JP4714266B2 - 水性粗混合物からメチルグリシンニトリル−ｎ，ｎ−ジアセトニトリルを単離するための方法 - Google Patents

Description

本発明は、メチルグリシンニトリル−Ｎ，Ｎ−ジアセトニトリルの製造に際して発生する水性粗混合物からメチルグリシンニトリル−Ｎ，Ｎ−ジアセトニトリルを単離するための方法に関する。

頻繁に錯化剤として家庭用洗剤中において使用されるアミノポリホスホネート、ポリカルボキシレートまたはアミノポリカルボキシレート、例えばエチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）は、わずかな程度においてのみ生分解性である。比較的安価な代替品は、グリシン−Ｎ，Ｎ−二酢酸誘導体、例えばメチルグリシン−Ｎ，Ｎ−二酢酸（ＭＧＤＡ）であり、それは非毒性でありかつ生分解性が良好である。洗剤中ならびにそれらの系中でのＭＧＤＡおよび類似のグリシン−Ｎ，Ｎ−二酢酸誘導体の使用は、ＷＯ−Ａ９４／２９４２１およびＵＳ５，８４９，９５０の中で記載されている。グリシン−Ｎ，Ｎ−二酢酸誘導体の費用がかさまない製造のために、個々の合成工程の収率および単離される中間生成物の純度が高く要求される。

ＭＧＤＡは、イミノジアセトニトリルとアセトアルデヒドおよびシアン化水素酸との反応またはα−アラニンニトリルとホルムアルデヒドおよびシアン化水素酸との反応および中間生成物として得られるＭＧＤＮの水酸化ナトリウム溶液によるアルカリ加水分解によって製造され、その際、ＭＧＤＡの三ナトリウム塩が得られる。ＭＧＤＡの高い収率を達成するために所望されることは、ＭＧＤＮを中間生成物として単離しかつ純物質として、引き続き行われる加水分解工程中で使用することである。ＵＳ５，８４９，９５０、例２の中でＭＧＤＮは、ＨＣＮ、ホルムアルデヒドおよび、先行する工程中において現場でアセトアルデヒド、ＨＣＮおよびアンモニアから生成されるアラニンニトリルの反応の粗生成物混合物から、生成物混合物の冷却によって結晶化する。

ＭＧＤＮを含有する水性粗混合物は、多数の副成分を含有しうる。ＭＤＧＮがイミノジアセトニトリル（ＩＤＮ）とアセトアルデヒドおよびシアン化水素酸とのｐＨ調整されたストレッカー反応によって製造される場合、ＩＤＮは、結晶性粗物質として使用されうるかまたは一方でウロトロピンとＨＣＮとの水溶液中でのｐＨ調整された反応によって生成されえかつ単離することなくＭＧＤＮへと反応させることができる。それから、ＭＧＤＮの水性粗混合物は、副成分として硫酸アンモニウム、アセトアルデヒドシアンヒドリン、ホルムアルデヒドシアンヒドリン、メチレン−ビス−イミノジアセトニトリル（ＭＢＩＤＮ）、ニトリロトリアセトニトリル（ＮＴＮ）、ならびに未反応の出発物質を含有する。

ＭＧＤＮは、水中で温度に強く依存する溶解度を有する。例えば１０℃の場合、ＭＧＤＮは、わずか約０．５質量％しか水中にまたは硫酸アンモニウム水溶液中に溶けない。約６０℃の場合、溶解度はなお５質量％である。約６０℃を上回ると、ＭＧＤＮのエマルジョンおよび５質量％を上回る溶解ＭＧＤＮを有するその水溶液が存在することになる。水−ＭＧＤＮの系の相図は公知ではない。

水中で温度に強く依存するＭＧＤＮの溶解度に基づき、ＭＧＤＮは、冷却結晶化および引き続き行われる固／液−分離によってその水溶液から単離されうる。ＭＧＤＮの水溶液またはエマルジョンが冷却される場合、ＭＧＤＮは固体として微細な針状結晶の形において沈殿し、該結晶はアグロメレートを形成する。アグロメレート中に含まれる母液は、不純物としてＭＧＤＮの合成物の全ての副成分を含有するので、濾過によって分離される湿った結晶は暗褐色の色を有する。冷却結晶化される場合、加えて結晶装置の壁にスケール形成が発生する。

