JP2020519574A - メチオニンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、アルカリ金属水酸化物および／またはアルカリ金属炭酸塩および／またはアルカリ金属炭酸水素塩を含む水性プロセス溶液中での５−（２−メチルメルカプトエチル）−ヒダントイン（メチオニンヒダントイン）のアルカリ加水分解を含み、ここで、前記プロセス溶液中のアルカリ金属カチオンは、９９／１〜２０／８０の範囲のＫ／Ｎａモル比を有するカリウムおよびナトリウムである、メチオニンの製造方法に関する。
Description
本発明は、アルカリ金属水酸化物および／またはアルカリ金属炭酸塩および／またはアルカリ金属炭酸水素塩を含む水性プロセス溶液中での５−（２−メチルメルカプトエチル）−ヒダントイン（メチオニンヒダントイン）のアルカリ加水分解を含み、ここで、プロセス溶液中のアルカリ金属カチオンは、９９／１〜２０／８０の範囲のＫ／Ｎａモル比を有するカリウムおよびナトリウムである、メチオニンの製造方法に関する。
アミノ酸メチオニンは、現在、世界中で大量に工業的に生産されており、商業的にかなり重要である。メチオニンは、医薬品、健康品およびフィットネス品などの多くの分野で用いられているが、特に、様々な家畜用の多くの飼料における飼料添加物として用いられている。
工業規模では、メチオニンは、ストレッカー合成の変法であるブヘラ・ベルクス反応を介して化学的に生成される。この場合、出発物質３−メチルメルカプトプロパナール（２−プロペナールとメチルメルカプタンとから製造される）、シアン化水素酸（シアン化水素）、アンモニアおよび二酸化炭素を反応させて５−（２−メチルメルカプトエチル）ヒダントイン（メチオニンヒダントイン）が得られ、続けてこれを炭酸カリウムおよび炭酸水素カリウムを用いたアルカリにより加水分解してメチオニン酸カリウムが得られる。メチオニンは、二酸化炭素を用いた処理（「炭酸化反応」）によりカリウム塩から最終的に遊離させられ、これは炭酸カリウムおよび炭酸水素カリウムを含む母液からの沈殿物としてろ過することができる（米国特許第５，７７０，７６９号明細書）。次いで、沈殿したメチオニンを水溶液から再結晶させ、ろ過して乾燥させる。このようにして得られたメチオニンは、９９％を超える純度および０．５％未満のカリウム含有量を有する。
米国特許第４，２７２，６３１号明細書は、アルカリ金属水酸化物とアルカリ土類金属水酸化物との混合物を使用してメチオニンヒダントインを鹸化できることを実証している。しかしながら、これらのプロセスでは、メチオニンの遊離中に最初にアルカリ土類金属イオンを分離する必要があり、そのため最大収率は８０．５％しか得られない。米国特許第４，２７２，６３１号明細書は、メチオニンヒダントインの鹸化のためのアルカリ金属水酸化物の混合物の使用を開示していない。
アンモニア、炭酸カリウムおよび炭酸水素カリウムの試薬に加えて二酸化炭素も、一般に工業的なメチオニン生産で再利用される。しかしながら、このヒダントイン加水分解循環の水性プロセス溶液の一部を新鮮な水酸化カリウムと連続的に交換し、この循環から不活性化カリウム塩をギ酸カリウムの形態で本質的に除去（「パージ」）する必要がある。ギ酸カリウムは、メチオニンヒダントイン溶液中に存在するシアン化水素の残留物と、ヒダントイン加水分解によるアルカリカリウム塩とから形成される（国際公開第２０１３０３００６８号２）。メチオニン合成の更なる副生成物がジペプチドメチオニルメチオニンである（欧州特許出願公開第１５６４２０８号明細書）。一般に、ヒダントイン加水分解循環での副生成物の過剰な濃縮は回避されなければならない。さもなければ、結晶形成の破壊が下流で発生するからである。ヒダントイン加水分解循環のスキームを図１に示す。
