WO2020079210A1 - Procédé de préparation de molécules organiques par fermentation anaérobie - Google Patents

Procédé de préparation de molécules organiques par fermentation anaérobie Download PDF

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fermentation juice
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Jérémy Jean-Paul PESSIOT
Michael Frédéric Pierre ROUSSEL
Aurélien Antoine BOST
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    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/52Propionic acid; Butyric acids
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P39/00Processes involving microorganisms of different genera in the same process, simultaneously
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C12PFERMENTATION OR ENZYME-USING PROCESSES TO SYNTHESISE A DESIRED CHEMICAL COMPOUND OR COMPOSITION OR TO SEPARATE OPTICAL ISOMERS FROM A RACEMIC MIXTURE
    • C12P7/00Preparation of oxygen-containing organic compounds
    • C12P7/40Preparation of oxygen-containing organic compounds containing a carboxyl group including Peroxycarboxylic acids
    • C12P7/54Acetic acid

Definitions

  • the present invention relates to the preparation of organic molecules by anaerobic fermentation of biomass, in which the fermentation juice is aerated before the step of recovering organic molecules.
  • the step of isolating organic molecules from the fermentation juice is generally preceded by a concentration of the fermentation juice by evaporation of the water.
  • this evaporation step can cause part of the organic molecules with the evaporation of water and a loss in final yield.
  • the invention lies in a simple step which consists in aerating the fermentation juice before its concentration.
  • the invention therefore relates to a process for the preparation of organic molecules comprising the steps a) of anaerobic fermentation of a biomass in an aqueous fermentation medium, b) of recovery of a fermentation juice from the fermentation must and c) of recovery of organic molecules from the fermentation juice, in which the fermentation juice is aerated before step c) of recovery of the molecules.
  • step c) of recovery of the organic molecules comprises a step c1) of concentration of the fermentation juice which precedes a step c2) of recovery of the organic molecules from the concentrated fermentation juice.
  • the fermentation process aims to produce organic acids, more particularly volatile organic acids, such as acetic, propionic, butyric, isobutyric, valeric, isovaleric, caproic acids. and their mixtures.
  • organic acids more particularly volatile organic acids, such as acetic, propionic, butyric, isobutyric, valeric, isovaleric, caproic acids. and their mixtures.
  • the methods for preparing organic molecules by anaerobic fermentation include the steps a) of anaerobic fermentation of a biomass in an aqueous fermentation medium, b) of recovering a fermentation juice from the fermentation wort and recovering organic molecules from the fermentation juice, in which the fermentation juice is aerated before step c) of recovery of the molecules.
  • the invention relates to an improvement of these anaerobic fermentation processes which consists in aerating the fermentation juice before the recovery of these organic molecules.
  • the organic molecules produced in these anaerobic fermentation processes are in particular alcohols, organic acids, and in particular volatile organic acids, derivatives of these organic acids such as polyhydroxyalkanoates or esters, or even amino acids.
  • the fermentation process aims to produce organic acids, more particularly volatile organic acids, such as acetic, propionic, butyric, isobutyric, valeric, isovaleric, caproic acids and their mixtures.
  • organic acids more particularly volatile organic acids, such as acetic, propionic, butyric, isobutyric, valeric, isovaleric, caproic acids and their mixtures.
  • the biomass comprises any biomass capable of being fermented in anaerobic mode, comprising the nutrients necessary for the growth of anaerobic microorganisms and the production of the chosen organic molecules.
  • the various exploitable biomasses are well known to those skilled in the art according to the anaerobic fermentation processes used. These fermentable biomasses are, for example, by-products from agriculture or the food industry, such as from cereals, potato sorting deviations, slaughterhouse waste, brewer's dregs, vinasse or livestock effluents. All methanisable substrates are also examples of fermentable biomass.
  • the conventional fermentation substrates used in biotechnology or in the food industry such as sugars such as sucrose, glucose, fructose or alcohols such as glycerol are also examples of fermentable biomass.
