JPH07121216B2 - 撹拌型バイオリアクター及び培養器 - Google Patents
撹拌型バイオリアクター及び培養器Info
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- JPH07121216B2 JPH07121216B2 JP3285512A JP28551291A JPH07121216B2 JP H07121216 B2 JPH07121216 B2 JP H07121216B2 JP 3285512 A JP3285512 A JP 3285512A JP 28551291 A JP28551291 A JP 28551291A JP H07121216 B2 JPH07121216 B2 JP H07121216B2
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-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
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- C12M27/02—Stirrer or mobile mixing elements
-
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-
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特に培養あるいは反応
とろ過分離を並行して行うのに好適な撹拌型バイオリア
クター及び撹拌型培養器に関する。
とろ過分離を並行して行うのに好適な撹拌型バイオリア
クター及び撹拌型培養器に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、微生物、細胞又は固定化酵素を蔵
する撹拌型培養装置あるいは撹拌型バイオリアクター
と、培養液あるいは反応液のろ過分離装置はそれぞれ独
立して使われていたために、培養装置あるいはバイオリ
アクターから培養液あるいは反応液を回収し、分離装置
へ搬送しなければならなかった。従って、培養あるいは
反応工程と分離工程が回分方式であり、非効率的であっ
た。
する撹拌型培養装置あるいは撹拌型バイオリアクター
と、培養液あるいは反応液のろ過分離装置はそれぞれ独
立して使われていたために、培養装置あるいはバイオリ
アクターから培養液あるいは反応液を回収し、分離装置
へ搬送しなければならなかった。従って、培養あるいは
反応工程と分離工程が回分方式であり、非効率的であっ
た。
【０００３】一方、僅かに、嫌気発酵工程において塔型
セラミック分離膜内部に細胞を保持し、発酵と培養液の
分離を並行して行う方法があるが、塔内の培養液の撹拌
混合ができないために、基質と細胞の混合状態が不均一
となり、培養速度が低く、細胞密度を高めることが困難
であった。
セラミック分離膜内部に細胞を保持し、発酵と培養液の
分離を並行して行う方法があるが、塔内の培養液の撹拌
混合ができないために、基質と細胞の混合状態が不均一
となり、培養速度が低く、細胞密度を高めることが困難
であった。
【０００４】一方、多量の酸素を必要とする好気性細胞
の場合には、溶存酸素が不足するために膜内部で細胞密
度を高めることができなかった。
の場合には、溶存酸素が不足するために膜内部で細胞密
度を高めることができなかった。
【０００５】また、従来の膜による分離ろ過工程は、膜
の細孔内部に微生物、細胞、固定化酵素などが充填し目
詰まりしやすく、多量の分離膜を使用しなければならな
かった。
の細孔内部に微生物、細胞、固定化酵素などが充填し目
詰まりしやすく、多量の分離膜を使用しなければならな
かった。
【０００６】また、目詰まりした場合には多量の洗浄液
を逆流させることにより膜の再生を行っていたために、
目詰まりした微生物、細胞、固定化酵素などはこの洗浄
工程により流失してしまい、長期連続運転が困難であっ
た。
を逆流させることにより膜の再生を行っていたために、
目詰まりした微生物、細胞、固定化酵素などはこの洗浄
工程により流失してしまい、長期連続運転が困難であっ
た。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情の下、培養器やバイオリアクター中に微生物、細胞
又は固定化酵素を長期にわたって成育しあるいは保持す
るとともに、培養液あるいは反応液と微生物、細胞又は
固定化酵素を連続的に、かつ効率的に分離する装置を提
供することを目的としてなされたものである。
事情の下、培養器やバイオリアクター中に微生物、細胞
又は固定化酵素を長期にわたって成育しあるいは保持す
るとともに、培養液あるいは反応液と微生物、細胞又は
固定化酵素を連続的に、かつ効率的に分離する装置を提
供することを目的としてなされたものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記の好
ましい性質を有する装置を開発すべく鋭意研究を重ねた
結果、撹拌型培養器及び撹拌型バイオリアクターに多孔
質分離膜を一体化させることにより、その目的を達成し
うることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成す
るに至った。
ましい性質を有する装置を開発すべく鋭意研究を重ねた