ヒダントイン加水分解循環に再利用される典型的なプロセス溶液は、約１０〜１６質量％のカリウム、５〜１０質量％のメチオニン、３〜５質量％のメチオニルメチオニン、０．５〜２．０質量％のギ酸塩および０．２〜０．３質量％の酢酸塩を含む。
メチオネートとカリウムは、二酸化炭素を用いた沈殿により、それぞれメチオニンと炭酸カリウムの形態で部分的にパージ流から回収し、ろ過してプロセス溶液に供給し戻すことができる。しかしながら、依然として比較的高価なカリウム塩のかなりの損失がある。最終パージ溶液は、約２〜６質量％のメチオニン、４〜８質量％のメチオニルメチオニン、６〜１４質量％のカリウム塩の形態のカリウム、１〜１．７質量％のギ酸塩および０．３〜０．５質量％の酢酸塩を含む。
過剰の炭酸ナトリウムを再利用する目的で、ＣａｐｅｌｌｅおよびＲｅｙ（国際公開第２０１６／１７０２５２号）は、水相中でのメチオニンヒダントインのアルカリ加水分解によりメチオニンを生成し、加水分解媒体からアンモニアと二酸化炭素を除去し、得られたメチオニンナトリウム塩を中和する方法を提案しており、ここで、アンモニアと二酸化炭素の除去後、反応媒体を濃縮することで炭酸ナトリウムを沈殿させ、これをろ過し、水酸化ナトリウムおよび炭酸ナトリウムの存在下でのアルカリ加水分解に再利用する。しかしながら、この方法では、メチオニンナトリウム塩の中和は亜硫酸により達成され、これは依然として、プロセスから除去しなければならない副生成物として大量の硫酸ナトリウムをもたらす。
炭酸化反応、すなわち、メチオニンのアルカリ金属塩と二酸化炭素との反応でメチオニンとアルカリ金属炭酸水素塩を形成する反応（図１）では、メチオニンが沈殿し、プロセス溶液から除去される。しかしながら、炭酸水素ナトリウムとメチオニンの溶解度の差は小さいため（図２）、メチオニンのナトリウム塩がこの反応で使用される場合、大量の炭酸水素ナトリウムがメチオニンと共沈する。したがって、炭酸化反応ではメチオニンのカリウム塩が使用され、これは、通常、水酸化カリウムがヒダントイン加水分解循環プロセスに追加されることを意味する。
米国特許第４，２５９，５２５号明細書および米国特許第５，７７０，７６９号明細書からは、カリウム塩または水酸化物の代わりにナトリウム塩または水酸化物がメチオニンヒダントインの加水分解に用いられる場合、二酸化炭素を用いて沈殿させたメチオニンは、生成物とともに沈殿する炭酸ナトリウムの溶解度が低いため、高濃度のナトリウムを含む傾向があることも知られている。
本発明の目的は、水酸化カリウムおよび／または炭酸カリウムおよび／または炭酸水素カリウムを含む水性プロセス溶液中で５−（２−メチルメルカプトエチル）−ヒダントイン（メチオニンヒダントイン）をアルカリ加水分解してメチオニンカリウム塩を形成し、二酸化炭素によりメチオニンを沈殿させ、沈殿させたメチオニンをプロセス溶液から分離し、プロセス溶液を濃縮し、プロセス溶液をメチオニンヒダントインのアルカリ加水分解に再利用することを含み、ここで、プロセス溶液中のカリウムカチオンを部分的にナトリウムカチオンに置き換えることでパージ溶液流中の比較的高価なカリウム塩の損失を回避する、メチオニンの製造方法を提供することである。
ヒダントイン加水分解反応から生じるプロセス溶液中では、炭酸化反応での炭酸水素ナトリウムの望ましくない共沈殿なしに、カリウムの大部分をナトリウムで置き換えることができることがわかった。