  • the biomass is molasses and / or beet pulp.
  • the anaerobic fermentation process is carried out with molasses and / or pulp as a carbon source, for the preparation of organic acids, in particular volatile organic acids as identified above.
  • the invention consists in aerating the fermentation juice before the recovery of the organic molecules and the skilled person will be able to determine the most appropriate means and conditions for aeration of the fermentation juice according to the volume of juice to be treated and the molecules organic to recover.
  • aeration can be carried out by introducing air or bubbling air through the fermentation juice, or even by simply stirring the fermentation juice in contact with the air by any suitable means such as recirculation pumps. , spargers, venturi mixers etc.
  • aeration is obtained by stirring the fermentation juice.
  • the fermentation juice coming from an anaerobic fermentation stage comprises large amounts of dissolved carbon dioxide. Aeration, by eliminating the carbon dioxide dissolved in the fermentation juice, may increase the pH.
  • the aeration is maintained until a fermentation juice with a pH of at least 7, preferably at least 8, is obtained.
  • Ventilation is maintained for at least 15 minutes, up to 30 minutes or more.
  • the aeration time will essentially depend on the pH of the fermentation juice recovered at the end of fermentation, the person skilled in the art knowing how to determine the aeration time as a function of this pH, but also on the organic molecules to be recovered and on the methods of recovering said aids. organic molecules.
  • organic molecules are organic acids, more particularly volatile organic acids such as acetic, propionic, butyric, isobutyric, valeric, isovaleric, caproic acids and their mixtures.
  • Stage a) of fermentation will generally be carried out in mesophilic and anaerobic mode in a stirred fermenter.
  • the culture method can be continuous or discontinuous.
  • the biomass, in particular the molasses or the pulp used for fermentation are preferably residues from the sugar industry, in particular from the processing of sugar cane or sugar beet, preferably sugar beet pulp. or sugar beet molasses.
  • Molasses and pulp can be used together in the same fermenter, in all proportions, or separately in different fermenters.
  • pulp and / or molasses are the only sources of carbon for anaerobic fermentation.
  • Anaerobic fermentation is generally carried out with microorganisms alone or in mixtures. These can be lines and mixtures of microorganisms seeded in the biomass for the start of fermentation. It may also be the native flora of the biomass which grows under the conditions of anaerobic culture.
  • the aqueous medium is water.
  • the aqueous fermentation medium consists of water and vinasse mixed in all proportions.
  • the aqueous fermentation medium can be supplemented with vitamins, yeast extract or any other adjuvants allowing optimization of the fermentation performance.
  • step b recovery is done at the end of fermentation according to standard filtration techniques to eliminate potential solid residues present in the fermentation must, for example by centrifugation, centrifugal decantation, etc.
  • the aeration step is carried out on a liquid medium after fermentation where the state of the art describes the influence of aeration on the fermentation conditions, equivalent to step a) of the process according to the invention , upstream of stage b) of recovery of the fermentation juice (Wei & al., 2014; EP 1 892 300; Cheng & al., 2004; Yimalztekin & al., 2013; Botheju & al., 201 1) .
  • Step c) of recovery of organic molecules is generally done by extraction, precipitation and / or distillation.
  • this step c) of recovery of the organic molecules comprises a step c1) of concentration of the fermentation juice which precedes a step c2) of recovery of the organic molecules from the concentrated fermentation juice.
  • the concentration step c1) is carried out according to the usual methods of evaporation, known to those skilled in the art.
  • Step c2) of recovery of organic molecules is advantageously carried out on the concentrated fermentation juice after elimination of at least part of the water, and if necessary with the addition of an organic solvent to promote the partition of different molecules.
  • Mention will in particular be made of the extraction methods described in applications WO 2015/036683, WO 2014/100424.
  • a person skilled in the art knows and will know how to choose the means best suited to the organic molecules to be isolated, this step not being limiting with regard to the invention which first relates to step c1) of concentration.
