KR101959764B1 - 커피 슬러지를 이용한 연탄 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건조시킨 커피 슬러지와 연근 점액을 이용하여 일산화탄소 발생이 저감되고, 경량화 되며 연소 후에도 형상이 유지되는 고형탄 조성물 및 이를 이용한 연탄 및 그 제조방법에 관한 것으로, 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 완전 건조된 커피 슬러지 50~80중량부, 톱밥 또는 자연 부산물 10~30중량부, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량부, 흙 또는 무연탄 10~20중량부를 포함한다.
본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물 및 이를 이용한 연탄 은 일산화탄소 발생이 저감되고, 경량화 되며 연소 후에도 형상이 유지되는 고형탄 제조를 가능하게 하며, 또한, 연소되어 사용이 완료된 후의 연탄재는 도자기의 유약으로 활용할 수 있다.

Description

커피 슬러지를 이용한 연탄 제조방법{Briquette manufacturing method using the coffee sludge}

본 발명은 커피 슬러지를 이용한 연탄 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건조시킨 커피 슬러지, 전분이 있는 작물 점액 및 톱밥(또는 자연 부산물)을 이용하여 일산화탄소 발생이 저감되고, 경량화 되며 연소 후에도 형상이 유지되는 커피 슬러지를 이용한 연탄 제조방법에 관한 것이다.

고형탄, 특히 연탄은 무연탄을 주원료로 하여 코크스, 목탄가루 등의 다른 탄화물을 분쇄 및 배합하거나 점결제를 혼합해서 성형 및 건조시킨 원통형 고체연료로서, 공기구멍이 뚫려 있기 때문에 구공탄 또는 구멍탄이라고도 한다.

생활 수준 향상과 도시가스의 보급으로 연탄소비량은 1986년 이후로 꾸준히 감소했으나 유가상승으로 인해 2000년대 들어 다시 증가하고 있다.

국내 무연탄의 경우, 자원 고갈로 원료 채탄이 어렵고, 현재 장성과 화순, 도계 광업소에서 생산 중에 있으나 점차 품질이 저하되고 있는 실정이다. 수입 무연탄의 경우, 기름 성분이 많아 국내 석탄과의 배합과정에서 일정 비율이상 섞을 수가 없고, 중국에서 수입되던 북한산 무연탄의 경우, 고품질임에도 수입이 제한되고 있는 실정으로 석탄 공사에서는 해외로 무연탄 탐사를 수시로 보내고 있지만 현실적인 대안 제시는 못하고 있는 실정이다.

특히 석탄은 향후 50년 이내에 고갈될 위기에 처했고, 이를 대체할 연료 개발이 시급하다.

한국산업규격(KS E 3731 구멍탄, KS E 3732 구멍탄 시험방법, KS E 3707 석탄류의 발열량 측정방법)에 따르면, 연탄의 발열량은 4,600 kcal 이상이어야 하며, 일반 가정에서 난방용으로 주로 사용하는 2호 연탄의 규격은 건조 무게가 4.1kg 이상이 되도록 성형해야 한다.

상기 연탄은 무겁기 때문에 노동력과 운반비가 많이 소요되고, 골목길 등 차량 진입이 힘든 곳에서 사람이 직접 옮기는 경우에는 차량 운반의 두 배 이상의 노동 강도가 요구되며, 연탄 운반 중 무거워서 놓치는 경우도 허다하다.

또, 연탄을 제조할 때 석탄 가루 날림에 노출되어 진폐증 등의 건강 문제가 발생할 수 있고, 사용이 완료된 연탄은 재가 되어 미세먼지를 유발하기도 한다는 문제가 있다.

연탄의 착화연소 시간은 약 30분 정도가 소요되고 대기 중에 노출하여 연소시킬 경우 완전 연소되는 시간은 약 8시간 정도이다. 연탄이 탈 때 발생하는 유독성 가스는 비중이 0.6으로 공기보다 가벼워 금방 퍼지는 성질이며, 특히 일산화탄소로 이루어져 있으며 공기 중 0.05%이상이면 일산화탄소 중독 상태가 되어 인명피해로 이어지는 문제가 있으며, 방바닥을 직접 덥히는 온돌 난방을 하는 한국에서는 바닥 틈새가 벌어지는 경우가 많아 연탄가스에 중독되는 경우가 많아 그 문제가 매우 심각하다.

