ES2324737T3 - Dispositivo para el tratamiento de liquidos mediante luz uv y ultrasonido. - Google Patents

Dispositivo para el tratamiento de liquidos mediante luz uv y ultrasonido. Download PDF

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Abstract

Dispositivo (100) para el tratamiento de líquidos para la esterilización y eliminación de sustancias orgánicas contenidas en ellos, mediante luz UV, que comprende - una carcasa (110) de una o múltiples piezas, con una entrada de líquidos (9) y una salida de líquidos (11) para una circulación del líquido por tratar a través de la carcasa (110), - al menos una fuente de luz UV (1) en la carcasa (110), - al menos una fuente de ultrasonido (8, 12) en la carcasa (110), - un dispositivo de desgasificación (15) para la desgasificación de líquidos, caracterizado porque la carcasa (110) presenta la forma de un cilindro y está dividida, en dirección longitudinal, en dos cámaras (7, 7''), la fuente de luz UV (1) se extiende en dirección longitudinal del cilindro a través de ambas cámaras (7, 7''), un primer tubo protector (2), que permite el paso de la luz UV, rodea la fuente de luz UV (1) a lo largo de ambas cámaras (7, 7''), un segundo tubo (4) de un diámetro interior mayor que el diámetro exterior del primer tubo protector (2), rodea el primer tubo protector (2) formando un paso anular a través de ambas cámaras (7, 7''), asimismo, en ambos extremos del segundo tubo está prevista, al menos, una abertura (10, 10'') para establecer una unión de líquido entre el paso anular (5) y la cara exterior del segundo tubo, y la entrada de líquido (9) está prevista lejos de la, al menos, única abertura (10, 10'') en un extremo del segundo tubo en una de las dos cámaras (7, 7'') y la entrada de líquido (9) está prevista lejos de la, al menos, única abertura (10, 10'') en el otro extremo del segundo tubo en la otra cámara (7, 7'').

Description

Dispositivo para el tratamiento de líquidos mediante luz UV y ultrasonido.
La presente comprende dispositivos (100) para el tratamiento de líquidos para la esterilización y eliminación de sustancias orgánicas contenidas en ellos, mediante luz UV.
En el marco de muchas aplicaciones, una pureza elevada de los líquidos es una necesidad absoluta. Sin embargo, en la práctica, frecuentemente no es posible un tratamiento adecuado de líquido, debido a la falta de posibilidades técnicas de realización. En esta caso, un tratamiento adecuado de líquidos significa la eliminación de microorganismos problemáticos, por ejemplo, gérmenes, virus, hongos, etc., y pirógenos, por ejemplo, endotoxinas, exotoxinas etc. Cabe mencionar, asimismo, las sustancias nocivas como pesticidas, etc. Esto es válido, especialmente, en aplicaciones que requieren de líquidos acuosos que se que utilizan durante la aplicación, con un tratamiento previo insuficiente.
Ahora la obtención de los denominados líquidos "puros" frecuentemente sólo es posible utilizando filtros, por ejemplo, en combinación con un filtro de carbón activo. Sin embargo, este paso de tratamiento puede ser muy costoso y no ofrece una solución satisfactoria a largo plazo, debido a la formación de gérmenes multiresistentes.
Se conocen equipos que evitan la utilización de cloro y otros químicos, previendo la radiación con luz UV de determinadas longitudes de onda o de ultrasonido, para la degerminación. La luz UV, especialmente, de onda corta, es absorbida por sustancias en el líquido, por ejemplo, ADN. La energía lumínica UV absorbida es suficiente para provocar una conversión fotoquímica. No tiene, por tanto, lugar la transmisión de información necesaria para la división del ADN. En el caso de superarse un nivel de falla de información, mueren células sin reproducirse. De este modo, a través de la luz UV se matan o desactivan microorganismos vivos destruyendo el ADN, es decir, se obtiene, de este modo, un efecto esterilizador. La longitud de onda de la luz UV habitualmente se halla, en este caso, en un área de 70 a 400 nm, preferentemente, de 254 o 180 a 200 nm, en el caso de lámparas UVC de vacío.
Sin embargo, el rendimiento de los dispositivos que efectúan la esterilización mediante luz UV es aún insuficiente.