本発明の課題は、ＭＧＤＮを、その製造に際して発生する水性粗生成物混合物から分離するための改善された方法を供給することである。

該課題は、結晶装置中で以下の工程：
（ａ）水性エマルジョンを、エマルジョン化されたＭＧＤＮの全量が実質的に固化するまで、凝固点を上回る温度から出発して、凝固点を下回る温度に冷却し、その際、冷却速度は、時間平均において５Ｋ／ｈを超えず、
（ｂ）得られた水性懸濁液をさらに冷却しかつ／または濃縮し、その際、冷却速度は、工程（ａ）におけるより大きくてよい、
により、メチルグリシンニトリル−Ｎ，Ｎ−ジアセトニトリル（ＭＧＤＮ）を、３〜５０質量％のＭＧＤＮの含有率を有する、ＭＧＤＮを含有する水性エマルジョンから単離するための方法によって解決される。

重要なことは、工程（ａ）において、ＭＧＤＮの凝固点より上でＭＧＤＮのエマルジョンとしてＭＧＤＮの飽和水溶液中における分散有機相として連続的な水相として存在する、ＭＧＤＮを含有する粗生成物混合物が、時間平均において非常にゆっくりとのみ、つまりわずかな冷却速度（Ｋ／ｈで表される）で凝固点より低く冷却されることである。凝固点は、所定の純度のＭＧＤＮが固化する温度、水相中でエマルジョン化されたＭＧＤＮの液滴がつまり凝固する温度である。この点は、ＭＧＤＮ中に含有される不純物の種類および量に依存しながら若干の℃（温度）変化しえかつ純粋なＭＧＤＮに関しては約６５℃である。

工程（ａ）における冷却速度は、時間平均において≦５Ｋ／ｈ、有利には≦３Ｋ／ｈである。冷却速度は、原則的に任意に小さくてよく、実際の目的に関して、それは一般的に１Ｋ／ｈ〜５Ｋ／ｈである。瞬間冷却速度は、エマルジョン化されたＭＧＤＮの全量が実際に液体から固体（結晶）状態に移行するその時点まで、エマルジョンからつまり懸濁液が形成され、冷却速度が時間平均において定められた限界値を超えない限り、一定であってよくまたは変化してよい。例えば、エマルジョンは初めに素早く冷却されえ、定められた限界値を瞬間的に明らかに超える速度で、かつ引き続き、定められた限界値を明らかに下回るずっと低い冷却速度でさらに冷却されえ、または温度は引き続きしばらくの間ほぼ一定に保たれ、それもエマルジョン化された全体のＭＧＤＮが実際に凝固するまで一定に保たれる。例えば、エマルジョンは"素早く"、例えば＞５Ｋ／ｈの瞬間冷却速度で、凝固点を下回る１０℃までの温度に冷却されえ、それに"滞留時間"が続き、その間、温度は、エマルジョン化された全体のＭＧＤＮが実際に凝固するまでほぼ一定に保たれる。例えば、この滞留時間は０．５〜２ｈであってよい。

工程（ａ）における水性エマルジョンの冷却は、水を蒸発させることによっておよび／または熱を結晶装置の壁を介して排出することによって行われうる。

引き続き行われる工程（ｂ）において、得られた水性懸濁液はさらに冷却されかつ／または濃縮され、その際、冷却速度は工程（ａ）におけるより大きくてよい。

工程（ａ）における懸濁液のゆっくりとした冷却によって、エマルジョン化されたＭＧＤＮは、ＭＧＤＮ／水−混合物のさらなる冷却によってかなりの規模において溶液からの溶解ＭＧＤＮの結晶化が生じるのに先立ち、すでに凝固しておりかつ結晶の形で存在することが確認される。つまり、エマルジョン化されたＭＧＤＮの凝固と溶液からの溶解ＭＧＤＮの結晶化とは時間的に分離される。それにより結晶核の新たな形成が大幅に抑制され、それによって微細成分の形成が回避される。次いで溶液からのＭＧＤＮの結晶化は、極めて大部分が、すでに存在するＭＧＤＮの粗い結晶にて生じる。この効果は、非常に素早い冷却によって、エマルジョン化されたＭＧＤＮの液滴の凝固および溶解ＭＧＤＮの結晶化がほぼ同時に生じる場合には現われない。

