JP7554227B2 - 培養方法及び培養装置 - Google Patents

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Description

本発明は、培養液中で微細藻類を培養する培養方法及び培養装置に関する。
従来、気候変動の緩和又は影響軽減を目的とした取り組みが継続され、この実現に向けて二酸化炭素の排出量低減に関する研究開発が行われている。この観点から、微細藻類が着目されている。微細藻類は、光合成によって二酸化炭素を消費するからである。従って、微細藻類を培養する培養装置は、気候変動の緩和又は影響軽減に寄与する装置として期待されている。
さらに、微細藻類を培養することにより、エタノール又は軽油等の液体燃料を得ることができる。加えて、特許文献1に記載されるように、ある種類の微細藻類は、所定の培養環境下で水素ガスを生成することが知られている。このように、微細藻類によれば、様々な資源を得ることが可能である。
特許文献2に記載されるように、微細藻類を培養するときには、微細藻類及び培養液を収容した収容部内に培養用ガスを供給することが一般的である。この場合、収容部に流体通路が設けられる。培養用ガスは、流体通路に向かって供給される。
特公平4-18837号公報 実用新案登録第3213454号公報
微細藻類が生成した気体は、培養液中に放出される。従って、該気体と、ガイド部に供給された培養用ガスとが培養液中で混じり合う。そこで、前記気体を高純度気体として得るため、該気体と培養用ガスとの混合ガスを回収した後、混合ガスを前記気体と培養用ガスとに分離している。このように、従来技術においては、微細藻類が生成した気体を精製する煩雑な作業が必要である。
本発明は、上述した課題を解決することを目的とする。
本発明の一実施形態によれば、微細藻類が培養液中で生成した気体を捕集可能な培養方法であって、
前記培養液及び前記微細藻類を収容した収容部を鉛直方向に対して傾斜させた状態で、ガイド部で培養用ガスを前記収容部の底部から前記培養液の液面に向かって案内しながら、前記微細藻類を培養し、
傾斜した前記収容部において、外面が斜め上方を向く側壁の上部に気体捕集部を設け、培養中の前記微細藻類が生成した前記気体を前記気体捕集部で捕集する培養方法が提供される。
本発明の別の一実施形態によれば、微細藻類が培養液中で生成した気体を捕集可能な培養装置であって、
前記培養液及び前記微細藻類を収容する収容部と、
前記収容部を鉛直方向に対して傾斜させた姿勢で支持する支持体と、
前記収容部内の前記培養液に培養用ガスを供給するガス供給部と、
前記収容部に設けられ、前記培養用ガスを前記収容部の底部から前記培養液の液面に向かって案内するガイド部と、
傾斜した前記収容部において、外面が斜め上方を向く側壁の上部に設けられた気体捕集部と、
を備え、
培養中の前記微細藻類が生成した前記気体を前記気体捕集部で捕集する培養装置が提供される。
本発明においては、鉛直方向に対して傾斜した姿勢の収容部にて微細藻類が培養される。傾斜姿勢の収容部内において微細藻類が気体を生成すると、気体(気泡)は、培養液内を、収容部における外面が斜め上方を向いた側壁に向かって上昇する。当該側壁に接触した気体は、さらに、側壁に沿って、培養液の液面に向かって移動する。ここで、側壁の上部には気体捕集部が設けられている。従って、液面に向かって移動した気体を、気体捕集部によって容易に捕集することができる。
収容部内の培養液には、培養用ガスが供給される。培養用ガスは、収容部内に設けられたガイド部に案内されて、収容部の底部から培養液の液面に向かって移動する。すなわち、培養用ガスは、収容部内において、微細藻類が生成した気体と別の経路を通る。このため、前記気体と培養用ガスとが混ざり合うことが抑制される。
以上のような理由から、微細藻類が生成した気体を高純度気体として回収することができる。これにより、回収した気体と培養用ガスとを分離する処理が不要となる。すなわち、高純度気体を簡素な手順で容易に得ることができる。
図1は、本発明の実施形態に係る培養装置の概略システム図である。 図2は、培養装置の概略側面断面図である。 図3は、図2の要部拡大図である。
