thus become fully accessible to methane fermentation · '' · '.>':.: '"· ''''' -. ' The process control of the first stage is controllable via the oxygen input, which can be easily determined from the supply air quantity and the oxygen concentration in the exhaust air. The aerobic pretreatment makes bacterial useful ingredients of the liquid manure or of the sewage sludge not accessible to methane formation, such as lignin-crusted celluloses. What can be followed analytically via the BODC? Due to high BOD C values as well as the high microbial activity, the liquid manure or the sewage sludge immediately lose their aerobic character after leaving the aeration tank, that is, the activity of the anaerobes of the second Required oxygen-free environment by the "oxygen-depleting" character of aerated liquid manure or aerated sewage sludge is fully guaranteed
In der zweiten Stufe werden die organischen Inhaltsstoffe des vorbehandelten Reaktionsmediums durch eine synthrophe Mischkultur fermentativer, acetogener und methanogener BakterienIn the second stage, the organic ingredients of the pretreated reaction medium by a synthrophic mixed culture of fermentative, acetogenic and methanogenic bacteria
unter anaerobeh Bedingungen im mesophilen Bereich teilweise in Methan und Kohlendioxid umgewandelt· Der Permentationsprozeß ist gekennzeichnet durchpartially converted into methane and carbon dioxide under anaerobic conditions in the mesophilic region. The process of fermentation is characterized by
- eine Temperatur von 3O0C bis 450C für den ere ten Verfahrens-'' schritt- A temperature of 3O 0 C to 45 0 C for the ere th procedural '' step
-. einen pH-Wert zwischen 7 und 9 für den ersten Verfahrensschritt-. a pH between 7 and 9 for the first process step
- einer mittleren Verweilzeit von 10 bis 20 Stunden für den ersten Verfahrensschritt- An average residence time of 10 to 20 hours for the first step
- einem Sauer stoffe intrag zwischen 120 bis 550 kg/hy .vorzugsweise 180 bis 300 kg/h für den ersten Verf ahrens schrittan oxygen content of between 120 and 550 kg / h, preferably 180 to 300 kg / h for the first step of the process
*- eine Temperatur von 240C bis 360C, vorzugsweise 290C bis 360C für die Methanbildung* - a temperature of 24 0 C to 36 0 C, preferably 29 0 C to 36 0 C for methane formation
- einen pH-Wert zwischen 7,5 und 9 für die Methanbildung- a pH between 7.5 and 9 for methane formation
- einer Verweilzeit zwischen 5 bis 35 Tagen, vorzugsweise 10 bis 25 Tagen für die Methanbildung# ,'/· Y. " '''~a residence time of between 5 to 35 days, preferably 10 to 25 days for the formation of methane #, '/ * Y "' '' '
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Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber gegenwärtig angewandten Verfahren zu anaeroben Gülleaufbereitung oder/ Klärschlammfaulung sind:The main advantages of the process over currently used methods for anaerobic slurry treatment or sewage sludge digestion are:
«Höhere spezifische Biogasausbeute pro Tonne eingesetzter organischer Trockensubstanz und damit erhebliche Erhöhung der Effizienz von Biogasanlagen durch aerobe Vorbehandlung«Higher specific biogas yield per tonne of organic dry matter used and thus considerable increase in the efficiency of biogas plants through aerobic pretreatment
- Drastische Reduzierung des Bedarfs an Prozeßenergie lediglich für die Antriebsleistung des Belüftungsaggregates sowie von Pumpen und Durchmischungsaggregaten.- Drastic reduction of the need for process energy only for the drive power of the aeration unit and of pumps and mixing units.