有利には、結晶化プロセスの間に少なくとも一時的に、水は水性混合物から蒸発され、その際、この蒸発プロセスは混合物の冷却および／または濃縮を伴いうる。蒸発によって、水性混合物の液体／ガス空間の界面にほぼ隣接して、溶液からのＭＧＤＮの結晶化が増加して生じる過飽和の帯域が発生する。さらに他の結晶核が形成される場合、これらは界面付近の比較的幅の狭い過飽和の帯域でのみ形成されるので、それらの数は制限される。これらは引き続き懸濁液の内部に移送され、そこでそれらは過飽和が低い場合にさらに成長する。

蒸発冷却がなお技術的に問題なく可能である限りにおいて、蒸発させることによる水の冷却は、容器の壁を介した熱の排出による冷却より有利であるべきである。それによりまた、ＭＧＤＮの結晶が結晶装置の壁で析出し、かつ結晶装置の壁のスケール形成が生じるということが回避される。問題なく可能であるのは、一般的に約３０℃の水性混合物の温度までの蒸発冷却である。

混合物は冷却されえかつ混合物の水成分はほぼ一定に保たれうる。蒸発プロセスがほぼ（または少なくとも部分的に）断熱的に実施される場合、混合物は蒸発プロセスによる熱の取り出しによって冷却される。ＭＧＤＮの混合物の水成分は、水蒸気を凝縮しかつ混合物中に返流する（"全還流"による処理）ことによって一定に保たれる。蒸発は、そのつどの温度に際して混合物の水蒸気分圧を下回る圧力に圧力低下させることによって引き起こされる。

代替的に、混合物は水の蒸発によって濃縮されえ、その際、温度はほぼ一定に保たれ、つまり蒸発プロセスはほぼ等温で実施される。

混合物は、水の蒸発によって冷却されうるのと同様また濃縮されうる。これらの２つのプロセスは、同時にまたは連続して実施されうる。蒸発プロセスが断熱的に実施されかつ蒸発された水が完全には置き換えられない場合、つまり、例えば凝縮された水の部分的還流によってのみまたは還流なしで処理される場合に、同時に２つのプロセスが行われる。しかしまた例えば、初めに濃度上昇下における等温性の蒸発が、かつ引き続き断熱蒸発が実施されえ、その際、全体の部分的還流によってまたは還流なしで処理されうる。

本発明による方法の一実施態様において、工程（ｂ）では蒸発冷却によって冷却され、その際、これは混合物の温度が少なくとも３０℃に低下するまで実施される。さらに、約３０℃またはそれ以下にある温度が下回ると同時に結晶装置の壁を介して熱を排出することが有利である。さらに、工程（ａ）において、時間平均において少なくとも５Ｋ／ｈである、有利には≧７．５Ｋ／ｈである、殊に１０〜３０Ｋ／ｈの範囲にある冷却速度を維持することが有利である。

有利には、工程（ｂ）において２０℃を下回る温度に冷却される。これによって溶解ＭＧＤＮの大幅な結晶化が達成される。

本発明に従って、全体的に比較的大きい結晶が形成される。これにはしかし比較的少ない母液が付着しており、殊に極めて微細な結晶のアグロメレート中に母液は"導入"されえず、もしくは付着している母液は、例えば容易なフィルタリングまたは遠心分離によって分離されうる。精製の複雑性はそれによって著しく低減される。また結晶装置の壁のスケール形成も効果的に回避される。

水性粗生成物混合物のＭＧＤＮの濃度は、一般的に３〜５０質量％、有利には１５〜４０質量％、とりわけ有利には２０〜３５質量％である。１質量％の溶解ＭＧＤＮの含有率は、約２０℃の結晶化温度に相当し、５質量％の溶解ＭＧＤＮの含有率は、約５５℃の結晶化温度に相当する。１０℃の場合、ＭＧＤＮの水溶性はなお約０．５質量％である。

一般的に１０質量％までの混合物のＭＧＤＮのわずかにしか過ぎない含有率の場合、結晶化プロセスの開始時に、いわゆる"シーディングループ(Impfschleife)"を実施すること、すなわち混合物を結晶形成後にまず再び若干の℃加熱し、形成された結晶の一部を再び溶解し、かつ引き続き新たに冷却することが適切でありうる。

