JP2005074275A - Thermally stratified spiral flow type fermentor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、有機系廃棄物等の資源リサイクル技術や、バイオガス製造技術、微生物反応技術等において、有機系被処理液中の有機系廃棄物をメタン菌によって分解させるための発酵槽に関するものである。 The present invention relates to a fermenter for decomposing organic waste in an organic treatment liquid by methane bacteria in resource recycling technology such as organic waste, biogas production technology, and microbial reaction technology. is there.
家庭の生ごみ、家畜のふん尿、農産物の残渣や汚泥等の有機系廃棄物を含む有機系被処理液を、発酵槽内で微生物の作用でメタン醗酵させることによって生成されたバイオガス(主にメタンCH4)は、これを燃料電池やガスエンジン発電機、あるいはガスタービン発電機等によって電力に変換したり、燃焼によって熱エネルギに変換することができる一方、発酵後の消化液からは、液肥や堆肥を得ることができるので、このような発酵技術は、クリーンエネルギの供給や資源リサイクルを図るうえできわめて重要である。 Biogas produced by methane fermentation of organic processing liquids containing organic waste such as household garbage, livestock manure, agricultural residue and sludge in the fermenter (mainly Methane CH 4 ) can be converted into electric power by a fuel cell, a gas engine generator, a gas turbine generator, or the like, or converted into thermal energy by combustion. Such fermenting technology is extremely important for supplying clean energy and recycling resources.
上述のような有機系被処理液からバイオガスを生成させる場合、バイオガスの発生を効率良く行うためには、有機系被処理液を中温発酵(摂氏35度付近の温度環境での発酵)させた後に、高温発酵(摂氏55度付近の温度環境での発酵)を行うことが有効である。これは、それぞれの温度環境で活動するメタン菌(中温メタン菌及び高温メタン菌)を利用して有機系被処理液を分解するもので、例えば有機物の濃度が高い場合などは、中温発酵だけでは発酵が適切に行われなくなることがあるが、後段に高温発酵プロセスをおくことによって、発酵効率を上げることができる。従来、このような技術としては、例えば下記の特許文献1に記載されたものが知られている。
図4は、有機系被処理液を中温発酵後に高温発酵させる従来のバイオガス生成システムを概略的に示す説明図である。図4における参照符号101は中温発酵槽で、この中温発酵槽101には、有機系廃棄物を含む有機系被処理液Lが、加熱装置102によって摂氏35度程度に加熱されつつ、配管103を通じて供給されている。中温発酵槽101内に貯留された有機系被処理液Lは、側壁に設けられた保温装置104によって上記温度に保温されるので、中温メタン菌によって発酵し、これによって発生したバイオガスGが液中を気泡Bとなって浮上し、液面上の気室101aに開口した配管105を通じて回収され、電力や熱エネルギ源として供される。そして、中温発酵槽101内の有機系被処理液Lは、配管103から槽下部へ順次供給される新たな有機系被処理液Lによって徐々に押し上げられるので、貯留時間(発酵時間)の長い液面側から、配管106を通じて、ポンプ107によって高温発酵槽108へ送られる。
FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a conventional biogas generation system for fermenting an organic treatment liquid at high temperature after intermediate temperature fermentation.