La revelación de la memoria DE 20 2005 009923 U1 publica un dispositivo acorde a al preámbulo de la reivindicación 1.
La invención tiene, por ello, como objetivo, lograr un dispositivo (100) para el tratamiento de líquidos para la esterilización y eliminación de sustancias orgánicas contenidas en ellos, mediante luz UV, con un mayor rendimiento.
Acorde a un primer aspecto, este objetivo se logra gracias a un dispositivo acorde a la reivindicación 1.
En el caso del dispositivo acorde al primer aspecto puede estar previsto que el dispositivo de desgasificación comprenda un dispositivo mecánico de desgasificación.
Además, es pensable que el dispositivo de desgasificación comprenda un separador mecánico de aire.
Acorde a un modo de ejecución especial, el dispositivo de desgasificación comprende una fuente de ultrasonido, un contactor de membrana, un dispositivo de desgasificación al vacío o una tobera en la entrada de líquido.
Además, está previsto que la carcasa presente la forma de un cilindro y esté dividida, en dirección longitudinal, en dos cámaras, que la fuente de luz UV se extienda en dirección longitudinal del cilindro a través de ambas cámaras, que un primer tubo protector que permite el paso de la UV, rodee la fuente de luz UV a lo largo de ambas cámaras, que un segundo tubo de un diámetro interior mayor que el diámetro exterior del primer tubo protector rodee el primer tubo protector formando un paso anular a través de ambas cámaras, asimismo, en ambos extremos del segundo tubo está prevista, al menos, una abertura para establecer una unión de líquido entre el paso anular y la cara exterior del segundo tubo, y la entrada de líquido está prevista lejos de la, al menos, única abertura en un extremo del segundo tubo en una de las dos cámaras y la entrada de líquido está prevista lejos de la, al menos, única abertura en el otro extremo del segundo tubo en la otra cámara En el paso anular, el área de tratamiento UV en sí, el líquido por tratar es expuesto a una dosis muy elevada de radiación UV. Dado que la profundidad de penetración, en el caso de líquidos turbios o coloreados puede ser muy baja para la luz UV, mediante el ancho del paso anular se puede alcanzar la profundidad óptima de penetración para la luz UV, para cada líquido por tratar. Esto provoca un mayor efecto de esterilización.
Ventajosamente, la, al menos única, fuente de ultrasonido está configurada para la emisión de ultrasonido con una frecuencia > 18 kHz y/o una potencia > 1 vatio/cm^{2}.
Ventajosamente, la, al menos, única fuente de ultrasonido o, al menos, una fuente de ultrasonido, está dispuesta de modo tal que durante el funcionamiento irradie ultrasonido, en dirección esencialmente vertical respecto de la dirección longitudinal del cilindro, desde la carcasa en dirección a la fuente de luz UV.
Ventajosamente, también, está dispuesta, al menos, una fuente de ultrasonido, de modo tal que durante el funcionamiento irradie ultrasonido en dirección esencialmente paralela a la dirección longitudinal del cilindro, en el área entre el segundo tubo y la carcasa.
Ventajosamente, a cada una de las dos cámaras está asignada, respectivamente, una fuente de ultrasonido para someter al líquido por tratar a radiación con ultrasonido.
De modo especialmente preferido, en la cámara con la entrada de líquido se encuentra, al menos, un tamiz o filtro que genera cavitación. Con cavitación se hace referencia a una formación de un espacio burbujeante en líquidos. Una formación de espacio burbujeante ocurre cuando una presión local estática en un líquido desciende por debajo de un valor crítico. Este valor crítico es, en general, aproximadamente igual a la presión del vapor del líquido. La cavitación puede presentarse como cavitación de corriente, por ejemplo, a través de cavitación por ultrasonido o por ebullición, por ejemplo, por calentamiento. La cavitación de corriente se presenta, principalmente, en constricciones del corte transversal, expansiones del corte transversal o en desviaciones repentinas de la dirección de la corriente. En constricciones del corte transversal desciende la presión estática a causa del incremento de la velocidad de corriente y, y con ello, la conversión de la presión estática en presión dinámica (energía de corriente). Detrás de las expansiones del corte transversal, generalmente se presentan remolinos en cuyo centro puede descender el valor estático al crítico debido a la elevada velocidad periférica del líquido. Un efecto similar se presenta tras desviaciones repentinas. También se distingue entre cavitación de vapor y de gas, según si en las burbujas de cavitación se encuentra vapor líquido o un gas, por ejemplo, aire, que había estado disuelto en el líquido. Por ejemplo, el agua sólo disuelve cantidades reducidas de aire. Por ello, en el caso de la cavitación en agua, en general habrá cavitación de vapor.