図1は、本実施形態に係る培養装置10の概略システム図である。培養装置10は、貯水部12と、該貯水部12の内部に配置された収容部14とを備える。貯水部12には、水Wが貯留されている。水Wは、収容部14内の培養液Lを冷却する冷却媒体である。
図2は、培養装置10の概略側面断面図である。培養装置10は、貯水部12及び収容部14を支持するフレーム16を備える。フレーム16は、貯水部12及び収容部14を、鉛直方向に対して傾斜した姿勢で支持する支持体である。具体的に、フレーム16は、台座部18と、第1脚部20と、第2脚部22と、第1傾斜板24と、第2傾斜板26とを有する。第1脚部20及び第2脚部22は、台座部18から鉛直上方に向かって延びる。第1脚部20の長さ(高さ)は、第2脚部22の長さ(高さ)よりも小さい。第1傾斜板24は、第1脚部20及び第2脚部22に支持されている。
フレーム16は、第1傾斜板24及び第2傾斜板26を支持する傾斜台28を有する。第1傾斜板24は、傾斜台28の斜面の下端に対して略直交するように連結されている。第2傾斜板26は、傾斜台28の斜面の上端に対して略直交するように連結されている。このため、第1傾斜板24及び第2傾斜板26は、互いに略平行に延在する。第1傾斜板24及び第2傾斜板26の鉛直方向に対する傾斜角度は、例えば、20°~70°であり、好ましくは35°~55°である。なお、第1傾斜板24及び第2傾斜板26は、透光性を示す材料で形成されている。
収容部14は、可撓性及び透光性を有する材料からなる袋状の容器である。収容部14の構成材料としては、例えば、直鎖状低密度ポリエチレン(LLDPE)が挙げられる。収容部14は、例えば、一枚の可撓性材料からなる帯状のシート材を半分に折り、幅方向の両端部を溶着することによって、下端が閉じた袋状に形成される。
貯水部12は、該貯水部12を図2に示す傾斜姿勢とした状態で、第1傾斜板24を向く低位上端12aと、第2傾斜板26を向く高位上端12bとを有する。低位上端12aは、第1傾斜板24の外側に折り返されて、該第1傾斜板24の上端に位置決め固定される。高位上端12bは、第2傾斜板26の外側に折り返される。第2傾斜板26の上端には桁部30が設けられており、該桁部30に、後述する固定具64を介して高位上端12bが位置決め固定される。
収容部14には、培養液L及び微細藻類が収容される。このことから理解されるように、収容部14は、微細藻類を培養するための培養槽である。培養液Lは、典型的には水である。培養液Lには、リン、窒素、カリウム等を予め添加することが好ましい。
収容部14は、該収容部14を図2に示す傾斜姿勢とした状態で、第1傾斜板24を向く低位上端14aと、第2傾斜板26を向く高位上端14bとを有する。高位上端14bは、貯水部12の高位上端12bに接合されている。従って、収容部14の高位上端14bは、貯水部12の高位上端12bと一緒に、第2傾斜板26の外側に折り返され、且つ固定具64を介して桁部30に位置決め固定される。
収容部14は、外面141が鉛直方向に対して斜め上方を向く側壁14uを有する。収容部14の側壁14uにおける鉛直方向に対する傾斜角度は、第1傾斜板24及び第2傾斜板26における鉛直方向に対する傾斜角度と略同じである。側壁14uは、第2傾斜板26と向かい合う。
図1に示すように、培養装置10は、培養用ガスGを供給するためのガス供給部34と、複数個のガイド部36とをさらに備える。ガス供給部34は、例えば、エアポンプである。ガス供給部34は、工場の排気ラインであってもよい。ガス供給部34には、ガス供給管38の一端が接続される。ガス供給管38の他端は、ガイド部36の個数に応じた個数に分岐されている。分岐されたガス供給管38は、個々のガイド部36の近傍に配置される。
図1から理解されるように、ガイド部36は、略逆L字状をなす中空体である。ガイド部36の中空内部には、略逆L字状の案内流路40が形成されている。ガイド部36の下端には、吸引口42が形成されている。ガス供給管38の下流端部は、吸引口42に向かって折曲されている。ガイド部36の上端において、図1における右方向に突出した突部44には、吐出口46が形成されている。
