DE102007013191A1 - Vorrichtung zur Aufbereitung und Entkeimung von Flüssigkeiten - Google Patents

Vorrichtung zur Aufbereitung und Entkeimung von Flüssigkeiten Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen organischen Stoffen, wobei die Flüssigkeit Kavitation zur Erzeugung von H<SUB>2</SUB>O<SUB>2</SUB> ausgesetzt wird und die Anwesenheit von UV-Strahlung einen oxidativen Prozess von entstandenem H<SUB>2</SUB>O<SUB>2</SUB> bewirkt, wobei Vorrichtungen den Wirkungsgrad bekannter Methoden erhöhen. Im Rahmen vieler Anwendungen ist eine hohe Reinheit von Flüssigkeiten eine absolute Notwendigkeit. Eine adäquate Flüssigkeitsaufbereitung ist in der Praxis jedoch aufgrund von fehlenden technischen Realisierungsmöglichkeiten nur allzu oft nicht möglich. Dabei meint adäquate Flüssigkeitsaufbereitung eine Eliminierung problematischer Mikroorganismen (Keime, Viren, Pilze u. a.) und Pyrogene (Endotoxine, Exotoxine). Zu erwähnen sind zudem Schadstoffe wie Pestizide u. a. Dies gilt insbesondere bei Anwendungen, die wässrige Flüssigkeiten benötigen und die während der Anwendung zuvor unzureichend aufbereitet bezogen werden. Stand der Technik: Derzeit ist die Herstellung von so genannten "reinen Flüssigkeiten" in oben beschriebenen Anwendungen oft nur unter Verwendung von Filtern (in Kombination mit einem Aktivkohlefilter) möglich. Dieser Aufbereitungsschritt kann jedoch sehr kostenintensiv sein und bietet langfristig aufgrund der Gefahr der Bildung multiresistenter Keime keine befriedigende Lösung. Auch die aus der Literatur bekannten theoretischen Möglichkeiten der UV-Desinfektion sind ...

Description

  • Durch die Kombination der Wirkung von reinen UV-Desinfektionssystemen und Kavitation lassen sich organische Schadstoffe und Endotoxine derart abbauen, dass sie unschädlich sind.
  • Beim kombinierten Einsatz von UV-Licht und Wasserstoffperoxid, dass durch Ultraschall, Sieb oder Filter als Kavitationsquelle, als Oxidationsmittel nach erzeugt wird finden u. a. folgende Reaktionen statt:
    Photolyse des Peroxids unter Bildung von OH-Radikalen: - H2O2 + hv = 2 OH- Oxidation des Schadstoffmoleküls durch die OH-Radikale: ox OH- + M = M ox
  • Wasserstoffperoxid besitzt ein kontinuierliches Absorptionsspektrum im UV-Wellenlängenbereich. Dabei nimmt die Absorption mit abnehmender Wellenlänge zu. (http://www.ibl-gruppe.de/deutsch/pdf/700-66_Photooxidation%20mittels%20UV_Wasserstoffperoxid.PDF)
  • Um die sonochemischen Effekte der Kavitation zur Herstellung „reiner Flüssigkeiten" zu nutzen, ist dieses Verfahren entwickelt worden
  • A: Wirkung des Filters oder Siebes:
  • Es ist bekannt, dass Flüssigkeiten bei hohen Strömungsgeschwindigkeiten Kavitation erzeugen z. B. Düsen und kleinen Öffnungen. Dieser „Düseneffekt" tritt auch bei Filter und Sieben auf, dessen Struktur die Stömungsgeschwindigkeit an Grenzflächen so erhöht, dass Kavitation entsteht. Durch diese Kavitation entstehen in Flüssigkeiten unterschiedliche Kavitationsblasen
    • 1. aus den in der Flüssigkeit gelösten Gasen,
    • 2.: Wasserdampfblasen, die bei Nichtvorhandensein von gelösten Gasen in der Flüssigkeit entstehen.
  • Die Wasserdampfblasen kollabieren und erzeugen dabei Energien, die wiederum Radikale erzeugen. Diese Radikale (OH-Radikale) sind in der Lage organische Struckturen zu zerstören. Desweiteren verbinden sich OH-Radikale zu H2O2 (Wasserstoffperoxid), das als starker Oxidator von organischen Stoffen bekannt ist. Der Nachweiss ist in der Literatur (Alois Jungbauer Universität Wien) beschrieben. Es wird destiliertem Wasser (H2O) Kaliumjodid zugeführt. OH-Radikale führen zu einer chemischen Reaktion, so dass Jod entsteht, dass leicht nachgewiesen werden kann, und gleichzeitig als Indikator für den Wirkungsgrad des angewandten Verfahrens gilt.