中温発酵槽101から配管106を通じて高温発酵槽108へ供給される有機系被処理液Lは、配管106の中途に設けられた加熱装置109によって、中温メタン菌による発酵に適した摂氏35度程度から、高温メタン菌による発酵に適した摂氏55度程度まで加熱される。そして高温発酵槽108内に貯留された有機系被処理液Lは、側壁に設けられた保温装置110によって上記温度に保温されるので、高温メタン菌によって発酵し、これによって発生したバイオガスGが液中を気泡Bとなって浮上し、液面上の気室108aに開口した配管111を通じて回収され、中温発酵槽101からのバイオガスGと共に電力や熱エネルギ源として供される。
The organic processing liquid L supplied from the
また、高温発酵槽108内の有機系被処理液Lは、中温発酵槽101から配管106を通じて槽下部へ順次供給される有機系被処理液Lによって徐々に押し上げられるので、発酵が十分に進んだ消化液L’が、配管112を通じてポンプ113によって順次排出され、液肥化あるいは排水処理等の次工程へ送られる。
Further, the organic treatment liquid L in the high-
中温発酵槽101や高温発酵槽108には、回転する撹拌羽根を設けて、有機系被処理液Lを撹拌混合させるようにしたものもあるが、この場合は、中温発酵槽101あるいは高温発酵槽108に供給された有機系被処理液Lの一部が、十分に発酵されることなく出口から排出されてしまうことが避けられない。これに対し、上述のような押し出し式(ピストン式)のものは、貯留時間(発酵時間)の長い順に出口側へ押し出されるので、そのようなことはない。
Some
しかしながら、上記従来の技術では、中温発酵槽101と高温発酵槽108の二槽が必要であり、配管やポンプ、保温装置等を中温発酵槽101と高温発酵槽108のそれぞれに設けなければならないので、コストアップが避けられず、設置スペースも大きくならざるを得なかった。
However, in the above-described conventional technology, two tanks of the
本発明は、上述のような問題に鑑みてなされたもので、その技術的課題は、有機系被処理液に含まれる有機系廃棄物を、低コストで、かつ効率良く発酵させることの可能な発酵槽を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and the technical problem is that organic waste contained in an organic treatment liquid can be fermented at low cost and efficiently. It is to provide a fermenter.
上述の技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項1の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽は、槽本体と、この槽本体内の下端部へ有機系被処理液を供給する原液供給部と、前記槽本体内へ送られる有機系被処理液を中温発酵温度に加熱する第一加熱装置と、前記槽本体内の液貯留高さの中間位置に配置されてその上側の有機系被処理液を中温発酵温度から高温発酵温度に加熱する第二加熱装置と、この第二加熱装置より上方であって前記槽本体内の有機系被処理液の液面下に開口した消化液排出部と、前記槽本体内の上部気室に開口したバイオガス排出部とを備え、前記原液供給部が、槽本体内の有機系被処理液に旋回流を与える方向へ開口されたものである。
As a means for effectively solving the above technical problem, the temperature-stratified swirl type fermenter according to the invention of
なお、ここでいう有機系被処理液とは、家庭の生ごみ、家畜のふん尿、農産物の残渣や汚泥等の有機系廃棄物を1種類以上混合した液体のことであり、中温発酵温度とは、良く知られているように、中温メタン菌による発酵に適したほぼ摂氏30〜40度の温度環境のことであり、高温発酵温度とは、良く知られているように、高温メタン菌による発酵に適したほぼ摂氏50〜60度の温度環境のことである。 In addition, the organic treatment liquid here is a liquid that is a mixture of one or more organic wastes such as household waste, livestock manure, agricultural residues and sludge. As is well known, it is a temperature environment of approximately 30 to 40 degrees Celsius suitable for fermentation by a mesophilic methane bacterium, and the high temperature fermentation temperature, as is well known, is a fermentation by a high temperature methane bacterium. It is a temperature environment of approximately 50 to 60 degrees Celsius suitable for the above.