複数個のガイド部36は、収容部14の幅方向(図1中の矢印X方向)に間隔を置いて配列されている。複数個のガイド部36は、ガス供給部34から供給される培養用ガスGと協働して、収容部14内の培養液Lに対流を生じさせる。具体的に、各ガイド部36は、ガイド部36内(案内流路40)に培養用ガスGが供給されることで、ガイド部36内に培養液Lを吸引し、且つガイド部36の外側に培養液Lを吐出する。これにより、収容部14内に培養液Lの対流が発生する。図1では、対流を実線で示している。
詳細は図示していないが、ガイド部36は、例えば、フレーム16に支持される。代替的に、フレーム16と別のフレームでガイド部36を支持してもよい。又は、ガイド部36を収容部14の内面に接合してもよい。
培養装置10は、摺動部材としてのワイパ50をさらに備える。ワイパ50は、培養装置10の幅方向(図1中の矢印X方向)に沿って延在する。ワイパ50は、例えば、2本のロッド52の先端に連結される。2本のロッド52は、図示しないアクチュエータによって、側壁14uに沿って上昇又は下降する。ワイパ50は、2本のロッド52と一体的に上昇又は下降する。
収容部14の側壁14uにおける上部(高位上端14bの近傍)には、気体捕集部60が設けられる。気体捕集部60の下部は、培養液L中に浸かっている。換言すれば、気体捕集部60の下部は、培養液Lの液面よりも下方に位置する。図示例では、気体捕集部60の上部は培養液Lから露出しているが、気体捕集部60の全体が培養液L中に浸かってもよい。
気体捕集部60の下面には、捕集口62が形成されている。捕集口62は、培養液L中で開口している。捕集口62は、培養液Lの液面よりも下方に位置する。捕集口62は、ガイド部36の上端に形成された吐出口46よりも下方に位置する。又は、捕集口62は、吐出口46(ガイド部36の上端)と同一の高さに位置する。
気体捕集部60は、固定具64を介して桁部30に位置決め固定される。固定具64は、気体捕集部60と、桁部30とを挟み込む。桁部30の内側から外側に向かって、収容部14の高位上端14bと、貯水部12の高位上端12bとが折り返されている。従って、固定具64により、収容部14の高位上端14bと、貯水部12の高位上端12bとが桁部30に位置決め固定される。
本実施形態では、微細藻類としてクラミドモナスを選定する。クラミドモナスは、所定の培養環境下で水素ガスHを生成する。
次に、本実施形態に係る培養方法について説明する。
作業者は、先ず、成分が調節された培養液Lを調製する。具体的には、作業者は、硫黄(S)が欠乏状態であり、且つ窒素(N)が不足状態である培養液Lを調製する。次に、作業者は、図2に示すように貯水部12及び収容部14を傾斜姿勢とした状態で、貯水部12に水Wを貯留する。また、収容部14に、クラミドモナスと、上記のように調製した培養液Lとを収容する。
次に、作業者は、収容部14に培養用ガスGを供給する。ガス供給部34がエアポンプである場合、作業者は、該エアポンプを起動する。エアポンプが吸引した大気には、二酸化炭素が含まれている。工場の排気ラインに排出された排ガスにも同様に、二酸化炭素が含まれている。従って、ガス供給部34は、培養用ガスGとして二酸化炭素含有ガスを供給する。
ガス供給管38を流通した培養用ガスGは、複数個のガイド部36のそれぞれに向けて分配される。各ガイド部36の下端には、上記したように吸引口42が形成されている。ガス供給管38から排出された培養用ガスGは、吸引口42を介してガイド部36の内部(案内流路40)に進入する。このとき、吸引口42の周囲の培養液L及び微細藻類が培養用ガスGに巻き込まれ、吸引口42から吸引される。吸引された培養液L及び微細藻類は、培養用ガスGに伴われてガイド部36内を案内流路40に沿って上昇する。このように、ガイド部36は、培養用ガスG、培養液L及び微細藻類を、収容部14内の培養液Lの液面に向かって案内する。
案内流路40に沿って上昇した培養用ガスG、培養液L及び微細藻類は、吐出口46を介して培養液Lに向かって吐出される。吐出口46から排出された培養液L及び微細藻類は、収容部14の幅方向における一方向(X2方向)に向かって進行した後、収容部14の底部に向かって下降する。下降した培養液L及び微細藻類は、ガイド部36の吸引口42から吸引される。以降は上記のサイクルが繰り返される。このサイクルにより、収容部14内の培養液L及び微細藻類が循環(撹拌)される。
