JPWO2014156997A1 - 発酵ガス中のイソプレンの回収方法および精製イソプレンの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1] 下記工程(I−1)および(I−2)を含む、発酵ガス中のイソプレンの回収方法。
(I−1)イソプレン生産能を有する微生物を培養して得られるイソプレンを含む発酵ガスを多孔質吸着剤に接触させる工程
(I−2)多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを脱着させる工程
[2] さらに下記工程(I−3)を含む、[1]に記載の方法。
(I−3)脱着したイソプレンを冷却して液体イソプレンを回収する工程
[3] 多孔質吸着剤が、疎水化処理された多孔質吸着剤である、[1]又は[2]に記載の方法。
[4] 多孔質吸着剤が、シリカゲルである、[1]〜[3]のいずれかに記載の方法。
[5] 多孔質吸着剤の平均細孔径が100オングストローム以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の方法。
[6] イソプレン生産能を有する微生物が、パントエア(Pantoea)属細菌である、[1]〜[5]のいずれかに記載の方法。
[7] 工程(I−2)において、100℃以下でイソプレンを脱着させる、[1]〜[6]のいずれかに記載の方法。
[8] 圧力スイング吸着法により実施する、[1]〜[7]のいずれかに記載の方法。
[9] 工程(I−1)を実施する際の圧力(PI−1)と、工程(I−2)を実施する際の圧力(PI−2)が、PI−1−PI−2≧50kPaを満たす、[8]に記載の方法。
[10] 工程(I−1)と工程(I−2)とを交互に繰り返して行う、[8]又は[9]に記載の方法。
[11] 工程(I−1)の前に、イソプレンを含む発酵ガスを脱水する、[1]〜[10]のいずれかに記載の方法。
[12] 工程(I−1)の前に、イソプレンを含む発酵ガスを脱有機物処理する、[1]〜[11]のいずれかに記載の方法。
[13] 工程(I−1)の後に、さらに下記工程(I−1a)を含む、[1]〜[12]のいずれかに記載の方法。
(I−1a)工程(I−1)に供した発酵ガス中のイソプレン濃度をC0とするとき、イソプレン濃度が0.8C0以下の発酵ガスを排出する工程
[14] 下記工程(II−1)、(II−2)および(II−3)を含む、精製イソプレンの製造方法。
(II−1)イソプレン生産能を有する微生物を培養してイソプレンを含む発酵ガスを得る工程
(II−2)イソプレンを含む発酵ガスを多孔質吸着剤に接触させる工程
(II−3)多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを脱着させる工程
[15] さらに下記工程(II−4)を含む、[14]に記載の方法。
(II−4)脱着したイソプレンを冷却して液体イソプレンを回収する工程
本発明の発酵ガス中のイソプレンの回収方法は、下記工程(I−1)および(I−2)を含む。
(I−1)イソプレン生産能を有する微生物を培養して得られるイソプレンを含む発酵ガスを多孔質吸着剤に接触させる工程
(I−2)多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを脱着させる工程
工程(I−1)において、イソプレン生産能を有する微生物を培養して得られるイソプレンを含む発酵ガスを多孔質吸着剤に接触させる。
疎水基を有するシランカップリング剤の好適な具体例としては、トリメチルクロロシラン、トリメチルメトキシシラン、トリフェニルクロロシラン、及びトリフェニルメトキシシランが挙げられる。
多孔質吸着剤の平均細孔径は、例えば、ガス吸着法、X線小角散乱法等の公知の方法により測定することができる。
なお、工程(I−1)に供される発酵ガス(即ち、多孔質吸着剤に接触させる前の発酵ガス)中のイソプレン濃度をC0とし、工程(I−1)において多孔質吸着剤に接触させた後の発酵ガス中のイソプレン濃度をC1とするとき、C0とC1は、C1<C0を満たす。C1/C0比は、通常0.8以下であり、好ましくは0.6以下、より好ましくは0.4以下、さらに好ましくは0.2以下、さらにより好ましくは0.1以下、0.01以下、又は0.001以下である。
