FR2727967A1 - PROCESS FOR THE MANUFACTURE OF HYDROXYMETHYLFURFURAL FROM ALDOHEXOSE - Google Patents
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Abstract
Description
PROCEDE DE FABRICATION D'HYDROXYMETHYLFURFURAL
A PARTIR D'ALDOHEXOSE.PROCESS FOR PRODUCING HYDROXYMETHYLFURFURAL
FROM ALDOHEXOSE.
L'invention concerne un procédé de fabrication d'hydroxyméthyl-5 furane carboxaldéhyde-2, plus souvent désigné hydroxymethylfurfural (HMF), à partir d'un milieu liquide comprenant au moins un aldohexose et/ou au moins un oside susceptible de libérer au moins un aldohexose. The invention relates to a process for the manufacture of 5-hydroxymethyl furan-2-carboxaldehyde, more often designated hydroxymethylfurfural (HMF), from a liquid medium comprising at least one aldohexose and / or at least one oside capable of releasing at least an aldohexose.
Le HMF peut être fabriqué en milieu organique (FR 2 669 635) ou en milieu aqueux (WO 92/10486) à partir de fructose ou de polyfructanes. En particulier, la synthèse du HMF peut être obtenue par chauffage du milieu en présence d'un catalyseur hétérogène acide. HMF can be manufactured in an organic medium (FR 2 669 635) or in an aqueous medium (WO 92/10486) from fructose or polyfructans. In particular, the synthesis of HMF can be obtained by heating the medium in the presence of a heterogeneous acid catalyst.
Cependant, si la synthèse est relativement satisfaisante à partir des cétohexoses, la transformation des aldohexoses, notamment du glucose, dans les conditions décrites par l'art antérieur est, en pratique, quasiment nulle. Or, les solutions sucrées disponibles sur le marché à moindre coût comprennent souvent soit des osides (saccharose, inuline, amidon...) libérant au moins un aldohexose par hydrolyse, soit des sucres invertis obtenus par hydrolyse de ces osides, sous forme d'un mélange de sucres simples comprenant une forte proportion d'aldohexose(s). Les procédés connus nécessitent donc d'effectuer une séparation préalable ou ultérieure des sucres non transformés, et notamment des aldohexoses tels que le glucose. However, if the synthesis is relatively satisfactory from ketohexoses, the transformation of aldohexoses, in particular glucose, under the conditions described by the prior art is, in practice, almost zero. However, the sugar solutions available on the market at low cost often include either osides (sucrose, inulin, starch, etc.) releasing at least one aldohexose by hydrolysis, or invert sugars obtained by hydrolysis of these osides, in the form of a mixture of simple sugars comprising a high proportion of aldohexose (s). The known methods therefore require carrying out a prior or subsequent separation of the unprocessed sugars, and in particular of aldohexoses such as glucose.
L'invention vise à pallier ces inconvénients en proposant un procédé de fabrication de HMF à partir d'un milieu liquide sucré pouvant comprendre une proportion quelconque d'au moins un aldohexose et notamment qui est constitué d'une solution ou d'un sirop d'aldohexose(s). The invention aims to overcome these drawbacks by proposing a process for manufacturing HMF from a sweet liquid medium which can comprise any proportion of at least one aldohexose and in particular which consists of a solution or a syrup d 'aldohexose (s).
Ainsi, l'invention vise à proposer un procédé de fabrication de HMF à partir d'une solution sucrée ou d'un sirop pouvant comprendre une forte proportion d'aldohexose(s) (tels que le glucose, le galactose, le mannose ou l'idose) et/ou de polysaccharide(s) (tels que la cellulose, l'amidon, ...) et/ou d'oligoholoside(s) (tels que le saccharose, le lactose, le maltose, le cellobiose...), avec des rendements de transformation des sucres et de production de HMF suffisamment élevés pour envisager une production industrielle rentable. L'invention vise en particulier à proposer un procédé de fabrication de HMF à partir d'une solution sucrée ou d'un sirop, dont les sucres sont uniquement constitués d'aldohexose(s) et/ou de polysaccharide(s) et/ou d'oligoholoside(s). Thus, the invention aims to propose a process for the manufacture of HMF from a sugar solution or from a syrup which can comprise a high proportion of aldohexose (s) (such as glucose, galactose, mannose or l 'idose) and / or polysaccharide (s) (such as cellulose, starch, ...) and / or oligoholoside (s) (such as sucrose, lactose, maltose, cellobiose .. .), with sufficiently high sugar transformation and HMF production yields to envisage profitable industrial production. The invention aims in particular to propose a process for manufacturing HMF from a sugar solution or a syrup, the sugars of which only consist of aldohexose (s) and / or polysaccharide (s) and / or oligoholoside (s).