この目的は、アルカリ金属水酸化物および／またはアルカリ金属炭酸塩および／またはアルカリ金属炭酸水素塩を含む水性プロセス溶液中で５−（２−メチルメルカプトエチル）−ヒダントイン（メチオニンヒダントイン）をアルカリ加水分解してメチオニンアルカリ金属塩を形成し、二酸化炭素によりメチオニンを沈殿させ、沈殿させたメチオニンをプロセス溶液から分離し、プロセス溶液を濃縮し、プロセス溶液に再び送られるメチオニンヒダントインのアルカリ加水分解においてプロセス溶液を再利用することを含み、ここで、プロセス溶液中のアルカリ金属カチオンは、９９／１〜２０／８０のＫ／Ｎａモル比を有するカリウムおよびナトリウムであり、カリウム濃度は１３．９質量％〜１．２質量％の範囲であり、ナトリウム濃度は０．０４質量％〜６．６質量％の範囲である、メチオニンの製造方法により達成される。
濃縮ステップ中、プロセス溶液は、ヒダントイン加水分解循環のその典型的な開始濃度、すなわち、約５〜１６質量％のアルカリ金属、５〜８質量％のメチオニン、３〜５質量％のメチオニルメチオニン、０．７〜１．１質量％のギ酸塩および０．２〜０．３質量％の酢酸塩を含む濃度に再濃縮される。
本発明による方法では、プロセス溶液中のＫ／Ｎａモル比は、好ましくは９０／１０〜２０／８０の範囲であり、カリウム濃度は１２．６質量％〜１．２質量％の範囲であり、ナトリウム濃度は０．３５質量％〜６．６質量％の範囲である。理想的には、プロセス溶液中のＫ／Ｎａモル比は７０／３０〜５０／５０の範囲であり、カリウム濃度は９．８質量％〜３質量％の範囲であり、ナトリウム濃度は１，０６質量％〜４，１質量％の範囲である。
本発明による方法では、沈殿させたメチオニンを、次いで水溶液から再結晶し、ろ過して乾燥させる。そのようにして得られたメチオニンは、９９％を超える純度ならびに０．３％未満のカリウム含有量および０．１％未満のナトリウム含有量を有し、特に、結晶性メチオニン中のカリウム含有量は０．０５〜０．３％の範囲であり、ナトリウム含有量は０．０１〜０．１％の範囲である。
本発明による方法では、プロセス溶液の一部、いわゆる「パージ溶液」をプロセスから連続的に除去し、新鮮なアルカリ金属水酸化物溶液と交換することができる。
プロセスから除去されたパージ溶液は、２〜６質量％のメチオニン、４〜８質量％のメチオニルメチオニン、１〜１．７質量％のギ酸塩、０．３〜０．５質量％の酢酸塩および６〜１４質量％のカリウム塩およびナトリウム塩の形態のアルカリ金属を含み、ここで、カリウムおよびナトリウムは、９９／１〜２０／８０のＫ／Ｎａモル比を有するカリウムおよびナトリウムであり、カリウム濃度は１３．９質量％〜１．２質量％の範囲であり、ナトリウム濃度は０．０４質量％〜６．６質量％の範囲である。
本発明による方法はまた、９０／１０〜２０／８０の範囲のＫ／Ｎａモル比を有し、カリウム濃度は１２．６質量％〜１．２質量％の範囲であり、ナトリウム濃度は０．３５質量％〜６．６質量％の範囲であるパージ溶液をもたらし得る。
本発明による方法はまた、７０／３０〜５０／５０の範囲のＫ／Ｎａモル比を有し、カリウム濃度は９．８質量％〜３質量％の範囲であり、ナトリウム濃度は１．０６質量％〜４．１質量％の範囲であるパージ溶液をもたらし得る。