(I−1a)工程(I−1)に供した発酵ガス中のイソプレン濃度をC0とするとき、イソプレン濃度が0.8C0以下の発酵ガスを排出する工程
(I−1a’)イソプレン濃度が1体積%以下の発酵ガスを排出する工程
工程(I−2)において、多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを脱着させる。これにより、イソプレンガスが回収される。
これに対し、本発明は、多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを製品として回収することを目的としており、脱着処理の前後でイソプレンの構造変化を抑制、防止する必要がある。
(I−3)脱着したイソプレンを冷却して液体イソプレンを回収する工程
イソプレン生産能を有する微生物を培養して得られる発酵ガスは、通常、水分を含む。飽和水蒸気を含む場合のように水分量が多い発酵ガスを使用する際、所望のイソプレン回収率を実現する観点から、工程(I−1)の前に、イソプレンを含む発酵ガスを脱水することが好ましい。
本発明はまた、精製イソプレンの製造方法も提供する。本発明の精製イソプレンの製造方法は、下記工程(II−1)、(II−2)および(II−3)を含む。
(II−1)イソプレン生産能を有する微生物を培養してイソプレンを含む発酵ガスを得る工程
(II−2)イソプレンを含む発酵ガスを多孔質吸着剤に接触させる工程
(II−3)多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを脱着させる工程
(II−4)脱着したイソプレンを冷却して液体イソプレンを回収する工程
斯かる処理に関しては、上記[発酵ガス中のイソプレンの回収方法]において説明したとおりである。
1.多孔質吸着剤の評価
1.1.評価した多孔質吸着剤の種類
多孔質吸着剤として、活性炭[味の素ファインテクノ社製「Y−4」(商品名)]、疎水性モレキュラーシーブ(ハイシリカゼオライト)[ユニオン昭和社製「Hisiv−1000」、「Hisiv−3000」、「USKY−790」(いずれも商品名)]、および疎水性シリカゲル[(富士シリシア化学社製「S−3」、「S−6」(いずれも商品名)]を用いた。なお、各多孔質吸着剤の平均細孔径は以下のとおりであった。
・活性炭「Y−4」:約20オングストローム
・疎水性モレキュラーシーブ「Hisiv−1000」:9オングストローム
・疎水性モレキュラーシーブ「Hisiv−3000」:6オングストローム
・疎水性モレキュラーシーブ「USKY−790」:9オングストローム
・疎水性シリカゲル「S−3」:約30オングストローム
・疎水性シリカゲル「S−6」:約60オングストローム
37℃に加温した三口フラスコに、一つの口から0.025mL/分の速度で試薬イソプレン(東京化成工業社製)を滴下し、別の口から300mL/分の速度で窒素ガスを通気した。残った口から、濃度約1体積%のイソプレンガスを得た。
両端が密閉できる内径2cm、長さ20cmのステンレス製カラムに、下記表1に示す重量の多孔質吸着剤を充填した。上記1.2.で得られた濃度1体積%のイソプレンガスを流速300mL/分(線速度1.59cm/秒)にて多孔質吸着剤を充填したカラムに通気し、カラム出口のイソプレン濃度をセンサーガスクロマトグラフ(FIS社製「ODSA−P2」)にて連続的に測定した。カラム出口のイソプレン濃度が1体積%付近になった時点で破過したと判断し、通気を停止した。その後、カラムと多孔質吸着剤の合計重量を測定し、該合計重量からカラム重量を減算して多孔質吸着剤の重量を算出した。多孔質吸着剤の重量の増加分を、吸着イソプレン重量とした。結果を表1に示す。
上記1.3.にて破過した多孔質吸着剤が充填されたカラムの一端に真空ポンプを接続し、カラムの内圧が3.4kPaになるまで減圧した。その際、活性炭および疎水性モレキュラーシーブに関しては、カラムを80℃に加熱した。疎水性シリカゲルに関しては、室温(25℃)下、真空ポンプと反対側のカラム口から窒素ガスを流量300mL/分で通気した。
脱着時間は、活性炭は7時間、疎水性モレキュラーシーブは16時間若しくは21時間、疎水性シリカゲルは0.5時間であった。脱着処理の後、カラムと多孔質吸着剤の合計重量を測定し、該合計重量からカラム重量を減算して多孔質吸着剤の重量を算出した。多孔質吸着剤の重量の減少分を、脱着イソプレン重量とした。結果を表2に示す。