한편, 국내 커피시장이 매년 확장됨에 따라 커피 슬러지 발생량도 급증하고, 연간 11만톤 이상의 커피 슬러지가 발생함에 따라 일반쓰레기로 배출하기 위한 종량제 봉투 비용이 연간 23억원 이상 발생하고 있다.

이에, 본 발명인은 버려지는 커피 슬러지를 이용한 도자기 유약을 개발하던 중에 커피 슬러지를 태워서 재로 만들 때 연소 효율이 우수함을 발견하였고, 상기 커피 슬러지 재를 유약에 활용하기 위하여 커피 슬러지를 태우는 공정 대신 커피 슬러지를 이용한 연료를 사용한 후에 연료의 재를 수거하여 사용함으로써 더욱 효율적인 재활용이 가능하다고 판단하여 본 발명을 안출하게 되었다.

한편, 국내에서는 폐자원을 활용한 다양한 고체 연료들이 개발되고 있다.

일 예로, 대한민국 공개특허 제10-2015-0019243호에는 커피박을 포함한 폐기물을 이용한 펠릿 제조방법으로서, 커피박에 동물의 분변을 혼합한 후 리그닌을 보충함으로써 결착력을 향상시킨 고밀도 펠릿 제조방법이 개시되어 있다.

또 다른 예로, 대한민국 공개특허 제10-2009-0085382호에는 커피 부산물을 이용한 고체연료 조성물로서, 커피 부산물 80 중량% 이상, 바륨(Barium) 1∼5 중량%, 초석 1∼3 중량%, 에틸 셀룰로오스(Ethyl cellulose) 0.1∼1 중량%, 설탕 5∼10 중량%를 포함하는 숯불구이용 고체연료 조성물이 개시되어 있다.

그러나, 상기 문헌들에는 경량화에 대한 개시가 없고, 연소시간이 짧으며, 연소 후에는 재가 되어 최초 형상을 유지하지 못해서 회수 및 수거가 어렵기 때문에 연탄으로 활용할 수 없고 단시간 연소하는 착화탄에만 한정된다는 단점이 있다.

본 발명의 목적은, 전술한 바와 같은 종래의 고형탄의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 건조시킨 커피 슬러지, 전분이 있는 작물 점액 및 톱밥(또는 자연 부산물)을 이용하여 일산화탄소 발생이 저감되고, 경량화 되며 연소 후에도 형상이 유지되는 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물 및 이를 이용한 연탄을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물은 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 완전 건조된 커피 슬러지 50~80중량부, 톱밥 혹은 자연 부산물 10~30중량부, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량부, 흙 10~20중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물은 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 완전 건조된 커피 슬러지 50~80중량부, 톱밥 혹은 자연 부산물 10~30중량부, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량부, 무연탄 10~20중량부를 포함하는 것을 또 다른 특징으로 한다.

또, 상기 전분이 있는 작물은 연근, 감자, 고구마, 밀가루, 밥알 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또, 상기 자연 부산물은 건조시킨 낙엽, 연 대, 폐지, 농업부산물 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄은 상기 고형탄 조성물로부터 제조되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 제조방법은 상기 고형탄 조성물을 토련기에 투입하여 혼합 및 반죽하는 재료 반죽 단계(S1);

본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물은상기 반죽으로 연탄을 성형하는 단계(S2);

상기 연탄을 35~45℃에서 15~36시간 동안 건조시키는 연탄 건조 단계(S3);

를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 착화탄 조성물은 착화탄 조성물 100중량부 기준으로, 완전 건조된 커피 슬러지 50~80중량부, 톱밥 혹은 자연 부산물 10~30중량부, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 건조시킨 커피 슬러지, 전분이 있는 작물 점액 및 톱밥(또는 자연 부산물)을 이용한 고형탄 조성물을 제공함으로써, 일산화탄소 발생이 저감되고, 경량화 되며 연소 후에도 형상이 유지되는 고형탄 제조를 가능하게 한다.