請求項2の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽は、請求項1に記載の構成において、槽本体の側壁に、第二加熱装置より下側の有機系被処理液を中温発酵温度に保温する第一保温装置と、前記第二加熱装置より上側の有機系被処理液を高温発酵温度に保温する第二保温装置が設けられたものである。
The temperature-stratified swirl type fermenter according to the invention of
請求項3の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽は、請求項1又は2に記載の構成において、第二加熱装置が、その下方から上方へ有機系被処理液が均一に通過可能な蛇管又はコイル状配管からなるものである。
The temperature-stratified swirling flow type fermenter according to the invention of
請求項4の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽は、請求項1〜3のいずれかに記載の構成において、消化液排出部の開口部が、有機系被処理液のほぼ旋回中心に位置するものである。
The temperature-stratified swirl type fermenter according to the invention of
請求項1の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽によれば、一つの槽本体内に、第二加熱装置を境にして、中温発酵領域とその上側の高温発酵領域からなる温度成層状態を創出し、中温発酵領域での中温発酵と、高温発酵領域での高温発酵を行うものであるため、従来の二槽式のものに比較して構造が簡素になり、設置スペースを小さくすることができると共に、撹拌装置を用いないため、コストを低減することができる。また、原液供給部からの吐出流によって、槽本体内の有機系被処理液が旋回しながら、下部中温発酵領域、第二加熱装置及び上部高温発酵領域を経由して順次送り出され、滞留時間の長い順に排出されるので、十分なメタン発酵を行うことができる
According to the temperature stratified swirling flow type fermenter according to the invention of
請求項2の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽によれば、槽本体の内部が、第二加熱装置を境にして、第一保温装置によってほぼ一様な中温発酵温度環境に保たれた下部中温発酵領域と、第二保温装置によってほぼ一様な高温発酵温度環境に保たれた上部高温発酵領域との温度成層状態を創出するため、中温発酵領域での中温発酵及び高温発酵領域での高温発酵を安定的に行うことができる。
According to the temperature stratified swirl type fermenter according to the invention of
請求項3の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽によれば、第二加熱装置が、その下方から上方へ有機系被処理液が均一に通過可能な蛇管又はコイル状配管からなるものであるため、その下側の中温発酵領域から上側の高温発酵領域へ押し上げられる有機系被処理液を、中温発酵温度から高温発酵温度へ効率良く加温することができる。
According to the temperature stratified swirl type fermenter according to the invention of
請求項4の発明に係る温度成層旋回流型発酵槽によれば、消化液排出部の開口部を、有機系被処理液のほぼ旋回中心に設けたことによって、槽本体内の安定した旋回流を維持することができる。
According to the temperature-stratified swirling flow type fermenter according to the invention of
以下、本発明に係る温度成層旋回流型発酵槽の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図1は、本発明に係る温度成層旋回流型発酵槽の概略構成を示す鉛直断面図、図2及び図3は、旋回流の発生原理を示す説明図である。 Hereinafter, a preferred embodiment of a temperature stratified swirl type fermenter according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a vertical sectional view showing a schematic configuration of a temperature-stratified swirling flow type fermenter according to the present invention, and FIGS. 2 and 3 are explanatory views showing the principle of generation of swirling flow.