全てのガイド部36において、吐出口46は同一方向(X2方向)を向いている。このため、収容部14内において、幅方向におけるX2側端部に向かった後、底部の近傍でX1側端部に向かう対流が発生する。この対流により、培養用ガスGが培養液Lの全体に拡散し、且つ培養用ガスG中の二酸化炭素が培養液Lに十分に溶解する。また、対流により、微細藻類が撹拌される。このため、微細藻類が沈殿又は凝集することが防止される。以上のような理由から、微細藻類が収容部14の全体において良好に培養される。
上記したように、培養液Lでは、硫黄が欠乏している。また、培養液Lでは、窒素の溶存量が少ない。このような状況下では、クラミドモナスは水素ガスHを生成する。
水素ガスHは、培養液L(主に水W)よりも比重が小さい。このため、図3に示すように、クラミドモナスが生成した水素ガスHは、収容部14の側壁14uに向かって上昇する。収容部14の側壁14uに到達した水素ガスHは、側壁14uの内面142に沿って、培養液Lの液面に向かって移動する。換言すれば、収容部14の側壁14uは、水素ガスHの進行を変更する偏向部であり、且つ水素ガスHを液面に向かって案内する案内手段である。
側壁14uの上部には、気体捕集部60が設けられている。気体捕集部60の捕集口62は、培養液L中に浸かっている。このため、側壁14uに沿って移動した水素ガスHは、捕集口62を通過して気体捕集部60に捕集される。
水素ガスHが培養液L中を側壁14uに向かって上昇する間、及び水素ガスHが側壁14uに沿って気体捕集部60に移動する間も、培養用ガスGが培養液L中のガイド部36に向かって供給される。ここで、培養用ガスGは、上記したようにガイド部36内の案内流路40を流通し、吐出口46から吐出された後は培養液L中で対流を発生させている。このため、培養用ガスGが水素ガスHと一緒に収容部14の側壁14uに向かうことが抑制される。
しかも、ガイド部36の上端に形成された吐出口46は、気体捕集部60の捕集口62と同一の高さか、又は、上方に位置している。培養用ガスGの比重は、比較的大きい。しかも、培養用ガスGは所定の圧力でガス供給部34から供給されている。従って、吐出口46から流出した培養用ガスGが、気体捕集部60の捕集口62に回り込むことは容易ではない。
以上のような理由から、培養液L中の水素ガスHに培養用ガスGが混じることが回避される。従って、気体捕集部60には、高純度の水素ガスHが進入する。これにより、高純度の水素ガスHを回収することができる。
水素ガスHの気泡が側壁14uに付着して留まる場合、作業者は、前記アクチュエータを駆動する。又は、前記アクチュエータを定期的に且つ自動的に駆動させてもよい。これにより、2本のロッド52が側壁14uに沿って上昇する。このときにワイパ50が側壁14uの内面142に沿って摺動するので、側壁14uに付着した水素ガスHの気泡が掻き取られ、液面に向かって移動する。移動した水素ガスHは、上記と同様に、捕集口62を経て気体捕集部60に捕集される。以上により、高純度の水素ガスHを効率よく捕集することができる。
その後、前記アクチュエータにより、2本のロッド52を側壁14uに沿って下降させる。これにより、ワイパ50が収容部14の底部に戻る。
気体捕集部60内の水素ガスHを回収する場合、桁部30から固定具64を取り外す。これにより、気体捕集部60が固定具64の拘束から解放される。必要に応じ、作業者は、捕集口62をプラグで閉塞し、気体捕集部60を回収場に運搬する。次に、気体捕集部60に捕集された水素ガスHを、回収場で所定の回収槽に回収する。
上記したように、回収された水素ガスHにおいては、培養用ガスGが混じることが回避されている。すなわち、水素ガスHは比較的高純度である。従って、水素ガスHと培養用ガスGとを分離する必要は特にない。このように、本実施形態によれば、分離処理が不要であることから、高純度な水素ガスHを簡素な手順で容易に得ることができる。回収された水素ガスHは、例えば、燃料電池を運転するための反応ガスとして用いられる。又は、水素ガスHは、燃料として用いられる。