  • step c2) of recovery of the molecules organic is preceded by an acidification step by adding a strong acid, in particular sulfuric acid, to a pH below 5, which can range up to 3 or less.
  • a strong acid in particular sulfuric acid
  • This addition of a strong acid is particularly suitable before isolating the organic acids, and more particularly the volatile organic acids.
  • the fermentation juice can come from a single fermentation must or from a mixture of several fermentation juices from several fermentation must, where appropriate after concentration.
  • each fermentation must may come independently from the fermentation of pulp or molasses or from a mixture of pulp and molasses.
  • Table 1 reports the summary of the results of rising pH by aeration at different times from various juices from anaerobic fermentation of molasses-type agro-industrial by-products.

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Abstract

La présente invention concerne la préparation de molécules organiques par fermentation anaérobie de biomasse, dans lequel le jus de fermentation est aéré avant l'étape de récupération des molécules organiques.

Description

PROCÉDÉ DE PRÉPARATION DE MOLÉCULES ORGANIQUES PAR
FERMENTATION ANAÉROBIE
DOMAINE DE L'INVENTION
La présente invention concerne la préparation de molécules organiques par fermentation anaérobie de biomasse, dans lequel le jus de fermentation est aéré avant l’étape de récupération des molécules organiques.
ETAT DE LA TECHNIQUE
On connaît différents procédés de préparation de molécules organiques, en particulier d’acides organiques, par fermentation anaérobie d’une biomasse, en particulier par fermentation de mélasse et ou de pulpe, comprenant en particulier les étapes de fermentation anaérobie de mélasse et/ou de pulpe en milieu de fermentation aqueux, de récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation et d’isolation des molécules organiques à partir du jus de fermentation. Ces procédés et les conditions de mise en oeuvre des différentes étapes sont en particulier décrits dans les demandes de brevet WO 2016/135396, WO 2016/135397, WO 2016/012701 , WO 2017/013335, WO 2015/036683, WO 2014/100424 et WO 2010/047815.
L’étape d’isolation des molécules organiques à partir du jus de fermentation est généralement précédée par une concentration du jus de fermentation par évaporation de l’eau. Or, cette étape d’évaporation peut entraîner une partie des molécules organiques avec l’évaporation de l’eau et une perte en rendement final.
Il est donc intéressant de trouver un procédé robuste et économique qui permette de limiter, voire d’éliminer les pertes en molécules organiques lors de l’évaporation de l’eau pour concentrer le jus de fermentation.
EXPOSE DE L'INVENTION
L’invention réside dans une étape simple qui consiste à aérer le jus de fermentation avant sa concentration.
L’invention concerne donc un procédé de préparation de molécules organiques comprenant les étapes a) de fermentation anaérobie d’une biomasse en milieu de fermentation aqueux, b) de récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation et c) de récupération des molécules organiques à partir du jus de fermentation, dans lequel le jus de fermentation est aéré avant l’étape c) de récupération des molécules.
Avantageusement, l’étape c) de récupération des molécules organiques comprend une étape c1 ) de concentration du jus de fermentation qui précède une étape c2) de récupération des molécules organiques à partir du jus de fermentation concentré.
De manière avantageuse et préférée, le procédé de fermentation a pour objet de produire des acides organiques, plus particulièrement des acides organiques volatils, comme les acides acétique, propionique, butyrique, isobutyrique, valérique, isovalérique, caproïque et leurs mélanges.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
Les procédés de préparation de molécules organiques par fermentation anaérobie comprennent les étapes a) de fermentation anaérobie d’une biomasse en milieu de fermentation aqueux, b) de récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation et de récupération des molécules organiques à partir du jus de fermentation, dans lequel le jus de fermentation est aéré avant l’étape c) de récupération des molécules.
L’invention concerne une amélioration de ces procédés de fermentation anaérobie qui consiste à aérer le jus de fermentation avant la récupération de ces molécules organiques.