또한, 본 발명에 따른 연탄이 연소되어 사용이 완료된 후의 연탄재는 도자기의 유약으로 활용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물의 사진이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 발화 모습을 나타내는 사진이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄이 연소된 연탄재의 모습을 나타내는 사진이다.
도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄을 나타내는 사진이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 연소 모습을 나타내는 사진이다.
도 7은 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물이 토련기에서 반죽된 후 압출되는 모습을 나타내는 사진이다.
도 9는 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄을 윤진기를 이용하여 성형하는 모습을 나타내는 사진이다.

본 발명에 따른 예시적 실시예를 기초하여 본 발명을 상세히 설명한다. 한편, 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 통상의 기술자들이 용이하게 알 수 있는 구성 및 작용에 대한 언급은 간략히 하거나 생략하였다. 본 명세서에 상세히 기술된 구성 및 작용은 제한적이지 않으며, 본 발명의 다양한 실시예를 위해 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자를 교시하는 토대로서 기술된다.

이하에서, 본 발명에 따른 커피슬러지를 이용한 고형탄 조성물의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

<실시예 1>

본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물은 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 완전 건조된 커피 슬러지 50~80중량부, 톱밥 혹은 자연 부산물 10~30중량부, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량부, 흙 10~20중량부를 포함한다.

바람직하게 상기 커피 슬러지는 건조기에 넣고 80℃에서 12시간 동안 완전히 건조시킨 것을 사용한다.

상기 전분이 있는 작물은 연근, 감자, 고구마, 밀가루, 밥알 중 어느 하나에서 선택하여 사용한다.

상기 자연 부산물은 건조시킨 낙엽, 연 대, 폐지, 농업부산물 중 어느 하나를 선택하여 사용한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전분이 있는 작물 점액으로서 연근 점액을 이용하였으며, 상기 연근 점액은 연근과 물을 동일한 중량부로 혼합한 후, 100℃에서 1시간 동안 끓여서 점액 상태가 된 것이 바람직하며, 상기 연근 대신 감자, 고구마, 밀가루, 밥알 등 전분이 있는 작물을 사용하여 동일한 방법으로 얻은 점액도 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물의 사진으로, 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물은 반죽하여 다양한 형태의 고형탄으로 제조될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄을 나타내는 사진으로, 종래의 연탄과 동일한 형태로 성형하여 사용할 수 있다.

종래의 연탄과 동일한 형태로 성형했을 때, 종래의 연탄 성형체의 무게는 건조 후 3.3kg이지만, 본 발명의 실시예 1에 따른 연탄 성형체의 무게는 건조 후 1kg으로서 기존 연탄 무게에 비해 약 70%의 무게 감소를 이끌어낼 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 발화 모습을 나타내는 사진으로, 화력이 우수함을 육안으로 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄이 연소된 연탄재의 모습을 나타내는 사진이다.

전술한 바와 같이, 종래의 연탄과 동일한 형태로 성형했을 때, 종래의 연탄 성형체의 무게는 건조 후 3.3kg, 연소 후 1.3kg이지만, 본 발명의 실시예 1에 따른 연탄 성형체의 무게는 건조 후 1kg, 연소 후 800g으로서 기존 연탄의 연소 후 무게에 비해 약 40%의 연소 후 무게 감소를 이끌어낼 수 있다.

상기 도 4에 의하면 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄은 연소되어 사용이 완료된 후에도 최초 형상을 유지한다.

상기 커피 슬러지 함량이 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 80중량부를 초과할 경우에는 고형탄 연소시 연기가 많이 발생할 수 있고, 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 50중량부에 미달할 경우에는 발열량이 낮아진다는 문제가 발생할 수 있다.

상기 톱밥은 고형탄 연소시 불꽃과 발열량을 높여주는 역할을 한다.

상기 톱밥의 함량이 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 30중량부를 초과할 경우에는 고형탄이 단시간에 모두 연소되어 장시간 난방용으로는 부적합할 수 있고, 10중량부에 미달할 경우에는 연소시 연기가 많이 발생할 수 있다.

상기 연근 점액은 다른 조성물들을 결착시키는 점결제 역할을 한다.