  • B: Wirkung des Ultraschalls:
  • Es ist aus der Literatur bekannt (http://edocs.tuberlin.de/diss/2004/_zenkermarco.pdf www.bandelin.com), dass Ultraschall ab einer Leistung von 1 Watt in Flüssigkeiten Kavitation erzeugt. Durch diese Kavitation entstehen in Flüssigkeiten unterschiedliche Kavitationsblasen
    • 1. aus den in der Flüssigkeit gelösten Gasen,
    • 2.: Wasserdampfblasen, die bei Nichtvorhandensein von gelösten Gasen in der Flüssigkeit entstehen.
  • Die Wasserdampfblasen, deren Größe von der Erzeugerfrequenz abhängig ist kollabieren und erzeugen dabei Energien, die wiederum Radikale erzeugen. Diese Radikale (OH-Radikale) sind in der Lage organische Strukturen zu zerstören. Des Weiteren verbinden sich OH-Radikale zu H2O2 (Wasserstoffperoxid), das als starker Oxidator von organischen Stoffen bekannt ist. Der Nachweiss ist in der Literatur (Alois Jungbauer Universität Wien) beschrieben. Es wird destilliertem Wasser (H2O) Kaliumjodid zugeführt und der entsprechenden Ultraschallleistung und Frequenz ausgesetzt. OH-Radikale führen zu einer chemischen Reaktion, sodass Jod entsteht, dass leicht nachgewiesen werden kann, und gleichzeitig als Indikator für den Wirkungsgrad des angewandten Verfahrens gilt.
  • Problematisch ist eine drastische Einschränkung der sterilisierenden Wirkung von UV-Strahlung.
  • Die sterilisierende Wirkung kann durch mögliche Trübungen oder Färbungen der Flüssigkeiten stark eingeschränkt sein, da eine ausreichende Durchdringung der Flüssigkeiten durch UV-Strahlung eine notwendig Voraussetzung zur Erzielung der sterilisierenden Wirkung ist.
  • Das, insbesondere kurzwellige, UV-Licht wird in Substanzen, wie zum Beispiel DNA, in der Flüssigkeit absorbiert. Die absorbierte UV-Lichtenergie reicht aus, um eine photochemische Umwandlung zu bewirken. Eine für die Teilung der DNA notwendige Informationsweitergabe unterbleibt. Bei der Überschreitung eines Informationsstörungsniveaus sterben Zellen, ohne sich zu vermehren. Somit werden durch UV-Licht lebende Mikroorganismen durch Zerstörung der DNA abgetötet oder inaktiviert.
  • Die Wellenlänge des UV-Lichtes liegt hierfür typischerweise in einem Bereich von 70 bis 400 Nanometer, vorzugsweise bei 254 bzw. 180 bis 200 Nanometer bei Vakuum-UVC-Lampen.
  • Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass durch den Einsatz von Kavitation und UV-Licht und darüber hinaus in einem jeweiligen Kavitationsbehandlungsbereich bzw. UV-Behandlungsbereich, sowohl Kavitation als auch UV-Licht auf die Flüssigkeit effektiv einwirken können.
  • Im Bereich des Siebes oder Filters tritt ein Abtötungsphänomen in einer wesentlich weiteren Bandbreite als vermutet auf und wird hauptsächlich durch den Turbulenzgrad als auch Schub- und Scherspannungen begründet und in einer so genannten Dissipationsrate definiert. Die Dissipationsrate trifft Aussagen über die erforderlichen Turbulenzgrade, die zur Abtötung von Lebewesen notwendig sind. Nach neuesten Erkenntnissen werden auch Plankton und Kleinorganismen durch diesen Effekt im Filtersystem abgetötet.
  • Im Ultraschallbehandlungsbereich kommt es durch den Ultraschall zur Ultraschallabtötung als Hauptursache für den mechanischen Zellaufbruch. Neben der mechanischen Erosion der Zellwand induzieren die starken Druck- und Temperaturwechsel die Polymerisierungsreaktionen im Inneren der Zelle, die zum Abbau von globulären Proteinen führen. Diese werden in ihre Untereinheit aufgespaltet, wobei zunächst deren Quartärstruktur zerstört wird. In diesem Zusammenhang sind neben der Abtrennung von niedrig molekularen Peptiden auch die Aufspaltung von zyklischen Aminosäuren beobachtet worden.
  • Aufgabe der Erfindung:
  • Aufgabe der Erfindung ist die Erstellung und Aufbereitung von Flüssigkeiten unter dynamischen Bedingungen zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen organischen Schadstoffen, wobei die Flüssigkeit der Wechselwirkung von Kavitation und UV-Strahlung ausgesetzt wird.
  • Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen Schadstoffen, aufweisend mindestens einen UV Strahlungserzeuger und ein den UV Strahlungserzeuger umgebendes Gehäuse.
  • Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 dahingehend weiterzubilden, den Wirkungsgrad bekannter Methoden zu erhöhen. Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit dem den Anspruch 1 zu entnehmenden Massnahmen. Aus und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen
  • Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, eine Flüssigkeitsaufbereitungsanlage zu schaffen dessen hoher Wirkungsgrad auch bei Trübungen oder Färbungen von Flüssigkeiten in der Lage ist Schadstoffe zu eliminieren.
  • Dies kann beim derzeitigen Stand der Technik mit keinem Gerät oder Verfahren gelöst werden. Mit bekannten Verfahren sind lediglich einige Teilaspekte einer Flüssigkeitsaufbereitung möglich:
    • 1. Sterilisation von strömenden Flüssigkeiten durch UV-Strahlen der Wellenlänge X = 254 nm.
    • 2. Abbau von Kohlenwasserstoffen in strömenden Flüssigkeiten unter Verwendung von X = 185 nm, kombiniert mit weiteren Methoden (keine Spezifizierung des Herstellers).
    • 3. Die Sterilisation und Oxidation organischer Substanzen durch UV-Strahlen der Wellenlänge X = 254 nm unter Hinzugabe von OH-Radikalerzeugern wie Wasserstoffperoxid und Ozon.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe dienen vorrangig folgende Merkmale:
    • 1. Abtötung oder Inaktivieren von lebenden Mikroorganismen, Viren und Pilzen in Flüssigkeiten
    • 2. Elimination von Pyrogenen (Endotoxine und Exotoxine) in Flüssigkeiten
    • 3. Elimination von Pestiziden, Herbiziden und Fungiziden in Flüssigkeiten
  • Um dieses Ziel zu erreichen, wird eine Vorrichtung benötigt, in der die folgenden Verfahrensabläufe stattfinden:
    Eine Radikal-Erzeugung, H2O2 Erzeugung und der damit verbundene hohe Wirkungsgrad durch die Kombination der gewählten Ultraschall-Wellenlängen und deren Leistung und der Einsatz von kavitationserzeugenden Filtern oder Sieben (15).
  • Mindestens einen UV Strahlungserzeuger (1) und mindestens einen den UV Strahlungserzeuger umgebendes Gehäuse (3, 3').
  • Die Vorrichtung nach der Erfindung kann im Wesentlichen aus 1 oder mehreren Hohlkörpern bestehen (3, 3'), durch den oder durch die die zu behandelnde Flüssigkeit hindurchgeleitet wird. Sie kann außerhalb eines Gerätes angeordnet oder auch in ein Gerät eingebracht werden oder aber auch integraler Bestandteil eines Gerätes sein.
  • Wesentlich für das Verfahren der Erfindung ist, dass sich in dem Hohlkörper mindestens ein Ultraschallgeber befindet mit einer Leistung > 1 Watt/cm2 (8, 12), wobei der oder die Ultraschallgeber mindestens eine Wellenlänge aus dem Spektrum > 18 Kilohertz emittieren.
  • Wesentlich ist ebenfalls mindestens eine Vorrichtung (15), zur Erzeugung von Kavitation durch Filter oder Siebe, durch die die Flüssigkeit in mindestens einen Flüssigkeitsbehandlungsraum gelangt.
  • Wesentlich für das Verfahren der Erfindung ist, dass sich in dem Hohlkörper mindestens ein UV Strahlungserzeuger (1) befindet, dessen Strahlung die oxidative Reaktion des erzeugten H2O2 erzeugt.
  • Der im Schutzanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Flüssigkeitsaufbereitungsanlage zu schaffen dessen hoher Wirkungsgrad auch bei Trübungen oder Färbungen von Flüssigkeiten in der Lage ist Schadstoffe zu eliminieren.
  • Mit der Erfindung wird erreicht, dass die zu behandelnde Flüssigkeit durch ei kavitationserzeugendes Sieb oder Filter (15) in den Behandlungsbereich (13) geführt wird wo es durch den Ultraschall zur Ultraschallabtötung als Hauptursache für den mechanischen Zellaufbruch kommt.
  • Durch mechanische Erosion der Zellwände wurde eine erhöhte UVC Absorption von Zellen festgestellt, wodurch im UV Behandlungsbereich ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht wird.