カリウム、窒素、硫黄およびナトリウムの含有量により、そのようにして得られたパージ溶液は液体肥料として適している（Ｃ．Ｃ．Ｍｉｔｃｈｅｌ ａｎｄ Ａ．Ｅ．Ｈｉｌｔｂｏｌｄ，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｌａｎｔ Ｎｕｔｒｉｔｉｏｎ，１７（１２），２１１９−２１３４，１９９４）。さらに、ナトリウムは、植物の機能性栄養素、すなわち、バイオマスの最大収量を促進する要素および／または必須要素の要件（臨界レベル）を下げる要素であると考えられる（Ｓｕｂｂａｒａｏ ｅｔ ａｌ．，Ｃｒｉｔｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗｓ ｉｎ Ｐｌａｎｔ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，２２（５）：３９１−４１６（２００３））。
パージ溶液は、２〜６質量％のメチオニン、４〜８質量％のメチオニルメチオニン、１〜１．７質量％のギ酸塩、０．３〜０．５質量％の酢酸塩および１３．９質量％〜１．２質量％のカリウム塩の形態のカリウムおよび０．０４質量％〜６．６質量％のナトリウム塩の形態のナトリウムを含み得る。パージ溶液はまた、１２．６質量％〜１．２質量％の範囲のカリウム濃度および０．３５質量％〜６．６質量％の範囲のナトリウム濃度を有し得る。あるいはパージ溶液は、９．８質量％〜３質量％の範囲のカリウム濃度および１．０６質量％〜４．１質量％の範囲のナトリウム濃度を有し得る。
その組成により、パージ溶液は肥料または肥料添加剤として使用することができる。
図２における測定値は、次の出典に由来する。
ＫＨＣＯ３の溶解度：
Ｓｅｉｄｅｌｌ，１９４０：Ｓｅｉｄｅｌ，Ａ．；Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｄａｔａ Ｓｅｒ．，１９４０
Ｇｍｅｌｉｎ：Ｇｍｅｌｉｎｓ Ｈａｎｄｂｕｃｈ，２２，１９３８
Ｔａｋａｈａｓｈｉ，１９２７：Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｇ．；Ｂｕｌｌ．Ｉｍｐ．Ｓｅｒｉｃ．Ｓｔｎ．Ｔｏｋｙｏ ２９，１９２７，１６５
ＮａＨＣＯ３の溶解度：
Ｔｒｙｐｕｃ ＆ Ｋｉｅｌｋｏｗｓｋａ，１９９８：Ｔｒｙｐｕｃ，Ｍ．；Ｋｉｅｌｋｏｗｓｋａ，Ｕ．；Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｄａｔａ ４３（２），１９９８，２０１−２０４
Ｆｅｄｏｔｅｖ，１９０４：Ｆｅｄｏｔｅｖ，Ｐ．Ｐ．，Ｚ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．４９，１９０４，１６８
メチオニンの溶解度：
Ｆｕｃｈｓ ｅｔ ａｌ．，２００６：Ｆｕｃｈｓ ｅｔ ａｌ．，２００６，Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，４５，６５７８−６５８４
（Ｆｕｃｈｓ ｅｔ ａｌ．，２００６に従った）実験室実験：独自の実験室実験の結果
ＫＨＣＯ３の溶解度：
Ｓｅｉｄｅｌｌ，１９４０：Ｓｅｉｄｅｌ，Ａ．；Ｓｏｌｕｂｉｌｉｔｙ Ｄａｔａ Ｓｅｒ．，１９４０
Ｇｍｅｌｉｎ：Ｇｍｅｌｉｎｓ Ｈａｎｄｂｕｃｈ，２２，１９３８
Ｔａｋａｈａｓｈｉ，１９２７：Ｔａｋａｈａｓｈｉ，Ｇ．；Ｂｕｌｌ．Ｉｍｐ．Ｓｅｒｉｃ．Ｓｔｎ．Ｔｏｋｙｏ ２９，１９２７，１６５
ＮａＨＣＯ３の溶解度：
Ｔｒｙｐｕｃ ＆ Ｋｉｅｌｋｏｗｓｋａ，１９９８：Ｔｒｙｐｕｃ，Ｍ．；Ｋｉｅｌｋｏｗｓｋａ，Ｕ．；Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｄａｔａ ４３（２），１９９８，２０１−２０４
Ｆｅｄｏｔｅｖ，１９０４：Ｆｅｄｏｔｅｖ，Ｐ．Ｐ．，Ｚ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．４９，１９０４，１６８
メチオニンの溶解度：