Les molécules organiques produites dans ces procédés de fermentation anaérobie sont en particulier des alcools, des acides organiques, et notamment des acides organiques volatils, des dérivés de ces acides organiques comme des polyhydroxyalkanoates ou des esters, ou encore des acides aminés.
De manière avantageuse et préférée, le procédé de fermentation a pour objet de produire des acides organiques, plus particulièrement des acides organiques volatils, comme les acides acétique, propionique, butyrique, isobutyrique, valérique, isovalérique, caproïque et leurs mélanges.
La biomasse comprend selon l’invention toute biomasse susceptible d’être mise à fermentée en mode anaérobie, comprenant les nutriments nécessaires à la croissance des microorganismes anaérobies et la production des molécules organiques choisies. Les différentes biomasses exploitables sont bien connues de l’homme du métier selon les procédés de fermentation anaérobie mis en oeuvre. Ces biomasses fermentescibles sont par exemple des coproduits issus de l’agriculture ou de l’industrie agro-alimentaire à l’instar des issues de céréales, des écarts de tri de pomme de terre, des déchets d’abattoirs, des drêches de brasseries, des vinasses ou des effluents d’élevage. Tous les substrats méthanisables sont également des exemples de biomasses fermentescibles. Les substrats classiques de fermentation utilisés en biotechnologie ou en agro-alimentaire comme les sucres type saccharose, glucose, fructose ou les alcools type glycérol sont aussi des exemples de biomasse fermentescible.
Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, la biomasse est de la mélasse et/ou de la pulpe de betterave.
Selon un mode plus préféré de réalisation de l’invention le procédé de fermentation anaérobie est mis en oeuvre avec de la mélasse et/ou de la pulpe comme source de carbone, pour la préparation d’acides organiques, en particuliers d’acides organiques volatils tels qu’identifiés plus haut.
L’invention consiste à aérer le jus de fermentation avant la récupération des molécules organiques et l’homme du métier saura déterminer les moyens et conditions d’aération du jus de fermentation les plus appropriées selon le volume de jus à traiter et les molécules organiques a récupérer.
En particulier, l’aération peut être réalisée par introduction d’air ou bullage d’air au travers du jus de fermentation, ou encore par simple brassage du jus de fermentation au contact de l’air par tout moyen approprié comme des pompes de recirculation, des spargers, des mélangeurs à effet venturi etc.
De manière préférentielle, l’aération est obtenue par brassage du jus de fermentation.
Sans vouloir limiter l’invention ni se lier à une quelconque théorie, il peut être compris que le jus de fermentation provenant d’une étape de fermentation anaérobie comprend de fortes quantités de dioxyde de carbone dissout. Il est possible que l’aération, en éliminant le dioxyde de carbone dissout dans le jus de fermentation permette d’en augmenter le pH.
Il a été effectivement constaté que l’aération du jus de fermentation permettait de faire remonter son pH et que plus le pH du jus était acide, plus les molécules organiques étaient entraînées avec l’évaporation de l’eau, par exemple en cas de récupération avec évaporation de l’eau, comme dans une étape de concentration.
De manière avantageuse, l’aération est maintenue jusqu’à obtenir un jus de fermentation de pH d’au moins 7, de préférence d’au moins 8.
Généralement, l’aération est maintenue au moins 15 minutes, pouvant aller jusqu’à 30 minutes, voire plus. Le temps d’aération dépendra essentiellement du pH du jus de fermentation récupéré en fin de fermentation, l’homme du métier sachant déterminer le temps d’aération en fonction de ce pH, mais aussi des molécules organiques à récupérer et des méthodes de récupération desdites molécules organiques.
Cette augmentation de pH est particulièrement adaptée lorsque les molécules organiques sont des acides organiques, plus particulièrement des acides organiques volatils comme les acides acétique, propionique, butyrique, isobutyrique, valérique, isovalérique, caproïque et leurs mélanges.