L'invention vise aussi à diminuer le coût de la préparation du HMF en abaissant le prix de la matière première sans augmenter celui du procédé. The invention also aims to reduce the cost of preparing HMF by lowering the price of the raw material without increasing that of the process.
L'invention a en particulier pour objet d'autoriser l'utilisation directe d'une plus grande variété de solutions sucrées à titre de matière première pour la fabrication du HMF, y compris des solutions sucrées extraites de produits naturels (topinambours, betteraves, cannes à sucre...) ou des solutions sucrées issues de l'hydrolyse de sucres d'origine naturelle (qui comprennent autant d'aldohexoses que de cétohexoses et des osides résiduels). L'invention a aussi pour objet de diminuer voire supprimer le coût des étapes de séparation, et d'augmenter le taux de transformation des sucres en HMF. The object of the invention is in particular to authorize the direct use of a greater variety of sugar solutions as a raw material for the manufacture of HMF, including sugar solutions extracted from natural products (Jerusalem artichokes, beets, canes sugar ...) or sugar solutions from the hydrolysis of naturally occurring sugars (which include as many aldohexoses as ketohexoses and residual osides). The object of the invention is also to reduce or even eliminate the cost of the separation steps, and to increase the rate of conversion of the sugars into HMF.
L'invention vise en particulier à proposer un tel procédé de fabrication en une seule étape, pouvant être mis en oeuvre en continu, et produisant une solution de HMF d'une grande pureté. The invention aims in particular to propose such a manufacturing process in a single step, which can be carried out continuously, and producing a high purity HMF solution.
L'invention vise aussi à proposer un tel procédé de fabrication de HMF par catalyse hétérogène acide et chauffage en une seule étape, rapide, peu polluant, rentable quelles que soient la taille et la capacité de l'installation, notamment avec des installations de taille et capacité faibles ou moyennes. The invention also aims to propose such a process for manufacturing HMF by heterogeneous acid catalysis and heating in a single step, rapid, low polluting, profitable whatever the size and capacity of the installation, in particular with large installations. and low or medium capacity.
Pour ce faire, l'invention concerne un procédé de fabrication d'hydroxyméthylfurfural (HMF) à partir d'un milieu liquide comprenant au moins un aldohexose et/ou au moins un oside susceptible de libérer au moins un aldohexose, dans lequel on chauffe le milieu liquide à une température supérieure à 1000 C en présence d'une catalyse hétérogène acide, caractérisé en ce qu'on met le milieu liquide simultanément au contact d'au moins deux catalyseurs acides distincts dont le premier est un tectosilicate ou une argile non fonctionnalisé par des groupes acides, sous forme protonique, et de rapport Si/Al inférieur à 4, notamment compris entre 2 et 4, et dont le second est un tectosilicate non fonctionnalisé par des groupes acides, sous forme protonique, et de rapport Si/Al supérieur à 5. To do this, the invention relates to a process for the manufacture of hydroxymethylfurfural (HMF) from a liquid medium comprising at least one aldohexose and / or at least one oside capable of releasing at least one aldohexose, in which the liquid medium at a temperature above 1000 C in the presence of a heterogeneous acid catalysis, characterized in that the liquid medium is simultaneously brought into contact with at least two distinct acid catalysts, the first of which is a tectosilicate or a non-functionalized clay by acid groups, in protonic form, and of Si / Al ratio less than 4, in particular between 2 and 4, and the second of which is a tectosilicate not functionalized by acid groups, in protonic form, and of Si / Al ratio greater than 5.