En el caso de filtros y tamices también se presenta un efecto de toberas, es decir, de cavitación como en el caso de toberas y aberturas pequeñas. La estructura del filtro o tamiz incrementa la velocidad de corriente en las superficies límite de la misma, con lo cual se origina una cavitación. A través de esta cavitación se producen burbujas de cavitación en el líquido por tratar, a partir de los gases disueltos en el líquido y de vapor de agua, que se originan ante la falta de gases disueltos en el líquido. Las burbujas de vapor de agua colapsan y genera, a su vez, energías que generan, asimismo, radicales, radicales OH. Los radicales pueden destruir estructuras orgánicas. Por lo demás, los radicales OH se enlazan formando H_{2}O_{2}, es decir, peróxido de hidrógeno, conocido como fuerte oxidante de sustancias orgánicas. La demostración está descrita en la bibliografía de Alois Jungbauer, de la Universidad de Viena. Al agua destilada se le agrega yodo de potasio. Los radicales OH provocan una reacción química, de modo que se origina iodo fácilmente detectable y que, al mismo tiempo, sirve de indicador del rendimiento del procedimiento utilizado.
Ventajosamente, al menos un tamiz o filtro se encuentra en la cámara en el área de la entrada de líquido.
Además, puede estar previsto, especialmente, que el dispositivo de desgasificación comprenda un dispositivo mecánico de desgasificación, especialmente, un separador mecánico de aire.
Ventajosamente, el dispositivo de desgasificación comprende una fuente de ultrasonido, un contactor de membrana, un dispositivo de desgasificación al vacío o una tobera en la entrada de líquido.
Además, está previsto que la carcasa presente la forma de un cilindro y esté dividida, en dirección longitudinal, en dos cámaras, que la fuente de luz UV se extienda en dirección longitudinal del cilindro a través de ambas cámaras, que un primer tubo protector que permite el paso de la UV, rodee la fuente de luz UV a lo largo de ambas cámaras, que un segundo tubo de un diámetro interior mayor que el diámetro exterior del primer tubo protector rodee el primer tubo protector formando un paso anular a través de ambas cámaras, asimismo, en ambos extremos del segundo tubo está prevista, al menos, una abertura para establecer una unión de líquido entre el paso anular y la cara exterior del segundo tubo, y la entrada de líquido está prevista lejos de la, al menos, única abertura en un extremo del segundo tubo en una de las dos cámaras y la entrada de líquido está prevista lejos de la, al menos, única abertura en el otro extremo del segundo tubo en la otra cámara.
Ventajosamente, la, al menos, única fuente de ultrasonido está configurada para la emisión de ultrasonido con una frecuencia > 18 kHz y/o una potencia > 1 vatio/cm^{2}.
Ventajosamente, la, al menos, única fuente de ultrasonido o, al menos, una fuente de ultrasonido está dispuesta de modo tal que durante el funcionamiento irradie ultrasonido, en dirección esencialmente vertical respecto de la dirección longitudinal del cilindro, desde la carcasa en dirección a la fuente de luz UV.
Convenientemente, está dispuesta, al menos, una fuente de ultrasonido, de modo tal que durante el funcionamiento irradie ultrasonido en dirección esencialmente paralela a la dirección longitudinal del cilindro, en el área entre el segundo tubo y la carcasa.
Además, puede estar previsto que a cada una de las dos cámaras está asignada, respectivamente, una fuente de ultrasonido para someter al líquido por tratar a radiación con ultrasonido.
Finalmente, puede estar previsto, ventajosamente, en el caso del dispositivo acorde al primer o al segundo aspecto de la invención, que el dispositivo de desgasificación se encuentre dentro de la carcasa, preferentemente, en el área de la entrada de líquido.