상기 연근 점액의 함량이 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 30중량부를 초과할 경우에는 물성이 물러져서 상기 고형탄 조성물로 고형탄을 성형하기 어려워지거나 고형탄 제조 후 건조공정에서 시간이 길어질 수 있고, 10중량부에 미달할 경우에는 고형탄 제조 시 반죽이 어려워져서 형상 성형이 힘들어진다.

상기 연근 이외의 감자, 고구마, 밀가루, 밥알 점액 등도 연근 점액과 동일한 중량부로 첨가될 수 있다.

상기 흙은 마른 흙이나 진흙이고, 고형탄 연소시 발열 효율을 높이고, 고형탄이 연소되어 사용이 완료된 후에도 최초 형상 유지가 가능하게 하기 때문에 점토질의 흙을 사용하는 것이 바람직하다.

상기 흙의 함량이 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 20중량부를 초과할 경우에는 고형탄 연소시 최초 착화 시간이 길어지고, 고형탄이 무거워지며, 10중량부에 미달할 경우에는 고형탄 연소 후 최초의 형상이 유지되지 않고 부서지게 되어 사용 후 수거 및 회수가 힘들 수 있다.

<실시예 2>

본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물은 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 완전 건조된 커피 슬러지 50~80중량부, 톱밥 혹은 자연 부산물 10~30중량부, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량부, 무연탄 10~20중량부를 포함한다.

도 5는 본 발명의 실시예 2에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄을 나타내는 사진이고, 도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 연소 모습을 나타내는 사진으로, 기존의 연탄과 동일한 규격으로 제작해서 기존의 연탄 난로 혹은 보일러에 적용할 수 있다.

상기 무연탄은 고형탄 연소시 발열 효율을 높이기 위해 사용되며, 상기 실시예 1에서 흙과 유사한 역할을 한다.

상기 무연탄의 함량이 고형탄 조성물 100중량부 기준으로, 20중량부를 초과할 경우에는 최종적으로 고형탄의 무게가 증가하고, 10중량부에 미달할 경우에는 고형탄 연소 후 최초의 형상이 유지되지 않아 부서져서, 사용 후 연탄재의 수거 및 회수가 어려워질 수 있다.

한편, 상기 고형탄 조성물 중 무연탄 외의 구성에 대한 설명은 상기 실시예 1에 기재된 설명을 참조한다.

종래의 연탄과 동일한 형태로 성형했을 때, 종래의 연탄 성형체의 무게는 건조 전 3.3kg이지만, 본 발명의 실시예 2에 따른 연탄 성형체의 무게는 건조 전 2.48kg으로서 기존 연탄 무게에 비해 약 25%의 무게 감소를 이끌어낼 수 있다.

또한, 종래의 연탄과 동일한 형태로 성형했을 때, 종래의 연탄 성형체의 무게는 건조 후 3.3kg, 연소 후 1.3kg이지만, 본 발명의 실시예 2에 따른 연탄 성형체의 무게는 건조 후 1.8kg, 연소 후 1kg으로서 기존 연탄의 연소 후 무게에 비해 약 23%의 연소 후 무게 감소를 이끌어낼 수 있다.

본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄은 종래의 연탄과 동일한 규격으로 제작되어 기존의 연탄 난로 및 보일러에 적용할 수 있고, 연소되어 사용이 완료된 후에도 최초 형상을 유지한다.

<실시예 3>

한편, 본 발명의 다른 실시예는 전술한 고형탄 조성물 및 이를 이용한 연탄 제조 이외에, 조개탄, 펠릿 등 다양한 착화탄을 제조하는 조성물을 개시한다.

본 발명의 상기 다른 실시예에 따르면, 착화탄 조성물 100중량부 기준으로, 완전 건조된 커피 슬러지 50~80중량부, 톱밥 혹은 자연 부산물 10~30중량부, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량부를 포함한다.

이와 같이, 커피 슬러지, 톱밥(또는 자연 부산물), 전분이 있는 작물 점액만을 포함으로써 경량의 착화탄을 제공할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 제조방법을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄의 제조방법을 나타내는 흐름도이다.

1. 재료 반죽 단계(S1)

재료 반죽 단계(S1)는 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물을 토련기에 투입하여 혼합 및 반죽하는 단계이다.

도 8은 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물이 토련기에서 반죽된 후 압출되는 모습을 나타내는 사진이다.