On a en effet constaté que la combinaison de deux catalyseurs acides hétérogènes dont le premier est plus faiblement acide au sens de BRONSTED tandis que le second est plus fortement acide permet d'obtenir un taux de transformation élevé des aldohexoses sans par ailleurs produire d'inconvénients. Dans un procédé selon l'invention, on utilise donc deux catalyseurs acides (sous forme protonique) présentant des acidités de BRONSTED différentes. It has in fact been found that the combination of two heterogeneous acid catalysts, the first of which is more weakly acid in the sense of BRONSTED while the second is more strongly acid makes it possible to obtain a high conversion rate of aldohexoses without otherwise producing drawbacks. . In a process according to the invention, two acid catalysts are therefore used (in protonic form) having different BRONSTED acidities.
Selon l'invention, ledit second catalyseur est une zéolithe choisie pour transformer les cétohexoses -notamment le fructose- en HMF avec une sélectivité de transformation supérieure à 90 % lorsqu'elle est utilisée seule, dans les conditions opératoires de la réaction (température, pression, concentrations initiales, débits...), et ledit premier catalyseur est une zéolithe dont l'acidité (au sens de BRONSTED) est plus faible que celle dudit second catalyseur. De préférence et selon l'invention, le second catalyseur est choisi pour transformer les cétohexoses -notamment le fructose- en HMF avec un rendement en HMF supérieur à 50 % lorsqu'il est utilisé seul dans les conditions opératoires de la réaction. According to the invention, said second catalyst is a zeolite chosen to transform ketohexoses - in particular fructose - into HMF with a selectivity of transformation greater than 90% when it is used alone, under the operating conditions of the reaction (temperature, pressure , initial concentrations, flow rates, etc.), and said first catalyst is a zeolite whose acidity (in the sense of BRONSTED) is lower than that of said second catalyst. Preferably and according to the invention, the second catalyst is chosen to transform the ketohexoses - in particular fructose - into HMF with a yield of HMF greater than 50% when it is used alone under the operating conditions of the reaction.
Selon l'invention, le milieu liquide est une solution aqueuse concentrée, notamment un sirop, comprenant plus de 150 g/l d'aldohexose(s) et/ou d'oside(s). According to the invention, the liquid medium is a concentrated aqueous solution, in particular a syrup, comprising more than 150 g / l of aldohexose (s) and / or of oside (s).
Avantageusement et selon l'invention, ledit premier catalyseur est une zéolithe, notamment une faujasite Y sous forme protonique. Avantageusement et selon l'invention, le rapport Si/Al de ce premier catalyseur est de l'ordre de 2,5 à 3. Advantageously and according to the invention, said first catalyst is a zeolite, in particular a faujasite Y in protonic form. Advantageously and according to the invention, the Si / Al ratio of this first catalyst is of the order of 2.5 to 3.
Selon l'invention, ledit premier catalyseur a avantageusement une structure tridimensionnelle présentant des pores d'environ 7,5 A de diamètre reliés à des cages d'environ 13 A de diamètre arrangées en symétrie cubique. According to the invention, said first catalyst advantageously has a three-dimensional structure having pores of around 7.5 A in diameter connected to cages of around 13 A in diameter arranged in cubic symmetry.
Selon l'invention, ledit second catalyseur est une zéolithe, notamment une mordénite H, et son rapport
Si/Al est de l'ordre de 5 à 20, notamment de l'ordre de 10.According to the invention, said second catalyst is a zeolite, in particular a H mordenite, and its ratio
If / Al is of the order of 5 to 20, in particular of the order of 10.
Selon l'invention, on chauffe le milieu liquide à une température supérieure à 1500 C et inférieure à 2000 C, notamment de l'ordre de 1650 C. According to the invention, the liquid medium is heated to a temperature above 1500 C and below 2000 C, in particular of the order of 1650 C.
Avantageusement et selon l'invention, le procédé peut être mis en oeuvre en continu. Pour ce faire, on fait circuler le milieu liquide en continu dans au moins un réacteur multi-étage -notamment une colonne pulsée en présence des catalyseurs en suspension à co-courant du milieu liquide et on extrait le HMF en continu dans un solvant non miscible avec le milieu liquide circulant à contre-courant. Le solvant est de préférence un solvant organique, notamment la MIBC (méthylisobutylcétone). Advantageously and according to the invention, the method can be implemented continuously. To do this, the liquid medium is circulated continuously in at least one multi-stage reactor - in particular a pulsed column in the presence of catalysts in cocurrent suspension of the liquid medium and the HMF is extracted continuously in an immiscible solvent with the liquid medium circulating against the current. The solvent is preferably an organic solvent, in particular MIBC (methyl isobutyl ketone).