本発明による方法の一実施態様において、工程（ｂ）において水性混合物は水の蒸発によって冷却され、その際、混合物のＭＧＤＮの濃度はほぼ一定に保たれる。この変法はまた"真空冷却結晶化"とも呼ばれえ、これは全還流によって実施される。

本発明による方法のさらに他の一実施態様において、工程（ｂ）において水性混合物は水の蒸発によって濃縮され、その際、混合物の温度はほぼ一定に保たれる。この変法はまた"等温蒸発結晶化"とも呼ばれうる。

本発明による方法のさらに他の一実施態様において、工程（ｂ）は水性混合物の冷却と同様また濃縮も包含し、その際、これらの２つのプロセスは同時にまたは連続して行われうる。この実施態様の有利な一変法において、真空冷却結晶化は、凝縮された水蒸気の部分的還流のみによってまたは還流なしで実施される。

本発明による方法が実施される結晶装置の構造は任意である。例えばそれは、攪拌槽式の、強制循環式の、ガイド管式のまたは、例えばオスロ型の流動床式の結晶装置である。本発明による方法は、非連続的に、半連続的にまたは連続的に実施されうる。有利には、例えば攪拌槽式の結晶装置中で非連続的に実施される。

固／液−分離による結晶の分離は、任意の固／液−分離装置、例えばヌッチェ濾過器、回転濾過器、ベルト濾過器、押出し型遠心分離機、円筒型遠心分離機等により行われうる。分離された結晶は、引き続き例えば洗浄液体としての水または結晶化の出発混合物で洗浄してよい。

本発明による方法によりＭＧＤＮが単離される、ＭＧＤＮを含有する水性粗生成物混合物は、一般的に
１．イミノジアセトニトリル（ＩＤＮ）とＨＣＮおよびアセトアルデヒドとの水溶液中での反応。イミノジアセトニトリルは、先行する工程においてウロトロピンおよびシアン化水素酸からまたはホルムアルデヒドシアンヒドリンおよびアンモニアから水性エマルジョンとして得ることができる；
２．アラニンニトリルと、ＨＣＮおよびホルムアルデヒドとの水溶液中での反応。アラニンニトリルは、先行する工程においてアセトアルデヒド、ＨＣＮおよびアンモニアまたはアセトアルデヒドシアンヒドリンおよびアンモニアから得ることができる。

有利には、ＭＧＤＮを含有する水性粗生成物混合物は以下のように得られる：
１ａ．イミノジアセトニトリル（ＩＤＮ）は、現場でアンモニアおよびホルムアルデヒドから生成されうるウロトロピンと、シアン化水素酸との反応によって５．５〜６．３、有利には５．７〜６．１、とりわけ有利には５．８〜６．０のｐＨ値および２０〜９０℃、有利には２５〜８０℃の範囲における温度にて得られる。モル比 アンモニア：ホルムアルデヒド：シアン化水素酸は、一般的に１：１．５：１．５〜１．９であり、得られた水性エマルジョン中におけるＩＤＮの濃度は、一般的に１５〜４０質量％、有利には２０〜３５質量である。引き続き、ＩＤＮの水性エマルジョンのｐＨ値は鉱酸により２〜１．０、有利には１．８〜１．５、とりわけ有利には１．８〜１．７に設定される。次いで、酸性化されたＩＤＮのエマルジョンは、アセトアルデヒドおよびシアン化水素酸と反応させられてＭＧＤＮとなる。モル比 ＩＤＮ：アセトアルデヒド：ＨＣＮは、一般的に１：１〜１．２：１〜１．２、有利には１：１．０〜１．１：１．１〜１．２であり、反応に際しての温度は、一般的に４０〜９０℃、有利には５０〜８０℃である。得られた水性エマルジョンのＭＧＤＮの濃度は、一般的に２０〜５０質量％、有利には２５〜４０質量％である。有利には、水性エマルジョンは結晶化の実施前に１５〜４０質量％、有利には２０〜３５質量％のＭＧＤＮの含有率へと水で希釈される。