Les procédés et les conditions de mise en oeuvre des différentes étapes sont en particulier décrits dans les demandes de brevet WO 2016/135396, WO 2016/135397, WO 2016/012701 , WO 2017/013335, WO 2015/036683, WO 2014/100424 et WO 2010/047815.
L’étape a) de fermentation va généralement être mise en oeuvre en mode mésophile et anaérobie dans un fermenteur agité. Le mode de culture peut être continu ou discontinu.
La biomasse, en particulier la mélasse ou la pulpe employée pour la fermentation sont de préférence des résidus de l’industrie sucrière, en particulier de transformation de la canne à sucre ou de la betterave à sucre, de préférence de la pulpe de betterave à sucre ou de la mélasse de betterave à sucre.
La mélasse et la pulpe peuvent être employées ensemble dans le même fermenteur, en toutes proportions, ou séparément dans des fermenteurs différents.
De manière préférentielle, pulpe et/ou mélasses sont les seules sources de carbone pour la fermentation anaérobie. La fermentation anaérobie est généralement mise en oeuvre avec des microorganismes seuls ou en mélanges. Il peut s’agir de lignées et mélanges de microorganismes ensemencés dans la biomasse pour le début de fermentation. Il peut également s’agir de la flore autochtone de la biomasse qui se développe dans les conditions de culture anaérobie.
Le milieu aqueux est de l’eau. Selon un mode particulier de réalisation de l’invention, le milieu aqueux de fermentation consiste en de l’eau et de la vinasse mélangées en toutes proportions. Le milieu aqueux de fermentation peut être complémenter avec des vitamines, de l’extrait de levure ou tous autres adjuvants permettant une optimisation des performances de fermentation.
Pour l’étape b), la récupération se fait en fin de fermentation selon des techniques usuelles de filtration pour éliminer les potentiels résidus solides présents dans le moût de fermentation par exemple par centrifugation, décantation centrifuge, etc.
L’étape d’aération se fait sur un milieu liquide après la fermentation là où l’état de la technique décrit l’influence de l’aération sur les conditions de fermentation, équivalentes à l’étape a) du procédé selon l’invention, en amont de l’étape b) de récupération du jus de fermentation (Wei & al., 2014 ; EP 1 892 300 ; Cheng & al., 2004 ; Yimalztekin & al., 2013 ; Botheju & al., 201 1 ).
Le procédé de préparation de molécules organiques par fermentation anaérobie selon l’invention peut donc aussi se décrire comme comprenant les étapes suivantes
a) de fermentation anaérobie d’une biomasse en milieu de fermentation aqueux, b) de récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation
b2) d’aération du jus de fermentation et
c) de récupération des molécules organiques à partir du jus de fermentation aéré.
L’étape c) de récupération des molécules organiques se fait généralement par extraction, précipitation et/ou distillation.
De manière avantageuse, cette étape c) de récupération des molécules organiques comprend une étape c1 ) de concentration du jus de fermentation qui précède une étape c2) de récupération des molécules organiques à partir du jus de fermentation concentré.
L’étape c1 ) de concentration est mise en oeuvre selon les méthodes usuelles d’évaporation, connues de l’homme du métier.
L’étape c2) de récupération des molécules organiques est avantageusement mise en oeuvre sur le jus de fermentation concentré après élimination d’au moins une partie de l’eau, et le cas échéant avec l’ajout d’un solvant organique pour favoriser la partition des différentes molécules. On citera notamment les méthodes d’extraction décrites dans les demandes WO 2015/036683, WO 2014/100424. L’homme du métier connaît et saura choisir les moyens les mieux adaptés aux molécules organiques à isoler, cette étape n’étant pas limitante au regard de l’invention qui concerne d’abord l’étape c1 ) de concentration.
Selon un mode particulier de réalisation, l’étape c2) de récupération des molécules organiques est précédée d’une étape d’acidification par ajout d’un acide fort, en particulier d’acide sulfurique, jusqu’à un pH inférieur à 5, pouvant aller jusqu’à 3 ou moins.