一方、疎水性シリカゲルに関しては、0.5時間の脱着時間で、吸着したイソプレンのほぼ全てを脱着することができた。
2.PSA法によるイソプレンの回収および回収イソプレンの品質評価
2.1.イソプレン回収装置および回収条件の説明
本実施例では、図1、図2又は図3に示すイソプレン回収装置を使用した。第1の吸着塔1(内径8.4cm)、第2の吸着塔2(内径8.4cm)の両方に、疎水性シリカゲル「S−3」および疎水性シリカゲル「S−6」を使用した2層構造の多孔質吸着剤層を設けた。なお、吸着塔下部層(フィードガス上流側層)には疎水性シリカゲル「S-3」を使用し、吸着塔上部層(フィードガス下流側層)には疎水性シリカゲル「S-6」を使用した。多孔質吸着剤層は、予め濃度1体積%のイソプレンガスを吹き込むことにより、プレコートした状態にて実施に供した。
吸着工程では、イソプレン濃度1体積%に調製したフィードガス3を、フィードガス送気管10及び11(10及び11’)を介して第1の吸着塔1(または第2の吸着塔2)に送気した。吸着時の条件は、温度25℃、圧力101.3kPa、フィードガス線速度0.9cm/秒であった。吸着工程の後に大気に放出された排出ガス5中のイソプレン濃度は、センサーガスクロマトグラフ(FIS社製「ODSA−P2」)にて測定した。
脱着工程では、パージガス4として窒素ガスを使用し、真空ポンプ6により吸着塔内を3.3kPaまで減圧した(パージガスの線速度:0.92cm/秒)。冷却器7は4℃の冷却水を循環し、イソプレン含有パージガスを冷却した。
また、吸着工程と脱着工程とを交互に切り替えながら運転した(各工程の実施回数24回;各工程の切り替え時間15分間)。
37℃に加温した三口フラスコに、一つの口から0.1mL/分の速度で試薬イソプレン(東京化成工業社製)を滴下し、別の口から2.5L/分の速度で窒素ガスを通気した。残った口から、イソプレン濃度約1体積%のフィードガスA(窒素ガスキャリア)を得た。
窒素ガスに代えて空気を使用した以外は、上記と同様にして、イソプレン濃度約1体積%のフィードガスB(空気キャリア)を得た。
飽和水蒸気を含むフィードガスは、以下の手順で調製した。37℃に加温した三口フラスコに水を張り込み、一つの口から0.1mL/分の速度で試薬イソプレンを滴下し、別の口から2.5L/分の速度で空気を通気した。残った口から、飽和水蒸気を含むイソプレン濃度約1体積%のフィードガスC(飽和水蒸気−空気キャリア)を得た。
模擬発酵ガスは、以下の手順で調製した。イソプレン生産菌の宿主となる微生物(Pantoea ananatis)を下記表3に示すグルコース培地で24時間培養した培養液を、37℃に加温した三口フラスコに張り込み、一つの口から0.1mL/分の速度で試薬イソプレンを滴下し、別の口から2.5L/分の速度で空気を通気した。残った口から、イソプレン濃度約1体積%のフィードガスD(模擬発酵ガス)を得た。
フィードガスを脱水する場合、脱水は次の方法にて実施した。500mL容のガラス製メディウム瓶に塩化カルシウム300gを充てんした塩化カルシウム瓶を用意した。該塩化カルシウム瓶に、フィードガスを2.5L/分の速度で通過させることにより、フィードガスを脱水した。
フィードガスを脱有機物処理する場合、脱有機物処理はフィードガスを下記の手順にて水洗することにより実施した。500mL容のガラス製ガス洗浄瓶に300mLの水を張り込み、10℃の恒温槽に浸漬して冷却した。該ガス洗浄瓶にフィードガスを2.5L/分の速度で通過させることにより、フィードガスを水洗した。
イソプレン濃度約1体積%のフィードガスA(窒素キャリア)について、図1に示すイソプレン回収装置によりイソプレンを回収した。その結果、93.3%の回収率にて液体イソプレンが回収された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は7ppmであった。
イソプレン濃度約1体積%のフィードガスB(空気キャリア)について、図1に示すイソプレン回収装置によりイソプレンを回収した。その結果、92.1%の回収率にて液体イソプレンが回収された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は7ppmであった。