図1に示される形態による温度成層旋回流型発酵槽は、槽本体1と、この槽本体1内の下部へ有機系被処理液Lを供給する原液供給部2と、槽本体1内へ送られる有機系被処理液Lを中温発酵温度、すなわち摂氏35度程度に加熱する第一加熱装置3と、槽本体1内の液貯留高さの中間高さに配置されてその上側の有機系被処理液Lを中温発酵温度から高温発酵温度すなわち摂氏55度程度に加熱する第二加熱装置4と、この第二加熱装置4より上方であって槽本体1内の有機系被処理液Lの液面下に開口した消化液排出部5と、槽本体1の上部から外部へ延びるバイオガス排出部6とを備える。
A temperature-stratified swirling flow type fermenter according to the embodiment shown in FIG. 1 includes a
槽本体1は、密閉円筒状の金属容器からなるものであって、基礎11上に固定され、側壁外周には、第二加熱装置4より下側に位置する第一保温装置7と、その上側に位置する第二保温装置8が取り付けられている。また、第一保温装置7及び第二保温装置8を含む槽本体1の側壁1a及び天板部1bの外側は、断熱材からなる断熱層12及び外装材で被覆されている。
The
原液供給部2は、液供給配管21及びその中途に設けられたポンプ22からなる。液供給配管21の下流部は複数の管路に分岐している。そして、その下流端部のノズル21a,21aは、槽本体1内の底部1c近傍において、例えば図2に示されるように、槽本体1の円筒状の側壁1aにおける円周方向180度対称位置で、この円周に対するほぼ接線方向へ、回転対称に開口している。したがって、液供給配管21のノズル21a,21aから吐出される有機系被処理液Lの接線方向の吐出流F1,F1は、槽本体1の内側面に沿った円周方向の流れとなり、貯留された有機系被処理液L全体に、一様な旋回流F2を生じさせるようになっている。
The stock
なお、原液供給部2における液供給配管21の下流端部のノズル21aは、図3に示されるように、槽本体1の円筒状の側壁1aにおける円周方向3箇所以上に、接線方向へ互いに回転対称に開口させても良い。
As shown in FIG. 3, the
第一加熱装置3は、温水を通す蛇管又はコイル状配管3aを有する熱交換器であり、原液供給部2における液供給配管21の中途に接続されて、先に説明したように、槽本体1内へ送られる有機系被処理液Lを摂氏30〜40度、好ましくは摂氏35度程度に加熱するものである。
The
第二加熱装置4は、温水を通す蛇管又はコイル状配管を平面的に配置した熱交換器であって、槽本体1内の液貯留部を、下部中温発酵領域10Aと、上部高温発酵領域10Bに分割するように設けられている。この第二加熱装置4は、これを構成する蛇管又はコイル状配管の間に、有機系被処理液Lや、下部中温発酵領域10Aで発生したバイオガスの通過を許容する隙間4aが形成されており、下部中温発酵領域10Aから上部高温発酵領域10Bへ向けて前記隙間4a通過する有機系被処理液Lを、摂氏50〜60度、好ましくは摂氏55度程度に効率良く加熱するものである。
The
消化液排出部5は、槽本体1及びその外側の断熱層12の上部を貫通して配設された配管51と、槽本体1の外部で配管51の中途に設けられたポンプ52とを備える。配管51の内端開口部51aは、槽本体1内における有機系被処理液Lの旋回流F2のほぼ中心位置(旋回中心O)、言い換えれば円筒状の槽本体1のほぼ軸心位置にあって、かつ上部高温発酵領域10Bの上端近傍、好ましくは有機系被処理液Lの液面上の上部気室10CからバイオガスGを吸い込むことがないように、有機系被処理液Lの液面レベルhよりも15cm程度下側にある。
The digestive
バイオガス排出部6は、槽本体1の天板部1bに開口61aした配管61と、その中途に設けられたポンプ62とを備え、配管61の下流端部は、不図示のガス回収部に接続されている。
The
第一保温装置7は、第二加熱装置4の設置高さより下側に位置して槽本体1の外周を取り巻くように設けられたコイル状配管又は温水ジャケットからなる熱交換器であって、温水を通すことによって、槽本体1の下部中温発酵領域10A内の有機系被処理液Lを摂氏35度程度に保温するものである。また、第二保温装置8は、第一保温装置7の上側で槽本体1の外周を取り巻くように設けられたコイル状配管又は温水ジャケットからなる熱交換器であって、温水を通すことによって、槽本体1の上部高温発酵領域10B内の有機系被処理液Lを摂氏55度程度に保温するものである。
The first
以上の構成を備える温度成層旋回流型発酵槽によれば、中温発酵を行う下部中温発酵領域10Aと、高温発酵を行う上部高温発酵領域10Bが、単一の槽本体1内に設けられているので、配管等の設備が従来の二槽式のものに比較して簡素になって、コストを低減することができると共に、設置スペースを小さくすることができる。
According to the temperature stratified swirling flow type fermenter having the above configuration, the lower intermediate
次に、この形態の温度成層旋回流型発酵槽による有機系被処理液Lの処理について説明する。なお、原液供給部2から槽本体1へ供給される有機系被処理液Lは、例えば下水あるいは水道水などに、家庭の生ごみを粉砕したスラリー、農産物の残渣等を粉砕したスラリー、家畜のふん尿、浄化槽の汚泥等、一種類以上の有機系廃棄物を混合したものである。また、発酵に必要なメタン菌(中温メタン菌及び高温メタン菌)は、通常、ふんなどに存在するので、プラントを急いで立ち上げる必要がない場合は敢えて添加する必要はないが、好ましくは、原液供給部2に投入される有機系被処理液Lに、予めメタン菌を添加する。