L'invention concerne en outre un procédé comprenant en combinaison tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après. The invention further relates to a method comprising in combination all or part of the features mentioned above or below.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante qui se réfère à la figure unique annexée qui est un schéma d'un étage de colonne pulsée d'une installation de mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the following description which refers to the single appended figure which is a diagram of a pulsed column stage of an installation for implementing a method according to the invention.
Cette installation comprend une alimentation 1 en solution sucrée, et des alimentations 2, 3 de catalyseurs acides. L'alimentation 2 fournit le premier catalyseur qui est par exemple une faujasite Y sous forme protonique en poudre de rapport SiO2/Al203 de 6,5 (soit un rapport Si/Al de 3,25). Cette zéolithe définit des pores de 0,75 nanomètre de diamètre reliés à des cages de 1,3 nanomètre de diamètre dans une structure cubique symétrique. This installation comprises a supply 1 of sugar solution, and supplies 2, 3 of acid catalysts. The feed 2 provides the first catalyst which is for example a faujasite Y in protonic form in powder with an SiO2 / Al203 ratio of 6.5 (ie an Si / Al ratio of 3.25). This zeolite defines pores of 0.75 nanometer in diameter connected to cages of 1.3 nanometer in diameter in a symmetrical cubic structure.
L'alimentation 3 fournit le second catalyseur, qui est par exemple formé d'une mordénite sous forme protonique de rapport Si/Al de l'ordre de 10. Ce catalyseur se présente également sous forme pulvérulente. The feed 3 provides the second catalyst, which is for example formed of a mordenite in protonic form with an Si / Al ratio of the order of 10. This catalyst is also present in pulverulent form.
Les deux catalyseurs sont mélangés en suspension à la solution sucrée dans un mélangeur 4. Le mélange obtenu est introduit à la partie supérieure 5 d'une colonne pulsée 6. La colonne pulsée 6 est contrôlée en température. Selon l'invention, la température est supérieure à 1500 C, notamment de l'ordre de 1650 C. The two catalysts are mixed in suspension with the sugar solution in a mixer 4. The mixture obtained is introduced into the upper part 5 of a pulsed column 6. The pulsed column 6 is temperature controlled. According to the invention, the temperature is above 1500 C, in particular of the order of 1650 C.
Simultanément, on introduit en continu à la partie inférieure 7 de la colonne pulsée 6, un solvant d'extraction du HMF produit. La solution sucrée étant avantageusement une solution aqueuse, le solvant d'extraction utilisé est avantageusement la MIBC. En partie supérieure 5 de la colonne pulsée 6, on récupère le solvant d'extraction qui a circulé à contre-courant et qui est chargé en HMF. Ce solvant chargé en HMF est passé à travers un évaporateur 8 qui fournit en sortie 9 une solution concentrée de HMF exempte de sucres et de sous-produits, et notamment exempte d'aldohexoses.Simultaneously, there is continuously introduced into the lower part 7 of the pulsed column 6, an extraction solvent for the HMF produced. The sugar solution advantageously being an aqueous solution, the extraction solvent used is advantageously MIBC. In the upper part 5 of the pulsed column 6, the extraction solvent which has circulated against the current and which is loaded with HMF is recovered. This solvent loaded with HMF is passed through an evaporator 8 which provides at outlet 9 a concentrated solution of HMF free of sugars and by-products, and in particular free of aldohexoses.
A la partie inférieure 7 de la colonne pulsée 6, on récupère le reliquat de solution sucrée non transformée en HMF avec les catalyseurs en suspension. Ce mélange est passé au travers d'un filtre 10 qui permet de séparer les phases liquides et solides. La phase solide constituée des catalyseurs est recyclée directement ou à travers un four de régénération 11 dans le mélangeur 4. La phase liquide est évacuée directement ou vers un épurateur. At the lower part 7 of the pulsed column 6, the residue of sugar solution not transformed into HMF is recovered with the catalysts in suspension. This mixture is passed through a filter 10 which makes it possible to separate the liquid and solid phases. The solid phase consisting of the catalysts is recycled directly or through a regeneration furnace 11 into the mixer 4. The liquid phase is discharged directly or to a purifier.