ＩＤＮは、ホルムアルデヒドシアンヒドリンとアンモニアとの反応によっても製造されうる。代替的に、出発物質としての結晶性ＩＤＮから出発してもよく、それは水中でエマルジョン化される。

２ａ．α−アラニンニトリル（ＡＮ）は、過剰のアンモニアとアセトアルデヒドおよびＨＣＮとの反応によってまたはアセトアルデヒドシアンヒドリンと過剰のアンモニアとの反応によって製造され、その際、アンモニアは、水溶液として、ガス状でまたは液状の形で使用されうる。反応は圧力下で実施されうる。有利には、過剰のアンモニアは真空中で留去される。粗ＡＮは、ホルムアルデヒドおよびシアン化水素酸と反応させられてＭＧＤＮとなる。そのために、ＡＮの水溶液のｐＨ値は鉱酸により２〜１．０、有利には１．８〜１．５、とりわけ有利には１．８〜１．７に設定される。モル比 ＡＮ：ホルムアルデヒド：ＨＣＮは、一般的に１：１．０〜１．２：１．０〜１．２であり、反応に際しての温度は、一般的に４０〜９０℃、有利には５０〜８０℃である。得られた水性エマルジョンのＭＧＤＮの濃度は、一般的に２０〜５０質量％、有利には２５〜４０質量％である。有利には、水性エマルジョンは結晶化の実施前に１５〜４０質量％、有利には２０〜３５質量％のＭＧＤＮの含有率に水で希釈される。

本発明は以下の例によって詳細に説明される。

例
ＭＧＤＮの粗水性エマルジョンの製造
例１
ＩＤＮを、水５３５ｇ中におけるウロトロピン１７３．９ｇ（１．２４１ｍｏｌ）の溶液とシアン化水素酸２１０．９ｇ（７．８１４ｍｏｌ）との反応によって製造する。ｐＨ値を５．８〜５．９へ調整するために、全体で５０質量％の硫酸１８８ｇを計量供給する。ＩＤＮ３３６．３ｇ（３．５４ｍｏｌ）を含有する水溶液１０９０ｇが結果生じる（ホルムアルデヒドに対して９５％の収率）。溶液のｐＨ値は、５０質量％の硫酸６０ｇ（０．３０６ｍｏｌ）の添加によって１．８に設定しかつその温度は６０℃に設定する。引き続き、７５分以内にＨＣＮ１０５．１ｇ（３．８９４ｍｏｌ）およびアセトアルデヒド１７１．６ｇ（３．８９４ｍｏｌ）を計量供給する。温度は約８０℃に上昇する。なお６０分、８０℃にてさらに攪拌する。ｐＨ値は、反応物質の添加中および後反応中に約１．２に低下する。ＭＧＤＮ５１５ｇを含有する約３６質量％のＭＧＤＮのエマルジョン約１４４０ｇが結果生じる（３．４６９ｍｏｌ；ＩＤＮに対して９８％の収率）。

粗エマルジョンからのＭＧＤＮの単離
比較例
結晶装置としてガラスからなる１リットルの二重ジャケット付攪拌容器中に、８質量％のＭＧＤＮの水性エマルジョン１１２０ｇを７０℃にて撹拌下で装入する。二重ジャケット中における温度制御液体(Temperierfluessigkeit)を介して、溶液を６１℃に冷却する。その際、非常に多数の結晶核が発生する。凝固点をかろうじて下回る６４℃への加熱後、これらの核の一部は再び消えてなくなる。引き続き、攪拌下で１０Ｋ／ｈの冷却速度によりブライン冷却(Solekuehlung)によって１０℃にまで冷却する。沈殿した結晶をヌッチェ濾過器により分離する。顕微鏡（図１）に写し出されているように、結晶は約１００μｍの長さの針状の結晶の他に、主として＜１０μｍの大きさの微細成分を含有する。結晶はアグロメレートを形成しやすくかつ結晶間には母液が付着しているので、湿った結晶は母液の強い褐色の色合いを帯びる。結晶装置の容器の壁は強いスケール形成を有する。