- Keine zusätzlichen Bauaufwendungen für die Erzeugung von Wärme trägern , ,- no additional construction costs for the production of heat carriers,
-Keine Verluste durch Wärmeübertragung, weil Wärmeträger und- No losses due to heat transfer, because heat transfer and
Substrat in einem Medium vereinigt sind -Verwendung von Luft sauer st off für die aerobe Vorbehandlung«Substrate are combined in one medium - use of air sour st off for aerobic pretreatment «
Ausführungsbeispiel ' ,Exemplary embodiment ',
Die im Rahmen des Verfahrensbeispieles eingesetzte Gülle entstammt einer industriellen Schweinezuchtanlage· Die Größenordnung und die Methoden der Tierhaltung einschließlichdes angewendeten Fütterungsregimes bedingen eine in bestimmten Grenzen gleichbleibende Zusammensetzung der Rohgülle mit Trockensubstanzgehalten zwischen 2,5 und 4 %* Im Ausführungsbeispiel wird eine Rohgülle mit folgenden Stoffkennwerten eingesetzt: TS 27,1 g/l; oTS 21,0 g/l; ops 5,2 g/l; IK 2,4 g/l; NHJ-K 1,2 g/l; BSB5 12,5 g/l. Die erste Fermentationsstufe verläuft kontinuierlich bei einer Temperatur von 380C bis 400C, einem pH-Wert von 7,8 und einer mittleren Verweilzeit von 12 bis 14 Stunden, wobei 200 bis 240 kg Sauerstoff pro Stunde (Zulauf 33 nr/h) in das Reaktionsmedium eingetragen werden· Dazu werden zum Betreiben des Belüftungsaggregates 120 bis 140 kWh Elektroenergie benötigt. Der Fermentorauslauf wird u.a. durch folgende Parameter beschrieben: TS 27,0 g/l; oTS 21,0 g/lj cps 3,5 g/l; % 2,3 g/1; fflJ-U 1,3 g/l; BSB5 15,3 g/l. Die aerob vorbehandelte Gülle wird anaerob mit mittleren Verweilzeiten im Permentor von 10 bia 20 Ta,gen behandelt· Die Fermentation verläuft bei einer Temperatur von 330C und einem pH-Wert von 8,3 bis 8,4·The slurry used in the process example comes from an industrial pig breeding plant · The size and methods of animal husbandry including applied feeding regime require a consistent within certain limits composition of the raw manure with dry matter contents between 2.5 and 4% * In the embodiment, a raw slurry is used with the following material properties : TS 27.1 g / l; OTS 21.0 g / l; o ps 5.2 g / l; I K 2.4 g / l; NHJ-K 1.2 g / l; BOD 5 12.5 g / l. The first fermentation stage runs continuously at a temperature of 38 0 C to 40 0 C, a pH of 7.8 and a mean residence time of 12 to 14 hours, with 200 to 240 kg of oxygen per hour (feed 33 nr / h) be entered into the reaction medium · For the operation of the ventilation unit 120 to 140 kWh of electrical energy is required. The fermenter outlet is described, inter alia, by the following parameters: TS 27.0 g / l; oTS 21.0 g / lj c ps 3.5 g / l; % 2.3 g / 1; fflJ-U 1.3 g / l; BOD 5 15.3 g / l. The aerobically pretreated slurry is anaerobically with average residence times of 10 Permentor bia 20 Ta, gen treated · The fermentation proceeds at a temperature of 33 0 C and a pH from 8.3 to 8.4 ·
Die Temperatur von 330C wird durch kontinuierlichen Zufluß voraufgeschlossener und dabei erwärmter Gülle aus der ersten Stufe aufrechterhalten,The temperature of 33 0 C is maintained by continuous flow of pre-digested while heated manure from the first stage,
Für eine mittlere Verweilzeit von 20 Tagen ist der Fermentorablauf durch folgende Stoffkennwerte gekennzeichnet: TS 20,6 g/l; oTS H,8 g/l; cps 1,4 g/l} % 2,3 g/l; NhJ-N 1,7 g/l; BSB5 1,2 g/l.For a mean residence time of 20 days, the fermenter effluent is characterized by the following substance characteristics: TS 20.6 g / l; OTS H, 8 g / l; cps 1.4 g / l}% 2.3 g / l; NhJ-N 1.7 g / l; BOD 5 1.2 g / l.
Die spezifische Biogasausbeute beträgt 0,59 l/g oTS, für nicht aerob vorbehandelte Gülle 0,45 l/g oTS. Der Methananteil im entstehenden Biogas ist 73 bis 74 %· Der Abbau des BSB^ für beide Verfahrensschritte beträgt ca· 90 %· · .The specific biogas yield is 0.59 l / g oTS, for non-aerobically pretreated manure 0.45 l / g oTS. The proportion of methane in the resulting biogas is 73 to 74 % · The degradation of the BOD for both process steps is about 90% · ·.
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| DD25385183A DD217786B1 (en) | 1983-08-10 | 1983-08-10 | PROCESS FOR OBTAINING BIOGAS FROM GUELLE |
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1983
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| DD217786B1 (en) | 1987-11-11 |
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