El dispositivo acorde a al primer aspecto se basa en el sorprendente reconocimiento de que, especialmente a través del dispositivo de desgasificación se incrementa el rendimiento del dispositivo. Gracias a la desgasificación se originan más radicales OH, a través de una concentración de vapor proporcionalmente mayor, que se enlazan formando peróxido de hidrógeno (H_{2}O_{2}). En el caso del uso combinado de luz UV y peróxido de hidrógeno, en donde el último también es generado por la, al menos única, fuente de ultrasonido a modo de fuente de cavitación, se llevan a cabo, entre otras, las siguientes reacciones:
Fotólisis del peróxido de hidrógeno formando radicales OH:
El peróxido de hidrógeno posee un espectro de absorción continuo en el área de la longitud de onda UV. A su vez, la absorción se incrementa a medida que se reduce la longitud de onda.
H_{2}O_{2} + hv = 2 OH*
Oxidación de una molécula de sustancia contaminante M a través de los radicales OH:
OH* + M = M_{ox}.
Por ejemplo, el líquido por tratar es desgasificado al entrar en la carcasa, mediante una fuente de ultrasonido, por ejemplo, a través de diferencias de presión del líquido circulante. Por otro lado, también pueden utilizarse, por ejemplo, toberas. La caída de presión que se origina entonces desgasifica el líquido por tratar, dado que se genera una caída de presión respecto de la presión atmosférica.
A través de, al menos una fuente de ultrasonido en combinación con el dispositivo de desgasificación se genera, entonces, una cantidad especialmente elevada de peróxido de hidrógeno, que está sujeto a las reacciones descritas anteriormente.
Si en un modo de ejecución especial, el líquido por tratar es conducido por un paso anular a lo largo de una fuente de luz UV, entonces la luz UV puede ingresar de manera especialmente profunda y eficiente en el líquido por tratar, y ser efectiva.
Si, acorde a otro modo de ejecución especial, está previsto un tamiz o filtro, incrementa el rendimiento a través de la cavitación adicional a la, al menos única, cavitación generada por una fuente de ultrasonido.
El dispositivo acorde al segundo aspecto se basa en el sorprendente reconocimiento de que mediante un filtro o tamiz que genera una cavitación se podría prescindir, en principio, de la utilización de una fuente de ultrasonido.
Otras características y ventajas de la invención se desprenden de las reivindicaciones adjuntas y de la descripción a continuación, en la cual se detallan individualmente tres ejemplos de ejecución, a partir de los dibujos esquemáticos, en los que se muestra:
Figura 1 una representación simétrica de un dispositivo para el tratamiento de líquidos para la esterilización y eliminación de sustancias orgánicas contenidas en ellos, mediante luz UV, acorde a un primer modo de ejecución especial,
Figura 2 una vista en corte longitudinal del dispositivo de la figura 1;
Figura 3 un corte longitudinal a través de un dispositivo acorde a un segundo modo de ejecución especial de la invención, y
Figura 4 un corte longitudinal a través de un dispositivo acorde a un tercer modo de ejecución especial de la presente invención.