以上のようにして水素ガスHを生成させた後、クラミドモナスから他の有用物を得ることも可能である。例えば、培養液Lに硫黄を添加すると、クラミドモナスは光合成を行う。このことに基づいて、二酸化炭素がクラミドモナスに十分に固定される。これにより、二酸化炭素が消費される。
次に、脱脂処理を行うことで軽油(いわゆるバイオディーゼル)を得ることができる。さらにその後、糖化処理を実施すれば、上澄みからエタノール(いわゆるバイオエタノール)を得ることが可能であり、且つ残渣からメタンを得ることが可能である。
以上説明したように、本実施形態は、微細藻類が培養液(L)中で生成した気体(H)を捕集可能な培養方法であって、
前記培養液及び前記微細藻類を収容した収容部(14)を鉛直方向に対して傾斜させた状態で、ガイド部(36)で培養用ガス(G)を前記収容部の底部から前記培養液の液面に向かって案内しながら、前記微細藻類を培養し、
傾斜した前記収容部において、外面(141)が斜め上方を向く側壁(14u)の上部に気体捕集部(60)を設け、培養中の前記微細藻類が生成した前記気体を前記気体捕集部で捕集する培養方法を開示する。
本実施形態は、微細藻類が培養液(L)中で生成した気体(H)を捕集可能な培養装置(10)であって、
前記培養液及び前記微細藻類を収容する収容部(14)と、
前記収容部を鉛直方向に対して傾斜させた姿勢で支持する支持体(16)と、
前記収容部内の前記培養液に培養用ガスを供給するガス供給部(34)と、
前記収容部に設けられ、前記培養用ガスを前記収容部の底部から前記培養液の液面に向かって案内するガイド部(36)と、
傾斜した前記収容部において、外面が斜め上方を向く側壁の上部に設けられた気体捕集部(60)と、
を備え、
培養中の前記微細藻類が生成した前記気体を前記気体捕集部で捕集する培養装置を開示する。
本実施形態においては、収容部が鉛直方向に対して傾斜した姿勢に維持される。この状態において、収容部内の微細藻類が気体を生成すると、気体は、培養液内を、収容部における外面が斜め上方を向く側壁に向かって上昇する。側壁の内面に接触した気体は、さらに、側壁に沿って、培養液の液面に向かって移動する。ここで、側壁の上部には気体捕集部が設けられている。従って、液面に向かって移動した気体を、気体捕集部によって捕集することができる。
収容部内の培養液には、培養用ガスが供給される。培養用ガスは、収容部内に設けられたガイド部に案内されて、収容部の底部から培養液の液面に向かって移動する。すなわち、培養用ガスは、収容部内において、微細藻類が生成した気体と別の経路を通る。このため、前記気体と培養用ガスとが混ざり合うことが抑制される。
以上のような理由から、微細藻類が生成した気体を高純度気体として回収することができる。これにより、回収した気体と培養用ガスとを分離する処理が不要となる。すなわち、高純度気体を簡素な手順で容易に得ることができる。
本実施形態は、前記気体捕集部は、前記培養液中で開口した捕集口(62)を有し、前記ガイド部は、前記培養用ガスを吐出する吐出口(46)を有し、前記捕集口を前記吐出口よりも下方に位置させるか、又は、前記捕集口を前記吐出口と同一の高さ位置とする培養方法を開示する。
本実施形態は、前記気体捕集部は、前記培養液中で開口した捕集口(62)を有し、前記ガイド部は、前記培養用ガスを吐出する吐出口(46)を有し、
前記捕集口は、前記吐出口よりも下方であるか、又は、前記捕集口は、前記吐出口と同一の高さである培養装置を開示する。
ガイド部から排出された培養用ガスが、ガイド部の上端よりも下方に位置するか、又は該上端と同一の高さに位置する捕集口に回り込むことは困難である。すなわち、上記した位置関係とすることにより、微細藻類が生成した気体に培養用ガスが混じることが一層回避される。
本実施形態は、前記収容部に摺動部材(50)を設け、前記摺動部材を該収容部の前記側壁の内面(142)に沿って摺動させることにより、前記内面に付着した前記気体の気泡を前記気体捕集部へと誘導する培養方法を開示する。
本実施形態は、前記収容部に設けられ、該収容部の前記側壁の内面(142)に沿って摺動する摺動部材(50)を備える培養装置を開示する。