Next, the process of the organic processing liquid L by the temperature stratified swirl type fermenter of this form will be described. In addition, the organic processing liquid L supplied to the tank
まず、原液供給部2からの有機系被処理液Lは、槽本体1内における下部中温発酵領域10Aの下端部へ連続して送られる過程で、第一加熱装置3によって摂氏35度程度に加熱される。一方、消化液排出部5では、ポンプ52の駆動によって、原液供給部2からの供給流量と同じ流量で、発酵の進んだ有機系被処理液L(消化液L’)を排出しており、これによって、槽本体1内に貯留された有機系被処理液Lの液面レベルhがほぼ一定に維持される。
First, the organic processing liquid L from the stock
原液供給部2における液供給配管21の下流端部の各ノズル21a,21aから槽本体1内における下部中温発酵領域10Aの下端部(底部1c近傍)の外周部に、図2に示されるように、接線方向へ吐出される有機系被処理液Lの吐出流F1,F1によって、槽本体1内に供給された有機系被処理液Lには、槽本体1の鉛直軸心を旋回中心Oとする層流状の旋回流F2が与えられる。そして、この有機系被処理液Lは、各ノズル21a,21aから槽本体1内の下部外周へ一定の吐出流量で継続的に供給されることによって、ピストン的に下部から上部へ順次押し上げられて行く。
As shown in FIG. 2, from the
槽本体1内における下部中温発酵領域10Aに供給される有機系被処理液Lは、第一加熱装置3によって、中温メタン菌による発酵に適した摂氏35度程度に加熱されると共に、その温度が断熱層12及び第一保温装置7によって維持される。有機系被処理液L中の中温メタン菌、高温メタン菌は、中温、高温の両環境で生息するが、中温環境では、中温メタン菌が活発に繁殖、活動する。このため、下部中温発酵領域10Aでの滞留過程では、主に中温メタン菌による分解(中温発酵)が行われ、メタンを主成分とするバイオガスGを発生する。発生したバイオガスGは微細な気泡Bとなって、下部中温発酵領域10Aから第二加熱装置4の隙間4aを通って上部高温発酵領域10Bへ液中を浮上し、その液面から上部気室10Cへ放出される。
The organic processing liquid L supplied to the lower intermediate
有機系被処理液Lは、下部中温発酵領域10A内を、中温発酵の進行と共に、先に説明したように、ピストン的に順次押し上げられて行くので、やがて下部中温発酵領域10Aの上部から、第二加熱装置4を構成する蛇管又はコイル状配管の隙間4aを介して上部高温発酵領域10Bへ押し上げられる。このため、撹拌装置によって強制的に撹拌した場合のように、下部中温発酵領域10Aに供給されたばかりの有機系被処理液Lの一部が、滞留時間の長い有機系被処理液Lと共に上部高温発酵領域10Bへ移動してしまうようなことがなく、下部中温発酵領域10A内での滞留時間の長いものから順に上部高温発酵領域10Bへ押し上げられるので、十分な中温発酵を行うことができる。しかも、撹拌装置が不要であるため、コストも低減される。
As described above, the organic processing liquid L is pushed up in a piston-like manner in the lower intermediate
下部中温発酵領域10A内で中温発酵に適した摂氏35度程度に保温されていた有機系被処理液Lは、第二加熱装置4の隙間4aを上部高温発酵領域10Bへ通過する際に、高温メタン菌による発酵に適した摂氏55度程度に加熱されると共に、その温度が断熱層12及び第二保温装置8によって維持される。このため、槽本体1内は、第二加熱装置4を境にして、ほぼ一様な中温発酵温度環境に保たれた下部中温発酵領域10Aと、ほぼ一様な高温発酵温度環境に保たれた上部高温発酵領域10Bとに明確に分けられた温度成層状態となっている。
When the organic processing liquid L kept at about 35 degrees Celsius suitable for intermediate temperature fermentation in the lower intermediate
有機系被処理液L中の高温メタン菌は、高温環境で活発に繁殖、活動する。このため、有機系被処理液Lは、上部高温発酵領域10Bでの滞留過程で、主に高温メタン菌による高速分解(高温発酵)が行われ、メタンを主成分とするバイオガスGを発生する。発生したバイオガスGは微細な気泡Bとなって、上部高温発酵領域10Bの液中を浮上し、その液面から上部気室10Cへ放出される。