El dispositivo 100 mostrado en la figura 1 presenta una carcasa 110 cilíndrica en una pieza, dividida, en dirección longitudinal, en dos cámaras 7, 7'de igual tamaño. En la cámara 7, está prevista una entrada de líquido 9 y en la cámara 7', está prevista una salida de líquido 11. La entrada de líquido 9 y la salida de líquido 11 se encuentran, respectivamente, en dirección longitudinal de la carcasa 110 cilíndrica, cerca del centro de la misma. Como se desprende al consultar la figura 2, en el centro de la carcasa 110 se extiende, en su dirección longitudinal, una fuente de luz UV 1, a través de ambas cámaras 7, 7'. Un primer tubo protector 2 que permite el paso de la luz UV, rodea la fuente de luz UV 1 a lo largo de ambas cámaras 7, 7'. Un segundo tubo 4 de un diámetro interior mayor que el diámetro exterior del primer tubo protector 2 rodea el primer tubo protector 2 formando un paso anular a través de ambas cámaras 7, 7'. En ambos extremos del segundo tubo 4 se encuentra, respectivamente, una abertura 10 o 10' para establecer la unión de líquido entre el paso anular 5 y la cara exterior del segundo tubo 4. En la carcasa 110, están previstas, en ambas cámaras 7, 7', respectivamente, fuentes de ultrasonido 8, que irradian ultrasonido, al menos, en dirección esencialmente vertical respecto de la dirección longitudinal del cilindro, y fuentes de ultrasonido 12 que irradian ultrasonido en dirección esencialmente paralela a la dirección longitudinal de la carcasa en forma de cilindro, entre el segundo tubo 4 y la carcasa 110. Como consecuencia, las áreas entre la carcasa 110 y el segundo tubo 4 son denominadas áreas de tratamiento por ultrasonido 13, 13' y el área entre el segundo tubo 4 y el primer tubo protector 2, como área de tratamiento UV 14. El líquido por tratar fluye, de este modo, a través de la entrada de líquido 9 al área de tratamiento por ultrasonido 13, luego continua por las aberturas 10 hasta el in den área de tratamiento 14, luego continua a través de las aberturas 10' hasta el área de tratamiento por ultrasonido 13' y luego sale de la carcasa 110 a través de la salida de líquido 9. En las áreas de tratamiento por ultrasonido 13, 13' se puede aplicar ultrasonido al líquido por tratar, de manera efectiva, y en el área de tratamiento UV 14 puede ser sometido de manera efectiva a la luz UV. Debido al ultrasonido, en las áreas de tratamiento por ultrasonido 13, 13' se produce la destrucción por ultrasonido como motivo principal para el fraccionamiento mecánico de células. Además de la erosión mecánica de la pared celular, los cambios elevados de presión de temperatura inducen reacciones de polimerización en el interior de la célula que provocan la descomposición de proteínas globulares. Éstas se descomponen sus subunidades, asimismo, se destruye primero la estructura cuaternaria. En este contexto, además de la separación de péptidos moleculares bajos, se han observado asimismo descomposiciones de aminoácidos cíclicos. Gracias a la erosión mecánica de las paredes celulares se comprobó una absorción mayor de UVC por parte de las células, por lo cual se alcanza un grado de tratamiento mayor en el área de tratamiento UV.
Por diferencias elevadas de presión a través de ultrasonido se desaglomeran los compuestos de contaminantes y se los mantiene homogéneos, por lo cual en el área UV la radiación alcanza de modo más efectivo a los contaminantes y los puede eliminar. El ultrasonido generado por la fuente de ultrasonido 8 atraviesa el segundo tubo 4 e ingresa al área de tratamiento UV 14. De esta manera, también en el área de tratamiento UV se producen destrucciones mecánicas por ultrasonido de los contaminantes, una erosión mecánica de las paredes celulares y con ello, una mayor absorción UVC de células, por lo cual, en el área de tratamiento UV se alcanzan un mayor rendimiento y grandes diferencias de presión a través del ultrasonido, por lo cual, en esta área a través de ultrasonido se desaglomeran los compuestos de contaminantes y se los mantiene homogéneos, por lo cual en el área de tratamiento UV la radiación alcanza de modo más efectivo los contaminantes y los pueden eliminar.
El dispositivo mostrado en la figura 3 se diferencia de los dispositivos mostrados en las figuras 1 y 2, esencialmente, porque en la entrada de líquido 9 está previsto un dispositivo de desgasificación 15. El dispositivo de desgasificación se utiliza para la desgasificación del líquido por tratar, que ingresa a la carcasa 110 a través de la entrada de líquido.
Finalmente, el dispositivo mostrado en la figura 4 se diferencia del dispositivo mostrado en las figuras 1 y 2, esencialmente, porque en la cámara 7 con la entrada de líquido 9 está previsto un tamiz 16 que genera cavitación, que el líquido por tratar, que ingresa a la carcasa a través de la entrada de líquido 9 debe atravesar primero. El tamiz 16 se extiende desde la carcasa 110 en diagonal hacia dentro en dirección a la fuente de luz UV 1.