Avec une telle installation, on peut produire en continu une solution concentrée de HMF pure à partir d'une solution sucrée introduite en continu par l'alimentation 1, et qui peut comprendre une proportion quelconque, importante ou non, d'aldohexoses ou d'osides susceptibles de libérer des aldohexoses. Par exemple, cette solution peut être composée de saccharose ou d'une solution de sucres invertis (50 % de glucose et 50 % de fructose) ou d'une solution de fructose et de glucose comprenant une proportion plus importante de glucose, voire même d'une solution de glucose pure. Il est à noter que dans le cas où la solution de départ comprend des osides, on réalise en une seule étape dans la colonne pulsée 1 en continu, l'hydrolyse des osides en sucres simples (aldohexoses ou cétohexoses) et la transformation de ces sucres simples en
HMF.With such an installation, it is possible to continuously produce a concentrated solution of pure HMF from a sugar solution introduced continuously by food 1, and which can comprise any proportion, large or not, of aldhehexoses or osides capable of releasing aldohexoses. For example, this solution can be composed of sucrose or a solution of invert sugars (50% glucose and 50% fructose) or a solution of fructose and glucose comprising a higher proportion of glucose, or even d 'a pure glucose solution. It should be noted that in the case where the starting solution comprises osides, there is carried out in a single step in the pulsed column 1 continuously, the hydrolysis of the osides into simple sugars (aldohexoses or ketohexoses) and the transformation of these sugars simple in
HMF.
Il est également à noter que l'invention permettant la transformation des aldohexoses en HMF, on choisit les conditions opératoires de la réaction pour minimiser la production de produits de dégradation ou sousproduits de la réaction autres que les sucres et le HMF. It should also be noted that the invention allowing the transformation of aldohexoses into HMF, the operating conditions of the reaction are chosen to minimize the production of degradation products or byproducts of the reaction other than sugars and HMF.
Dès lors, la sélectivité et le rendement de la réaction globale en HMF ne constituent pas des critères prioritaires.Consequently, the selectivity and the yield of the overall reaction in HMF do not constitute priority criteria.
EXEMPLE COMPARATIF 1
Dans un autoclave de 4 litres, on introduit 2,5 litres de MIBC ayant un taux de phase organique sur la phase aqueuse de 6,5, et 350 ml de solution aqueuse de glucose concentrée à 200 g/l, ainsi que de la mordénite sous forme protonique à raison de 10 g pour 65 g de glucose, soit 10,8 g. L'autoclave est chauffé à 1650 C et placé sous une pression de 10 bars. Après agitation pendant 30 minutes, on détermine, notamment par chromatographie liquide haute pression HPLC, les teneurs en HMF, fructose, glucose, mannose en solution. On obtient ainsi les taux molaires de transformation du glucose initial en produits en solution, c'est-à-dire non compris les produits adsorbés sur les solides.COMPARATIVE EXAMPLE 1
2.5 liters of MIBC having an organic phase level on the aqueous phase of 6.5, and 350 ml of concentrated aqueous glucose solution at 200 g / l, as well as mordenite, are introduced into a 4 liter autoclave. in protonic form at a rate of 10 g per 65 g of glucose, or 10.8 g. The autoclave is heated to 1650 C and placed under a pressure of 10 bars. After stirring for 30 minutes, the contents of HMF, fructose, glucose, mannose in solution are determined, in particular by HPLC high pressure liquid chromatography. This gives the molar conversion rates of the initial glucose into products in solution, that is to say not including the products adsorbed on the solids.
On obtient un taux molaire de transformation du glucose en HMF (nombre de moles de HMF en solution obtenu/nombre de moles de glucose initial) de 8 %. A molar conversion rate of glucose into HMF is obtained (number of moles of HMF in solution obtained / number of moles of initial glucose) of 8%.
Le taux molaire de transformation du glucose en HMF et fructose est de 15 %. Le taux molaire de transformation totale en HMF, fructose et mannose, est de 17 %.The molar rate of transformation of glucose into HMF and fructose is 15%. The molar rate of total transformation into HMF, fructose and mannose, is 17%.