イソプレン濃度約1体積%のフィードガスC(飽和水蒸気−空気キャリア)について、図1に示すイソプレン回収装置によりイソプレンを回収した。その結果、82.7%の回収率にて液体イソプレンが回収された。フィードガス中の水分量が多いと、イソプレンの回収率が大きく低下することが確認された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は7ppmであった。
イソプレン濃度約1体積%のフィードガスD(模擬発酵ガス)について、図2に示すイソプレン回収装置によりイソプレンを回収した。その結果、98.1%の回収率にて液体イソプレンが回収された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は2ppmであった。
また、イソプレン濃度約1体積%のフィードガスD(模擬発酵ガス)については、図3に示すイソプレン回収装置によってもイソプレンを回収した。その結果、95.7%の回収率にて液体イソプレンが回収された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は2ppmであった。
なお、「イソプレンの回収率」とは、フィードガスの調製に使用した試薬イソプレンの重量(WA)に対する、イソプレン回収装置により回収された液体イソプレンの重量(WB)の割合、すなわち、100×WB/WA(%)を意味する。
結果を表4にまとめて示す。
上記2.5.で回収したイソプレンのGC−MS分析を実施した。GC−MS分析は、アジレント製HP−5MSUIカラムを用いて、注入口温度280℃、検出器温度250℃の条件下で実施した。カラムは、30℃で5分間保持した後、25℃/分にて昇温し、300℃に達温後5分間保持した。
GC−MS分析結果を表5乃至表9に示す。
その結果、フィードガスA、B及びCから回収したイソプレンでは検出されなかったRetention Time(R.T.) 6:00:1−Propanol,2−methyl、R.T. 7:40:Acetoin、R.T. 8:04:1−Butanol,3−methyl、R.T. 8:07:Pentane,3−methylの4成分が、フィードガスD(前処理:脱水)から回収したイソプレンでは検出された(表5乃至表8)。フィードガスD(前処理:水洗および脱水)から回収したイソプレンではAcetoin、Pentane,3−methylは検出されず、脱有機物処理により回収イソプレン中の有機不純物を低減できることが確認された(表9)。
3.PSA法によるイソプレンの回収
3.1.イソプレン回収装置および回収条件の説明
本実施例では、図1に示すイソプレン回収装置を使用した。第1の吸着塔1(内径3.5cm)、第2の吸着塔2(内径3.5cm)の両方に、疎水性モレキュラーシーブ「Hisiv−3000」の多孔質吸着剤層を設けた。多孔質吸着剤層は、予め濃度1体積%のイソプレンガスを吹き込むことにより、プレコートした状態にて実施に供した。
吸着工程では、イソプレン濃度1体積%に調製したフィードガス3を、フィードガス送気管10及び11(10及び11’)を介して第1の吸着塔1(または第2の吸着塔2)に送気した。吸着時の条件は、温度25℃、圧力101.3kPa、フィードガス線速度1.0cm/秒であった。吸着工程の後に大気に放出された排出ガス5中のイソプレン濃度は、センサーガスクロマトグラフ(FIS社製「ODSA−P2」)にて測定した。
脱着工程では、パージガス4として窒素ガスを供給し、真空ポンプ6により吸着塔内を1.2kPaまで減圧した(パージガスの線速度:8.8cm/秒)。冷却器7は10℃の冷却水を循環し、イソプレン含有パージガスを冷却した。
また、吸着工程と脱着工程とを交互に切り替えながら運転した(各工程の実施回数80回;各工程の切り替え時間15分間)。
−5℃に冷却した試薬イソプレン(東京化成工業社製)に30mL/分の速度で窒素ガスを通気した。得られたガスを、さらに570mL/分の窒素ガスで希釈して、イソプレン濃度約1体積%のフィードガスE(窒素ガスキャリア)を得た。