Ｆｕｃｈｓ ｅｔ ａｌ．，２００６：Ｆｕｃｈｓ ｅｔ ａｌ．，２００６，Ｉｎｄ．Ｅｎｇ．Ｃｈｅｍ．Ｒｅｓ．，４５，６５７８−６５８４
（Ｆｕｃｈｓ ｅｔ ａｌ．，２００６に従った）実験室実験：独自の実験室実験の結果
実験部
炭酸化反応では、０．５当量の炭酸カリウムを伴うメチオニンのカリウム塩（Ｋ−Ｍｅｔ）をＣＯ２と反応させる。ＫＨＣＯ３が形成され、メチオニン（Ｈ−Ｍｅｔ）が沈殿する（化学反応式１および２）：
Ｋ−Ｍｅｔ＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｈ−Ｍｅｔ（ｓ）＋ＫＨＣＯ３ （化学反応式１）
Ｋ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→２ＫＨＣＯ３ （化学反応式２）
炭酸化反応では、０．５当量の炭酸カリウムを伴うメチオニンのカリウム塩（Ｋ−Ｍｅｔ）をＣＯ２と反応させる。ＫＨＣＯ３が形成され、メチオニン（Ｈ−Ｍｅｔ）が沈殿する（化学反応式１および２）：
Ｋ−Ｍｅｔ＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｈ−Ｍｅｔ（ｓ）＋ＫＨＣＯ３ （化学反応式１）
Ｋ２ＣＯ３＋ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→２ＫＨＣＯ３ （化学反応式２）
ＫＨＣＯ３と比較してＮａＨＣＯ３の溶解度が著しく低いため（図２）、炭酸化反応器中でのＮａＨＣＯ３結晶の望ましくない沈殿を避けるために、Ｋ／Ｎａのモル比を慎重に調整する必要がある。
したがって、モル比Ｋ／Ｎａが異なる合成プロセス溶液を用いた炭酸化反応を調べるために、実験室で一連の実験を行う。全体のアルカリ濃度（ＫおよびＮａの合計パラメーター）を一定に維持し、つまり、モル比Ｋ／Ｎａ＝１００／０と比較してＫ／Ｎａ＝７０／３０の場合、カリウム濃度は３０％低下し、等モルがナトリウムで置き換えられている。この調査の結果を図３にまとめる。
フィルターケーキ中のメチオニン含有量は、モル比Ｋ／Ｎａが１００／０〜０／１００の場合に一定であると考えることができる。フィルターケーキ中のＮａ含有量は、モル比Ｋ／Ｎａが１００／０〜２０／８０の場合に３．９２ｇまで僅かに増加し、これは、フィルターケーキに付着して取り込まれるプロセス溶液によって説明することができる。しかしながら、モル比Ｋ／Ｎａが１０／９０および０／１００の場合にフィルターケーキ中で著しく高いＮａ含有量（９．３４〜１９．６７ｇ）が観察され、ＮａＨＣＯ３も部分的に沈殿していることが示された。
したがって、炭酸水素ナトリウムの共沈殿なしにモル比Ｋ／Ｎａ２０／８０まで炭酸化反応を実行することが可能である。
例１
モル比Ｋ／Ｎａが９０／１０のプロセス溶液を製造するための実験手順
１０００ｍｌのビーカーを氷浴に入れ、ＫＯＨ（水中４０％、３５４．２ｇ、２．５３ｍｏｌ）、ＮａＯＨ（水中４０％、１１．２ｇ、０．２８ｍｏｌ）、Ｄ，Ｌ−メチオニン（１５９．７ｇ、１．０７ｍｏｌ）、ＤＬ−メチオニル−ＤＬ−メチオニン（２９．９ｇ、０．１１ｍｏｌ）およびギ酸（水中５０％、４１．４ｇ、０．４５ｍｏｌ）を２００ｍｌの脱イオン水に溶解し、４５分間撹拌した。次いで、この溶液を２０℃に加温し、１０００ｍｌのメスフラスコに移し、脱イオン水で１０００ｍｌの総容量に満たした。
モル比Ｋ／Ｎａが９０／１０のプロセス溶液を製造するための実験手順