상기 도 8에 의하면, 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물은 반죽이 용이하여 다양한 형상의 고형탄으로 제조될 수 있고, 특히 종래의 연탄 규격과 동일하게 제조될 수 있다.

2. 연탄 성형 단계(S2)

연탄 성형 단계(S2)는 상기 압출된 반죽으로 연탄을 성형하는 단계이다.

도 9는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 커피 슬러지를 이용한 연탄들을 나타내는 사진이다.

즉, 다른 실시예로 상기 고형탄 조성물을 포함하여 다양한 재료를 추가할 수 있으며, 다양한 형상의 고형탄을 제조할 수 있다.

3. 연탄 건조 단계(S3)

연탄 건조 단계(S3)는 상기 성형한 연탄을 35~45℃에서 15~36시간 동안 건조시키는 단계이다.

본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물로부터 제조된 연탄의 모습은 상기 도 2와 같다.

상기 연탄 건조 단계(S3)에서 상기 성형한 연탄의 건조시킬 때 온도가 45℃를 초과하거나, 건조 시간이 36시간을 초과할 경우, 형태의 갈라짐 현상이 나타날 수 있고 , 건조시킬 때 온도가 35℃ 미만이거나, 건조 시간이 15시간에 미달할 경우, 연탄 내 잔존 수분으로 인해 연기 다량 발생 및 연탄불의 화력이 약해질 수 있다.

본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물 및 이를 이용한 연탄은 실시예1에서는 1kg, 실시예2에서는 1.8kg으로, 종래의 연탄보다 가벼워서 운반 및 이송이 용이하고, 원기둥 형상으로 종래의 연탄 난로 및 화로에도 적용이 가능하며, 연소시간이 7 내지 9시간으로 종래의 연탄과 유사하며 커피의 발열량은 6,300kcal으로, 석탄 발열량 4,500kcal보다 높으며, 석탄 채탄 및 분쇄 공정 없이 버려지는 커피 슬러지를 사용하기 때문에 공정시간과 노동력을 단축시킬 수 있고, 인체에 무해하기 때문에 진폐증 문제가 발생하지 않으며, 특히 연소시 일산화탄소 발생이 저감되어 연탄 중독 문제를 감소시킬 수 있다.

또, 현재 대부분 지자체에서는 연탄을 사용하는 계층의 사정을 감안하여 쓰레기 종량제를 적용치 않고 무료로 수거하고 있는데, 본 발명에 따른 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물 및 이를 이용한 연탄은 연소 후에도 최초의 형상을 유지하기 때문에 수거 및 회수가 용이하고, 종래의 연탄재에 잔존하던 비소 등의 유해 물질이 없어 인체에 무해하기 때문에 농작물의 거름이나 도자기의 유약과 같이 다양하게 재활용 할 수 있으며, 향후 50년 이내 고갈될 위기에 처한 석탄의 대체 연료로도 적합한 것이다.

본 발명의 실시예를 기술했지만, 이 실시예는 일례로서 제시한 것으로, 발명의 범위를 한정하려는 의도는 없다. 이 발명의 신규 실시형태는 그 밖의 다른 여러 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략, 치환, 변경이 가능하다. 상기 실시형태 및 그 변경은 발명의 범위나 요지에 포함되고, 특허 청구범위에 기재된 발명과 그 균등한 범위에 포함된다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 완전 건조된 커피 슬러지 50~70중량%, 톱밥 또는 식물 부산물 10~30중량%, 전분이 있는 작물 점액 10~30중량%, 흙 10~20중량%를 포함하되, 상기 전분이 있는 작물 점액은 전분이 있는 작물에 물을 넣고 가열하여 전분이 호화되면서 점액 상태가 된 것을 특징으로 하는 커피 슬러지를 이용한 고형탄 조성물을 토련기에 투입하여 혼합 및 반죽하는 재료 반죽 단계(S1);
   상기 반죽으로 연탄을 성형하는 단계(S2);
   상기 연탄을 35~45℃에서 15~36시간 동안 건조시키는 연탄 건조 단계(S3);를 포함하는 것을 특징으로 하는 커피 슬러지를 이용한 연탄 제조방법.
7. 삭제

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