  • Durch die starken Druckunterschiede durch Ultraschall in diesem Bereich werden Schadstoffverbände deagglomeriert und homogen gehalten, wodurch im UV-Bereich die Strahlung wirkungsvoller Schadstoffe erreicht.
  • Mit der Erfindung wird erreicht, dass die zu behandelnde Flüssigkeit nach dem Behandlungsbereich durch die Öffnungen (10) in den Spalt (5) zwischen den beiden Rohren (2, 4) einfließen kann. In diesem Spalt (5), dem UV-Behandungsbereich (14) wird die Flüssigkeit einer hohen Dosis UV-Strahlung ausgesetzt, die durch die UV Lichtquelle (1) durch das Glas Schutzohr (2) auf die Flüssigkeit im UV-Behandungsbereich (14) einwirkt. Da die Eindringtiefe bei trüben oder gefärbten Flüssigkeiten für UV Strahlung sehr niedrig sein kann, kann durch die Breite des Spaltes (5) für jede Flüssigkeit die optimale Durchdringungstiefe von UV Licht erreicht werden.
  • Mit der Erfindung wird erreicht, dass die zu behandelnde Flüssigkeit nach dem UV-Behandlungsbereich (14) durch die Öffnungen (10') in einem zweiten oder weiteren Behandlungsbereich (13') einfließen kann, wo es durch den Ultraschall erneut zur mechanischen Ultraschallabtötung von Schadstoffen kommt.
  • Mit der Erfindung wird erreicht, dass die zu behandelnde Flüssigkeit im UV Behandlungsbereich (14) zusätzlich durch eine den Rohren (2, 4) umgebene Flüssigkeit, die in den Spalt (5) einfliesst mit Ultraschall durch einen Ultraschallgeber (8) seitlich bestrahlt wird, wobei der Schall das zweite Rohr (4) durchdringt und in den Flüssigkeitsführenden UV-Behandungsbereich (14) eindringt. Auf diese Weise kommt es auch im UV Behandlungsbereich (14) zur mechanischen Ultraschallabtötung von Schadstoffen, einer mechanischen Erosion der Zellwände und dadurch eine erhöhte UVC Absorption von Zellen, wodurch im UV Behandlungsbereich ein erhöhter Wirkungsgrad erreicht wird und starke Druckunterschiede durch Ultraschall wodurch in diesem Bereich Schadstoffverbände deagglomeriert und homogen gehalten werden, wodurch im UV-Behandungsbereich (14) die Strahlung wirkungsvoller Schadstoffe erreicht und eliminie ren kann.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Figuren eins bis drei erläutert.
  • Es zeigen:
  • Figur eins die dimetrische Darstellung einer Vorrichtung zur Aufbereitung von Flüssigkeiten.
  • Figur zwei einen seitlichen Schnitt einer Vorrichtung zur Aufbereitung von Flüssigkeiten
  • Die 1 zeigt eine Anordnung der Ultraschallgeber (8), die die zu behandelnden Flüssigkeiten bestrahlen. Des weiteren zeigt die 1 einen Einlauf (9/11) in einen der Hohlräume (7) und einen Auslauf (11/9), aus einem anderen Hohlraum (7').
  • In der 2 ist die Vorrichtung mit zwei Hohlkörpern (3,3') einer Lichtquelle (1) einem Quarzglassschutzrohr (2) einem zweiten Rohr (4) als Schnitt seitlich der Längsachse dargestellt.
  • Die Figur zwei zeigt den Einlauf (9/11) für Flüssigkeiten, die in den Hohlraum (7) durch ein Sieb oder Filter (15) einfliessen und Schallerzeuger (12), die längs der Rohre (2, 4) entlang der Fliessrichtung der Flüssigkeit im Bereich (13, 13') Schall abgeben. Es werden Öffnungen (10, 10') an den Enden des zweiten Rohres (4) gezeigt, wo die zu behandelnde Flüssigkeit in den Spalt (5) ein-beziehungsweise ausfliesst.
  • Der UV-Behandlungsbereich erstreckt sich zwischen dem Quarzglassschutzrohr (2) und dem zweiten Rohr (4) von Öffnung (10) bis Öffnung (10') und kann auch bei lichtdurchlässigem Rohr (4) in den Ultraschallbehandlungsbereich (13, 13') eindrngen.
  • Es werden die Ultraschallgeber (8) gezeigt, die das zweite Rohr (4) seitlich durch eine den Rohren (2, 4) umgebene Flüssigkeit, die in den Spalt (5) einfliesst mit Ultraschall bestrahlen, wobei der Schall das zweite Rohr (4) durchdringt und in den flüssigkeitsführenden UV-Behandlungsbereich (14) eindringt.