The high-temperature methane bacterium in the organic treatment liquid L actively propagates and operates in a high-temperature environment. For this reason, the organic treatment liquid L undergoes high-speed decomposition (high-temperature fermentation) mainly with high-temperature methane bacteria during the staying process in the upper high-
また、下部中温発酵領域10A内で液供給配管21の下流端部の各ノズル21a,21aによって与えられた旋回力は、第二加熱装置4の隙間4aを介して上部高温発酵領域10B内に伝達される。また、消化液排出部5による排出口(開口51a)が、図2に示される旋回中心Oに位置しているので、液面付近まで押し上げられた有機系被処理液Lは、旋回しながら徐々に向心方向へ移動することになる。したがって、上部高温発酵領域10B内の旋回流F2が乱されることがなく、安定した旋回状態が維持される。
Further, the turning force provided by the
上部高温発酵領域10B内の有機系被処理液Lは、旋回流F2によって徐々に混合しながら、上述の高温発酵の進行と共にピストン的に順次押し上げられて行くため、撹拌装置によって強制的に撹拌した場合のように、下部中温発酵領域10Aから上部高温発酵領域10Bへ送られたばかりの有機系被処理液Lの一部が、上部高温発酵領域10Bでの滞留時間の長い有機系被処理液Lと共に消化液排出部5から排出されてしまうようなことがなく、高温発酵による十分な分解を行うことができる。しかも、撹拌装置が不要であるため、コストも低減される。
Organic liquid to be treated L of the upper
下部中温発酵領域10Aでの中温発酵によって発生したバイオガスG、及び上部高温発酵領域10Bでの高温発酵によって発生したバイオガスGは、上部気室10Cに放出され、槽本体1の天板部1bに開口61aしたバイオガス排出部6を介して回収し、水分や硫化水素等の除去等の処理を行った後、不図示の燃料電池やガスエンジン発電機、あるいはガスタービン発電機等に送って電力に変換することによって、原液供給部2におけるポンプ22や、消化液排出部5におけるポンプ52や、バイオガス排出部6におけるポンプ62等の駆動エネルギとしても利用することができる。また、上記発電機等で発生する熱を、第一加熱装置3、第二加熱装置4、第一保温装置7及び第二保温装置8に供給される温水の熱源として利用することができる。
The biogas G generated by the medium temperature fermentation in the lower intermediate
一方、消化液排出部5から排出された消化液L’、すなわち十分な発酵によって有機物の大部分がメタン等に分解された後の被処理液は、液肥化することによって牧草地等に散布することができ、あるいは所定の水処理後に放流することができる。
On the other hand, the digested liquid L ′ discharged from the digested
なお、原液供給部2による有機系被処理液Lの供給流量は、十分な発酵に必要な槽本体1内での滞留時間(滞留日数)を考慮して、適切に設定される。また、槽本体1内における上部高温発酵領域10Bでの有機系被処理液Lの旋回速度が速いと、図1に一点鎖線で示されるように、遠心力によって液面が旋回中心で下降し、あるいは液中で発生したバイオガスの気泡Bが旋回中心へ向けて集まりやすくなる。したがって、このような現象によって消化液排出部5からバイオガスGが吸い出され、バイオガス排出部6によるバイオガスGの回収量が減少してしまうことのないように、各ノズル21a,21aからの有機系被処理液Lの吐出速度は、適切に設定される。
In addition, the supply flow rate of the organic processing liquid L by the stock
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではない。例えば、槽本体1は、必ずしも円筒状である必要はなく、原液供給部2のノズル21aからの吐出流F1によってほぼ一様な旋回流F2を形成可能であれば、水平断面形状が略正方形あるいは略正多角形のものであっても良い。また、第一加熱装置3、第二加熱装置4、第一保温装置7及び第二保温装置8は、電気ヒータを用いることもでき、この場合の電力は、発生したバイオガスを用いて燃料電池やガスエンジン発電機、あるいはガスタービン発電機等で発電することによって得ることができる。
The present invention is not limited to the embodiment described above. For example, the
1 槽本体
1a 上部気室
2 原液供給部
21 液供給配管
21a,21a ノズル
3 第一加熱装置
4 第二加熱装置
5 消化液排出部
6 バイオガス排出部
7 第一保温装置
8 第二保温装置
10A 下部中温発酵領域
10B 上部高温発酵領域
10C 上部気室
G バイオガス
L 有機系被処理液
L’ 消化液
O 旋回中心
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