フィードガスE(窒素キャリア)について、図1に示すイソプレン回収装置によりイソプレンを回収した。その結果、85.5%の回収率にて液体イソプレンが回収された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は4ppmであった。
脱着工程時の圧力を3.3kPaに変更した点、および脱着工程時のパージガスの線速度を0.96cm/秒に変更した点を除いて、実施例3と同様にして、イソプレンを回収した。その結果、36.6%の回収率にて液体イソプレンが回収された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は0.51体積%であった。
5.イソプレン生産能を有する微生物を培養して得られるイソプレンを含む発酵ガスからのPSA法によるイソプレンの回収
5.1.イソプレン回収装置および回収条件の説明
本実施例では、図2に示すイソプレン回収装置を使用した。第1の吸着塔1(内径3.5cm)、第2の吸着塔2(内径3.5cm)の両方に、疎水性シリカゲル「S−6」の多孔質吸着剤層を設けた。多孔質吸着剤層は、予め濃度0.1体積%のイソプレンガスを吹き込むことにより、プレコートした状態にて実施に供した。
吸着工程では、発酵槽より生成した発酵ガスをフィードガス3として使用し、該フィードガスを脱水処理及び脱有機物処理に付した後、その1/15量を、フィードガス送気管10及び11(10及び11’)を介して第1の吸着塔1(または第2の吸着塔2)に送気した。吸着時の条件は、温度25℃、圧力101.3kPa、フィードガス線速度1.2cm/秒であった。吸着工程の後に大気に放出された排出ガス中のイソプレン濃度は、センサーガスクロマトグラフ(FIS社製「ODSA−P2」)にて測定した。なお、吸着塔に送気しなかった残りの14/15量のガスについては活性炭カラムにて吸着処理を行った。
脱着工程では、パージガスとして窒素ガスを供給し、真空ポンプにより吸着塔内を3.3kPaまで減圧した(パージガスの線速度:1.6cm/秒)。冷却器は10℃の冷却水を循環し、イソプレン含有パージガスを冷却した。
また、吸着工程と脱着工程とを交互に切り替えながら運転した(各工程の実施回数120回;各工程の切り替え時間15分間)。
5.2.1.イソプレン生産能を有する微生物の培養条件
イソプレン生産能を有する微生物として、Pantoea ananatisイソプレン生産菌(「P.ananatisイソプレン生産菌」と略称する場合がある。)を使用した。P.ananatisイソプレン生産菌株を、60mg/Lのクロラムフェニコールを含むLBプレートに塗布し、34℃にて16時間培養を実施した。
上記表3に示すグルコース培地0.3Lを1L容積の発酵槽2基の各々に投入した後、充分に生育したプレート1枚分の菌体を接種し、培養を開始した。培養条件は、pH7.0(アンモニアガスにて制御)、30℃、150mL/分の通気にて行い、培地中の酸素濃度が5%以上になるように撹拌制御を行った。なお、本実施例においては、表3に示すグルコース培地は、A区とB区を0.15L調製して用意した。
培地中に含まれるグルコースを全て消費したところで、400mLの培養液を50L容積の発酵槽に張り込んだ表10に示すグルコース培地20Lに投入した。培養条件は、pH7.0(アンモニアガスにて制御)、30℃、10L/分の通気にて行い、培地中の酸素濃度が5%以上になるように撹拌制御を行った。培養中は、培地中のグルコース濃度が10g/L以上になるよう500g/Lに調整したグルコースを連続的に添加した。最終的に48時間の培養で3884gのグルコースを消費した。
本実施例で使用したP.ananatisイソプレン生産菌株は、メバロン酸経路上流遺伝子をアラビノース誘導型プロモーターにて発現させるため、L−アラビノース(和光純薬工業社製)の存在下でイソプレン生産量が顕著に向上する。本実施例においては、表10に示すグルコース培地に終濃度20mMとなるようL−アラビノースを添加することでイソプレン生産期へと誘導した。
発酵ガス中のイソプレン濃度を、マルチガスアナライザー(GASERA社製「F10」)にて測定した。結果を図4に示す。培養開始6時間目からイソプレンが検出され、30時間目には発酵ガス中のイソプレン濃度は約800ppmに達した。その後、培養終了する48時間目まで、イソプレン濃度約800ppmの発酵ガスをイソプレン回収装置に供給した。