例２
１リットルの二重ジャケット付攪拌容器中に、２２質量％のＭＧＤＮの水性エマルジョン１９７０ｇを７０℃にて装入する。二重ジャケット中における温度制御液体を介して、溶液を５７℃に冷却する。その際、結晶核が形成する。５８℃へ加熱することによって、形成された固体の一部を再び溶液に戻す。引き続き真空をかけ、かつ５８℃および１７０ｍｂａｒにて２時間半の間、水を２５０ｇ／ｈの蒸発速度で蒸発させる。その後、結晶装置中の圧力をさらに４０ｍｂａｒに低下させる。それから、排出された水蒸気を凝縮しかつ凝縮物として完全に結晶装置中に返流する。さらに２．５時間以内に、容器の壁のブライン冷却によって懸濁液を２０Ｋ／ｈの速度で３０℃から１０℃の最終温度に冷却する。形成された冷たい懸濁液をヌッチェ濾過器により濾過する。湿った、ベージュ色のフィルターケーキを１．５倍の水量で洗浄し、それにより該フィルターケーキはわずかに黄色の色合いを帯びる。アセトニトリル中における得られた結晶の１質量％の溶液の色数を分析することにより、４８のハーゼン(Hazen)色数が明らかになる。顕微鏡（図２）に写し出されているように、結晶の大部分は長さ１００〜２００μｍおよび厚み２０〜４０μｍの厚い、針状の結晶からなる。＜１μｍの大きさを有する微細成分は認めることができない。

例３
例１からの結晶装置中に、３０質量％のＭＧＤＮの水性エマルジョン１３００ｇを７０℃にて装入する。凝固点を下回った後および６０℃での４０分の滞留段階の後、蒸発によって１７０〜４０ｍｂａｒの圧力にておよび凝縮した水蒸気の全還流にて、溶液を４時間以内に１２．５Ｋ／ｈの速度で１０℃に冷却する。その際、約３０℃から、熱をブライン冷却によって結晶装置の二重ジャケットを介して取り出す。懸濁液を、篩カップ式遠心分離機(Siebbecherzentrifuge)中に充填しかつ２０００分^−１にて遠心分離する。明るいベージュ色の結晶が得られる。顕微鏡（図３）から、１ｍｍまでの長さおよび１００μｍまでの厚みを有する厚い、針状の結晶を認めることができる。＜１μｍの大きさを有する微細成分は認めることができない。アセトニトリル中における１質量％の溶液の色数をハーゼンに従って分析することにより、６５の色数の値が明らかになる。

約１００μｍの長さの針状の結晶の他に、主として＜１０μｍの大きさの微細成分を含有する結晶を示す図 結晶の大部分が、長さ１００〜２００μｍおよび厚み２０〜４０μｍの厚い、針状の結晶からなることを示す図 １ｍｍまでの長さおよび１００μｍまでの厚みを有する厚い、針状の結晶を示す図

Claims (7)

1. メチルグリシンニトリル−Ｎ，Ｎ−ジアセトニトリル（ＭＧＤＮ）を、３〜５０質量％のＭＧＤＮの含有率を有する、ＭＧＤＮを含有する水性エマルジョンから単離するための方法であって、結晶装置中で以下の工程：
   （ａ）水性エマルジョンを、エマルジョン化されたＭＧＤＮの全量が実質的に固化するまで、凝固点を上回る温度から出発して、凝固点を下回る温度に冷却し、その際、冷却速度は、時間平均において５Ｋ／ｈを超えず、
   （ｂ）得られた水性懸濁液をさらに冷却しかつ／または濃縮し、その際、冷却速度は、工程（ａ）におけるより大きくてよい、
   により、ＭＧＤＮを単離するための方法。
2. 工程（ａ）において水性混合物を、水を蒸発させることによっておよび／または結晶装置の壁を介して熱を排出することによって冷却することを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 工程（ｂ）において水性混合物を、水を蒸発させることによって冷却しかつ／または濃縮することを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 工程（ｂ）において３０℃の温度より下で、結晶装置の壁を介して熱を排出することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 工程（ｂ）において、冷却速度が時間平均において少なくとも５Ｋ／ｈであることを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
6. 工程（ｂ）において、２０℃を下回る温度に冷却することを特徴とする、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
7. ＭＧＤＮを含有する粗混合物を、メチルグリシンニトリルとＨＣＮおよびホルムアルデヒドとの反応によって得ることを特徴とする、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。

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