EXEMPLE 2
Dans les mêmes conditions opératoires que celles mentionnées à l'exemple 1, on rajoute simultanément de la faujasite sous forme protonique de rapport Si/Al égal à 3,25. Dans cet exemple, le poids de faujasite utilisé était la moitié du poids de mordénite, soit 5,4 g. On obtient un taux molaire de transformation du glucose en HMF de 10 %. Le taux molaire de transformation du glucose en
HMF et fructose est de 28 %. Le taux molaire de transformation totale en HMF, fructose et mannose est de 33 %.EXAMPLE 2
Under the same operating conditions as those mentioned in Example 1, faujasite is added simultaneously in protonic form with an Si / Al ratio equal to 3.25. In this example, the weight of faujasite used was half the weight of mordenite, or 5.4 g. A molar conversion rate of glucose into HMF of 10% is obtained. The molar rate of conversion of glucose into
HMF and fructose is 28%. The total molar rate of transformation into HMF, fructose and mannose is 33%.
EXEMPLE 3
Cet exemple est identique à l'exemple 2 mais on utilise un poids de faujasite identique au poids de mordénite, soit 10,8 g. Le taux molaire de transformation en HMF est de 13 %. Le taux molaire de transformation en
HMF et fructose est de 34 %. Le taux molaire de transformation totale en HMF, fructose et mannose est de 41 %.EXAMPLE 3
This example is identical to Example 2, but a weight of faujasite identical to the weight of mordenite is used, ie 10.8 g. The molar rate of transformation into HMF is 13%. The molar rate of transformation into
HMF and fructose is 34%. The total molar rate of transformation into HMF, fructose and mannose is 41%.
EXEMPLE 4
Cet exemple est identique à l'exemple 2, mais on utilise un poids de faujasite qui est le double du poids de mordénite, soit 21,6 g.EXAMPLE 4
This example is identical to Example 2, but a weight of faujasite is used which is twice the weight of mordenite, ie 21.6 g.
Le taux molaire de transformation en
HMF est de 12 %. Le taux molaire de transformation en HMF et fructose est de 35,5 %. Le taux molaire de transformation totale en HMF, fructose et mannose est de 43,5 %.The molar rate of transformation into
HMF is 12%. The molar rate of transformation into HMF and fructose is 35.5%. The total molar rate of transformation into HMF, fructose and mannose is 43.5%.
On note ainsi entre l'exemple comparatif 1 et l'exemple 2 que la transformation totale du glucose en
HMF et en précurseurs directs du HMF (fructose et mannose) est doublée par la seule adjonction d'une quantité faible de faujasite. La transformation est encore améliorée dans les exemples 3 et 4. Néanmoins, entre les exemples 3 et 4, la transformation n'est pas nettement améliorée. Par contre, on constate dans l'exemple 4 une augmentation sensible de production de sous-produits indésirables.It is thus noted between comparative example 1 and example 2 that the total transformation of glucose into
HMF and direct precursors of HMF (fructose and mannose) is doubled by the simple addition of a small amount of faujasite. The transformation is further improved in Examples 3 and 4. However, between Examples 3 and 4, the transformation is not significantly improved. On the other hand, in example 4, a significant increase in the production of undesirable by-products is noted.
L'extraction du HMF en continu dans le solvant à contre-courant dans une installation telle que celle de la figure permettra de déplacer l'équilibre de la transformation du fructose, et même du mannose en HMF, et d'obtenir une bonne conversion et une bonne sélectivité du procédé. The continuous extraction of HMF in the solvent against the current in an installation such as that of the figure will make it possible to shift the equilibrium of the transformation of fructose, and even of mannose into HMF, and to obtain a good conversion and good selectivity of the process.
On peut ainsi préparer directement et en une seule opération du HMF à partir du glucose, ou d'un mélange d'oses constitué d'aldohexoses ou comprenant des aldohexoses comme le glucose, en optimisant les quantités relatives des deux catalyseurs. HMF can thus be prepared directly and in a single operation from glucose, or from a mixture of oses consisting of aldohexoses or comprising aldohexoses such as glucose, by optimizing the relative amounts of the two catalysts.
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