  • Die Figur zwei zeigt den Auslauf (9/11) für Flüssigkeiten, die aus den Hohlraum (7') ausfliessen und Schallerzeuger (12), die längs der Rohre (2, 4) entlang der Fliessrichtung der Flüssigkeit im Bereich (13') Schall abgeben.
  • Durch die vorliegende Erfindung ist erstmalig ein Gerät entwickelt worden, bei dem H2O2 nicht zugeführt werden muss um Oxidationsprozesse durch UV-Strahlen zu erreichen, da im Prozess zeitgleich zur angestrebten Reaktion H2O2 erzeugt wird. Dabei ermöglicht die Erfindung, reine Flüssigkeiten in einem von der jeweiligen Anwendungsform abhängigen Zeitlimit ohne weitere Chemikalienzusätze oder kostenintensive Hilfsmittel herzustellen. Dadurch werden diese Anwendungen qualitativ auf ein deutlich höheres Niveau gehoben. Der Wirkungsgrad wird zusätzlich durch die beschriebenen Vorrichtungen erhöht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - http://www.ibl-gruppe.de/deutsch/pdf/700-66_Photooxidation%20mittels%20UV_Wasserstoffperoxid.PDF [0003]
    • - http://edocs.tuberlin.de/diss/2004/_zenkermarco.pdf [0007]
    • - www.bandelin.com [0007]

Claims (11)

  1. Verfahren zur Aufbereitung von Flüssigkeiten zwecks Sterilisation und Elimination von darin enthaltenen Schadstoffen, wobei die Flüssigkeit der Wirkung einer UV Strahlung und einer OH-Radikal erzeugenden Kavitation ausgesetzt wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch Kavitation erzeugtes H2O2 durch UV-Bestrahlung eine zusätzlich zur bekannten UV-Desinfektion bekannte oxidative Wirkung erzielt wird, so dass der Wirkungsgrad von UV-Desinfektionsanlagen wesentlich erhöht wird.
  2. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlkörper (3, 3') mindestens ein Kavitationserzeugendes Sieb oder Filter (15) befindet.
  3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlkörper (3, 3') mindestens ein Ultraschallgeber (8, 12) befindet, wobei der oder die Ultraschallgeber mindestens eine Wellenlänge aus dem Spektrum > 18 KHz emittiert bzw. emittieren.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlkörper (3, 3') mindestens ein Ultraschallgeber (8, 12) zur Herstellung und zur Erzeugung von OH-Radikalen befindet mit einer Leistung von > 1 Watt/cm2
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlkörper (3, 3') mindestens ein Ultraschallgeber (8, 12) zur Herstellung und zur Erzeugung von H2O2 befindet mit einer Leistung > 1 Watt/cm2
  6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche (15) zur mechanischen Erzeugung von Kavitation nach bekannten Verfahren.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Hohlkörper (3, 3') mindestens eine UV-Strahlungsquelle (1) zur Herstellung und zur Erzeugung von oxidativen Prozessen aus H2O2 befindet.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, zur Eliminierung von Schadstoffen, Bakterien, Keimen, Pilzen und anderen unerwünschten Inhaltsstoffen durch Ultraviolette Strahlung und Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine UV Lichtquelle (1) von mindestens einem Quarzglasschutzrohr (2) umgeben ist, das durch mindestens zwei Hohlkörper (3, 3') geführt wird, wobei das Quarzglasschutzrohr (2) von mindestens einem zweiten Rohr (4) teilweise umgeben ist, wodurch ein Spalt (5) zwischen den beiden Rohren (2, 4) gebildet wird, durch den Flüssigkeiten fliessen, wobei sich an den Enden des zweiten Rohres (4) Öffnungen (10, 10') befinden durch die Flüssigkeiten aus den Hohlräumen (7, 7') in den Spalt oder Öffnungen ein- oder austreten.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohr (4) seitlich durch eine den Rohren (2, 4) umgebene Flüssigkeit, die in den Spalt (5) einfliesst mit Ultraschall durch mindestens einen Ultraschallgeber (8) bestrahlt wird, wobei der Schall das zweite Rohr (4) durchdringt und in den UV behandlungsbereich (14) eindringt.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit mindestens einen Einlauf (9/11) in einen der Hohlräume (7) hat, der vorzugsweise entfernt von Öffnung (10) liegt, und einen Auslauf (11/9), in einem anderen Hohlraum (7'), der vorzugsweise entfernt von Öffnung (10') liegt,
  11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein Schallerzeuger (12) längs der Rohre (2, 4) entlang der Fliessrichtung der Flüssigkeit im Bereich (13) Schall abgibt.
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