La presente invención brinda, en primer lugar, dispositivos en los que no se debe agregar peróxido de hidrógeno (H_{2}O_{2}) exteriormente, para alcanzar procesos de oxidación a través de luz UV, dado que dentro del dispositivo genera peróxido de hidrógeno, al mismo tiempo de la reacción deseada. La presente invención posibilita obtener líquidos puros en un límite de tiempo dependiente de cada tipo de aplicación, sin otro agregado de químicos o elementos auxiliares costosos. De este modo, se obtienen dispositivos de un nivel de calidad notablemente mayor y con un mayor grado de efectividad.

Claims (11)

1. Dispositivo (100) para el tratamiento de líquidos para la esterilización y eliminación de sustancias orgánicas contenidas en ellos, mediante luz UV, que comprende
-
una carcasa (110) de una o múltiples piezas, con una entrada de líquidos (9) y una salida de líquidos (11) para una circulación del líquido por tratar a través de la carcasa (110),
-
al menos una fuente de luz UV (1) en la carcasa (110),
-
al menos una fuente de ultrasonido (8, 12) en la carcasa (110),
-
un dispositivo de desgasificación (15) para la desgasificación de líquidos,
caracterizado porque la carcasa (110) presenta la forma de un cilindro y está dividida, en dirección longitudinal, en dos cámaras (7, 7'), la fuente de luz UV (1) se extiende en dirección longitudinal del cilindro a través de ambas cámaras (7, 7'), un primer tubo protector (2), que permite el paso de la luz UV, rodea la fuente de luz UV (1) a lo largo de ambas cámaras (7, 7'), un segundo tubo (4) de un diámetro interior mayor que el diámetro exterior del primer tubo protector (2), rodea el primer tubo protector (2) formando un paso anular a través de ambas cámaras (7, 7'), asimismo, en ambos extremos del segundo tubo está prevista, al menos, una abertura (10, 10') para establecer una unión de líquido entre el paso anular (5) y la cara exterior del segundo tubo, y la entrada de líquido (9) está prevista lejos de la, al menos, única abertura (10, 10') en un extremo del segundo tubo en una de las dos cámaras (7, 7') y la entrada de líquido (9) está prevista lejos de la, al menos, única abertura (10, 10') en el otro extremo del segundo tubo en la otra cámara (7, 7').
2. Dispositivo (100) acorde a la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de desgasificación (15) comprende un dispositivo mecánico de desgasificación.
3. Dispositivo (100) acorde a la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de desgasificación (15) comprende un separador mecánico de aire.
4. Dispositivo (100) acorde a la reivindicación 1, caracterizado porque el dispositivo de desgasificación (15) comprende una fuente de ultrasonido, un contactor de membrana, un dispositivo de desgasificación al vacío o una tobera en la entrada de líquido (9).
5. Dispositivo acorde a una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque el dispositivo de desgasificación (15) está previsto dentro de la carcasa (110), preferentemente, en el área de la entrada de líquido (9).
6. Dispositivo (100) acorde a una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque en la cámara (7, 7') con la entrada de líquido (9) se encuentra, al menos, un tamiz (16) que genera una cavitación o un filtro.
7. Dispositivo (100) acorde a la reivindicación 6, caracterizado porque el, al menos único, tamiz (16) se encuentra en la cámara (7, 7') en el área de la entrada de líquido (9).
8. Dispositivo (100) acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la, al menos única, fuente de ultrasonido (8; 12) está configurada para la emisión de ultrasonido con una frecuencia de > 18 kHz y/o una potencia > 1 vatio/cm^{2} en el paso anular.
9. Dispositivo (100) acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la, al menos, única fuente de ultrasonido (8) o, al menos, una fuente de ultrasonido (8) está dispuesta de modo tal que durante el funcionamiento irradie ultrasonido, en una dirección esencialmente vertical respecto de la dirección longitudinal del cilindro, desde la carcasa (110) en dirección a la fuente de luz UV (1).
10. Dispositivo (100) acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque, al menos, una fuente de ultrasonido (12) está dispuesta de modo tal que durante el funcionamiento irradia ultrasonido en una dirección esencialmente paralela a la dirección longitudinal del cilindro, en el área entre el segundo tubo y la carcasa (110).
11. Dispositivo (100) acorde a una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada una de las cámaras (7, 7') está asignada, respectivamente, a, al menos, una fuente de ultrasonido (8, 12) para exponer el líquido por tratar a la radiación con ultrasonido.
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