発酵ガスの脱水及び脱有機物処理は次の方法にて実施した。コイル型熱交換器(冷却水温度:10℃)を使用して発酵ガスを冷却し、水分および有機物を凝縮させ、気液分離器にて凝縮液を回収した。
発酵ガスについて、図2に示すイソプレン回収装置によりイソプレンを回収した。その結果、81.5%の回収率にて液体イソプレンが回収された。また、排出ガス中のイソプレン濃度(平均値)は7ppmであった。
なお、本実施例において、「イソプレンの回収率」とは、イソプレン回収装置に供給した発酵ガス中のイソプレンの積算重量(WA’)に対する、イソプレン回収装置により回収された液体イソプレンの重量(WB)の割合、すなわち、100×WB/WA’(%)を意味する。培養時間に対する、発酵ガスに含まれるイソプレンの積算重量のプロット図を図5に示す。
2 第2の吸着塔
3 イソプレンを含む発酵ガス(フィードガス)
4 パージガス
5 排気ガス
6 真空ポンプ
7 冷却器
8 分離器
9 回収イソプレン(液体イソプレン)
10,11,11’ フィードガス送気管
12,12’ イソプレン含有パージガス送気管
13 返送管
14,14’ 排出管
15,16,16’ パージガス送気管
17 脱水処理器
18 水洗処理器
100,200,300 イソプレン回収装置
Claims (15)
- 下記工程(I−1)および(I−2)を含む、発酵ガス中のイソプレンの回収方法。
(I−1)イソプレン生産能を有する微生物を培養して得られるイソプレンを含む発酵ガスを多孔質吸着剤に接触させる工程
(I−2)多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを脱着させる工程 - さらに下記工程(I−3)を含む、請求項1に記載の方法。
(I−3)脱着したイソプレンを冷却して液体イソプレンを回収する工程 - 多孔質吸着剤が、疎水化処理された多孔質吸着剤である、請求項1又は2に記載の方法。
- 多孔質吸着剤が、シリカゲルである、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
- 多孔質吸着剤の平均細孔径が100オングストローム以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の方法。
- イソプレン生産能を有する微生物が、パントエア(Pantoea)属細菌である、請求項1〜5のいずれか1項に記載の方法。
- 工程(I−2)において、100℃以下でイソプレンを脱着させる、請求項1〜6のいずれか1項に記載の方法。
- 圧力スイング吸着法により実施する、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
- 工程(I−1)を実施する際の圧力(PI−1)と、工程(I−2)を実施する際の圧力(PI−2)が、PI−1−PI−2≧50kPaを満たす、請求項8に記載の方法。
- 工程(I−1)と工程(I−2)とを交互に繰り返して行う、請求項8又は9に記載の方法。
- 工程(I−1)の前に、イソプレンを含む発酵ガスを脱水する、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
- 工程(I−1)の前に、イソプレンを含む発酵ガスを脱有機物処理する、請求項1〜11のいずれか1項に記載の方法。
- 工程(I−1)の後に、さらに下記工程(I−1a)を含む、請求項1〜12のいずれか1項に記載の方法。
(I−1a)工程(I−1)に供した発酵ガス中のイソプレン濃度をC0とするとき、イソプレン濃度が0.8C0以下の発酵ガスを排出する工程 - 下記工程(II−1)、(II−2)および(II−3)を含む、精製イソプレンの製造方法。
(II−1)イソプレン生産能を有する微生物を培養してイソプレンを含む発酵ガスを得る工程
(II−2)イソプレンを含む発酵ガスを多孔質吸着剤に接触させる工程
(II−3)多孔質吸着剤に吸着したイソプレンを脱着させる工程 - さらに下記工程(II−4)を含む、請求項14に記載の方法。
(II−4)脱着したイソプレンを冷却して液体イソプレンを回収する工程
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