微細藻類が生成した気体が、前記側壁の内面に付着して留まることが想定される。この場合において、摺動部材を前記側壁の内面に沿って摺動させると、内面に付着した気体が摺動部材によって掻き取られる。これにより、気体が内面から離脱して液面に向かって移動することが容易となる。すなわち、気体を効率よく捕集することができる。
本実施形態は、前記微細藻類としてクラミドモナスを用い、且つ前記気体として水素を生成させる培養方法を開示する。
本実施形態は、前記微細藻類がクラミドモナスであり、且つ前記気体として水素を捕集する培養装置を開示する。
すなわち、この場合、高純度の水素を回収することができる。得られた水素は、例えば、燃料電池の反応ガスとして用いることができる。
なお、本発明は、上述した実施形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を取り得る。
例えば、図1に示す長尺な気体捕集部60に代替し、短尺な気体捕集部を複数個用いてもよい。この場合、複数個の気体捕集部を、収容部14の幅方向に沿って並べればよい。
気体捕集部60に回収管の一端を接続し、且つ前記回収管の他端を回収槽に接続してもよい。この場合、気体捕集部60に捕集された水素ガスHを、回収管を経て回収槽に回収することができる。
10…培養装置 12…貯水部
14…収容部 14u…側壁
16…フレーム 34…ガス供給部
36…ガイド部 38…ガス供給管
40…案内流路 42…吸引口
44…突部 46…吐出口
50…ワイパ 60…気体捕集部
62…捕集口 64…固定具
G…培養用ガス H…水素ガス
L…培養液 W…水

Claims (6)

  1. 微細藻類が培養液中で生成した気体を捕集可能な培養方法であって、
    前記培養液及び前記微細藻類を収容した収容部を鉛直方向に対して傾斜させた状態で、ガイド部で培養用ガスを前記収容部の底部から前記培養液の液面に向かって案内しながら、前記微細藻類を培養し、
    前記ガイド部は、前記培養用ガスを吐出する吐出口を有し、
    傾斜した前記収容部において、外面が斜め上方を向く側壁の上部に、前記気体の入口である捕集口を有する気体捕集部を設け、前記捕集口が前記培養液の液面よりも下方に位置し、且つ前記吐出口よりも下方に位置するか、又は、前記捕集口を前記吐出口と同一の高さ位置とした状態として、培養中の前記微細藻類が生成した前記気体を前記気体捕集部で捕集する培養方法。
  2. 請求項1記載の培養方法において、前記収容部に摺動部材を設け、前記摺動部材を該収容部の前記側壁の内面に沿って摺動させることにより、前記内面に付着した前記気体の気泡を前記気体捕集部へと誘導する培養方法。
  3. 請求項1又は2記載の培養方法において、前記微細藻類としてクラミドモナスを用い、且つ前記気体として水素を生成させる培養方法。
  4. 微細藻類が培養液中で生成した気体を捕集可能な培養装置であって、
    前記培養液及び前記微細藻類を収容する収容部と、
    前記収容部を鉛直方向に対して傾斜させた姿勢で支持する支持体と、
    前記収容部内の前記培養液に培養用ガスを供給するガス供給部と、
    前記収容部に設けられ、前記培養用ガスを前記収容部の底部から前記培養液の液面に向かって案内するガイド部と、
    傾斜した前記収容部において、外面が斜め上方を向く側壁の上部に設けられた気体捕集部と、
    を備え、
    前記気体捕集部は、前記気体の入口である捕集口を有し、
    前記ガイド部は、前記培養用ガスを吐出する吐出口を有し、
    前記捕集口が前記培養液の液面よりも下方に位置し、且つ前記吐出口よりも下方であるか、又は、前記吐出口と同一の高さである状態で、培養中の前記微細藻類が生成した前記気体を前記気体捕集部で捕集する培養装置。
  5. 請求項記載の培養装置において、前記収容部に設けられ、該収容部の前記側壁の内面に沿って摺動する摺動部材を備える培養装置。
  6. 請求項4又は5記載の培養装置において、前記微細藻類がクラミドモナスであり、且つ前記気体として水素を捕集する培養装置。
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