１０００ｍｌのビーカーを氷浴に入れ、ＫＯＨ（水中４０％、３５４．２ｇ、２．５３ｍｏｌ）、ＮａＯＨ（水中４０％、１１．２ｇ、０．２８ｍｏｌ）、Ｄ，Ｌ−メチオニン（１５９．７ｇ、１．０７ｍｏｌ）、ＤＬ−メチオニル−ＤＬ−メチオニン（２９．９ｇ、０．１１ｍｏｌ）およびギ酸（水中５０％、４１．４ｇ、０．４５ｍｏｌ）を２００ｍｌの脱イオン水に溶解し、４５分間撹拌した。次いで、この溶液を２０℃に加温し、１０００ｍｌのメスフラスコに移し、脱イオン水で１０００ｍｌの総容量に満たした。
次いで、１１００ｇの溶液を２リットルのビュッヒ実験室オートクレーブに移し、０．３２ｇのＤｅｆｏａｍｅｒ ＥＧ２００７を加えた。冷却ジャケットとクライオスタットにより、オートクレーブを３０℃に冷却した。機械的撹拌を開始し、オートクレーブをＣＯ２ガスで２ｂａｒｇに加圧した。ｐＨ８に達し、温度が３０℃に維持されるまで、ＣＯ２ガス供給流を２ｂａｒｇで維持するように調節した。オートクレーブから圧力を解放し、懸濁液を真空フィルターフリットに移し、９４０ｍｂａｒの絶対圧力で１５分間吸引乾燥させた。ろ液を１００ｍｌのガラス瓶に集め、脱イオン水で希釈して、その後の固形物の沈殿を回避し、続けて平衡化した。フィルターケーキをスパチュラで３０００ｍｌのビーカーに移し、フリット中の残留固形物を脱イオン水ですすいでビーカーに入れた。固形物が溶解するまで追加の脱イオン水を加えた。次いで、溶液を３リットルのガラス瓶に移して平衡化した。さらに、オートクレーブ中の残留固形物も、いわゆる「ホールドアップ」としてガラス瓶に集められた脱イオン水ですすいで平衡化した。
合成プロセス溶液、脱イオン水に溶解したフィルターケーキ、ろ液および「ホールドアップ」を、ＫおよびＮａ含有量についてはＩＰＣ−ＯＥＳにより、ＭｅｔおよびＭｅｔ−ＭｅｔについてはＨＰＬＣにより、ギ酸塩についてはイオンクロマトグラフィーにより分析し、結果を表１にまとめる。
Claims (6)
- メチオニンの製造方法であって、アルカリ金属水酸化物および／またはアルカリ金属炭酸塩および／またはアルカリ金属炭酸水素塩を含む水性プロセス溶液中で５−（２−メチルメルカプトエチル）−ヒダントイン（メチオニンヒダントイン）をアルカリ加水分解してメチオニンアルカリ金属塩を形成し、二酸化炭素によりメチオニンを沈殿させ、沈殿させたメチオニンを前記プロセス溶液から分離し、前記プロセス溶液を濃縮し、前記プロセス溶液に再び送られるメチオニンヒダントインの前記アルカリ加水分解において前記プロセス溶液を再利用することを含み、ここで、前記プロセス溶液中のアルカリ金属カチオンは、９９／１〜２０／８０の範囲のＫ／Ｎａモル比を有するカリウムおよびナトリウムである、方法。
- 前記プロセス溶液中の前記Ｋ／Ｎａモル比が９０／１０〜２０／８０の範囲である、請求項１記載の方法。
- 前記プロセス溶液中の前記Ｋ／Ｎａモル比が７０／３０〜５０／５０の範囲である、請求項１または２記載の方法。
- 前記沈殿させたメチオニンを水溶液から再結晶し、ろ過して乾燥させ、そのようにして得られた結晶性メチオニンは、９９％を超える純度ならびに０．３％未満のカリウム含有量および０．１％未満のナトリウム含有量を有する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
- 前記結晶性メチオニン中の前記カリウム含有量が０．０５〜０．３％の範囲であり、前記ナトリウム含有量が０．０１〜０．１％の範囲である、請求項４記載の方法。
- 前記プロセス溶液の一部であるパージ溶液をプロセスから連続的に除去し、新鮮なアルカリ金属水酸化物溶液と交換する、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
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