Cet ajout d’un acide fort est particulièrement approprié avant d’isoler les acides organiques, et plus particulièrement les acides organiques volatils.
Le jus de fermentation peut provenir d’un seul moût de fermentation ou d’un mélange de plusieurs jus de fermentation provenant de plusieurs moûts de fermentation, le cas échéant après concentration. Dans ce cas, chaque moût de fermentation peut provenir indépendamment de la fermentation de pulpe ou de mélasse ou d’un mélange de pulpe et de mélasse.
EXEMPLES
Dans des fermenteurs industriels on procède à la fermentation anaérobie de coproduits organiques dérivés des sucreries tels que des mélasses de betteraves à sucre. Le pH des moûts de fermentation est régulé avec de la potasse. Les résultats des expérimentations d’aération pour remontée du pH sont présentés dans les tableaux ci-dessous. En fin de fermentation on récupère le jus de fermentation et on l’aère via une pompe de recirculation. On mesure le pH du jus après un premier temps d’aération de 1 ou 2 minutes, puis en fin d’aération.
Le Tableau 1 ci-dessous rapporte la synthèse des résultats de remontées de pH par aération à différents temps à partir de divers jus issus de fermentation anaérobies de coproduits-agro-industriels de type mélasse.
Tableau 1
Figure imgf000006_0001
A la suite de diverses fermentations anaérobies sur des coproduits agro-industriels on procède à l’évaporation des jus de fermentation avec au préalable ou non une étape d’aération par brassage à l’aide d’une pompe de recirculation. On mesure les quantités d’acides gras volatils (AGV) dans le condensât d’évaporation. Les résultats des diverses expériences sont regroupés dans le Tableau 2 ci-dessous. Tableau 2
Figure imgf000007_0001
Ces résultats montrent que l’étape d’aération permet de limiter l’entrainement des acides gras volatils avec l’eau lors de la concentration du jus de fermentation et donc de diminuer les pertes de ces composés susceptibles d’être récupérés à partir du jus concentré.
REFERENCES
Botheju & al., 2011 , The Open Waste Management Journal, vol. 4, no. 1 , 1-19
Cheng & al., 2004, Biotechnology Letters, vol. 26, no. 11 , 91 1-915
Wei & al., 2014, Bioresource Technology, vol. 171 , 132-138
Yimalztekin & al., 2013, Biomed Research International, vol. 2013, 1-6
EP 1 892 300
WO 2010/047815, WO 2014/100424, WO2015/036683, WO 2016/012701 , WO 2016/135397, WO 2016/135396, WO 2017/013335

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de préparation de molécules organiques comprenant les étapes a) de fermentation anaérobie d’une biomasse en milieu de fermentation aqueux, b) de récupération d’un jus de fermentation à partir du moût de fermentation et de récupération des molécules organiques à partir du jus de fermentation, dans lequel le jus de fermentation est aéré avant l’étape c) de récupération des molécules organiques.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le jus de fermentation est aéré par introduction d’air au travers du jus de fermentation.
3. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le jus de fermentation est aéré par brassage au contact de l’air.
4. Procédé selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l’aération est maintenue jusqu’à obtenir un jus de fermentation de pH d’au moins 7.
5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l’aération est maintenue jusqu’à obtenir un jus de fermentation de pH d’au moins 8.
6. Procédé selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les molécules organiques sont choisies parmi les acides organiques et les dérivés d’acides organiques.
7. Procédé selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les molécules organiques sont choisies parmi les acides organiques volatils.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que les acides organiques volatils sont choisis parmi les acides acétique, propionique, butyrique, isobutyrique, valérique, isovalérique, caproïque et leurs mélanges.
9. Procédé selon l’une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la biomasse est de la mélasse et/ou de la pulpe.
10. Procédé selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l’étape c) de récupération des molécules organiques comprend une étape c1 ) de concentration du jus de fermentation qui précède une étape c2) de récupération des molécules organiques à partir du jus de fermentation concentré.
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