結果、撹拌型培養器及び撹拌型バイオリアクターに多孔
質分離膜を一体化させることにより、その目的を達成し
うることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成す
るに至った。
【０００９】すなわち、本発明は、上端部において液密
に閉塞された有底円筒状の多孔質分離膜からなる、微生
物、細胞又は固定化酵素を用いる反応用の内槽、その中
に配設させた撹拌機、及び上記内槽を同心状に囲繞し、
かつその上端部において液密に閉塞された外槽を備えた
ことを特徴とする撹拌型バイオリアクター及び上端部に
おいて液密に閉塞された有底円筒状の多孔質分離膜から
なる、微生物、細胞又は固定化酵素を用いる培養用の内
槽、その中に配設させた撹拌機、及び上記内槽を同心状
に囲繞し、かつその上端部において液密に閉塞された外
槽を備えたことを特徴とする撹拌型培養器（以下、これ
らを総称して本発明装置という）を提供するものであ
る。
に閉塞された有底円筒状の多孔質分離膜からなる、微生
物、細胞又は固定化酵素を用いる反応用の内槽、その中
に配設させた撹拌機、及び上記内槽を同心状に囲繞し、
かつその上端部において液密に閉塞された外槽を備えた
ことを特徴とする撹拌型バイオリアクター及び上端部に
おいて液密に閉塞された有底円筒状の多孔質分離膜から
なる、微生物、細胞又は固定化酵素を用いる培養用の内
槽、その中に配設させた撹拌機、及び上記内槽を同心状
に囲繞し、かつその上端部において液密に閉塞された外
槽を備えたことを特徴とする撹拌型培養器（以下、これ
らを総称して本発明装置という）を提供するものであ
る。
【００１０】本発明装置において上記内槽に用いる多孔
質分離膜については、微生物、細胞又は固定化酵素を用
いる培養あるいは反応で得られた培養液あるいは反応液
を微生物、細胞又は固定化酵素から分離ろ過する機能を
有するものであれば特に制限はなく、例えば多孔質セラ
ミック膜、多孔質ガラス膜、多孔質有機高分子膜、金属
繊維編織体、不織布などを用いることができる。これら
の中で特にセラミック多孔質膜が好適である。この微生
物や細胞や固定化酵素については特に制限はないが、例
えば酵母、大腸菌、放線菌、固定化グルコースイソメラ
ーゼなどが挙げられる。
質分離膜については、微生物、細胞又は固定化酵素を用
いる培養あるいは反応で得られた培養液あるいは反応液
を微生物、細胞又は固定化酵素から分離ろ過する機能を
有するものであれば特に制限はなく、例えば多孔質セラ
ミック膜、多孔質ガラス膜、多孔質有機高分子膜、金属
繊維編織体、不織布などを用いることができる。これら
の中で特にセラミック多孔質膜が好適である。この微生
物や細胞や固定化酵素については特に制限はないが、例
えば酵母、大腸菌、放線菌、固定化グルコースイソメラ
ーゼなどが挙げられる。
【００１１】また、撹拌機としては従来公知のもの、例
えば撹拌軸、撹拌棒、撹拌板、撹拌羽根、撹拌磁石を用
いたものなどが挙げられる。また、通気管、液循環ポン
プなどによる撹拌方式を併用することもできる。中でも
撹拌羽根型のものが好適である。撹拌機の配設箇所は前
記内槽の中心部とするのが均一な撹拌が得られるので好
ましい。
えば撹拌軸、撹拌棒、撹拌板、撹拌羽根、撹拌磁石を用
いたものなどが挙げられる。また、通気管、液循環ポン
プなどによる撹拌方式を併用することもできる。中でも
撹拌羽根型のものが好適である。撹拌機の配設箇所は前
記内槽の中心部とするのが均一な撹拌が得られるので好
ましい。
【００１２】本発明装置の作用について説明すると、内
外槽による二重構造、内槽の多孔質分離構造及び撹拌機
による撹拌で、内槽中に存在させた微生物、細胞又は固
定化酵素での培養あるいは反応により生じた培養液ある
いは反応液は撹拌されながら多孔質分離構造の内槽を通
ってろ過分離され外槽中には培養液のろ液あるいは反応
液のろ液（以下、これらを総称してろ液という）が存在
するようになり、また撹拌により微生物、細胞又は固定
化酵素が多孔質分離膜の孔内に侵入しするのを防ぐこと
が可能になることから、多孔質分離膜の目詰まりを防止
し、長時間高いろ過効率が得られる。
外槽による二重構造、内槽の多孔質分離構造及び撹拌機
による撹拌で、内槽中に存在させた微生物、細胞又は固
定化酵素での培養あるいは反応により生じた培養液ある
いは反応液は撹拌されながら多孔質分離構造の内槽を通
ってろ過分離され外槽中には培養液のろ液あるいは反応
液のろ液（以下、これらを総称してろ液という）が存在
するようになり、また撹拌により微生物、細胞又は固定
化酵素が多孔質分離膜の孔内に侵入しするのを防ぐこと
が可能になることから、多孔質分離膜の目詰まりを防止
し、長時間高いろ過効率が得られる。
【００１３】このような二重構造の装置においては、通
気管を内槽の内側と外側の両方に配設し、両方の通気圧
を調節することにより多孔質分離膜からなる内槽の内外
の圧力差を調節し、例えば間欠的に、強制的にガスを多
孔質分離膜の外側から内側へ通過させたり、あるいはろ
液を逆流させるなどして目詰まりを防止し、内槽を交換
することなく長期間高い効率で培養液及び反応液の分離
ろ過を行うことができる。
気管を内槽の内側と外側の両方に配設し、両方の通気圧
を調節することにより多孔質分離膜からなる内槽の内外
の圧力差を調節し、例えば間欠的に、強制的にガスを多
孔質分離膜の外側から内側へ通過させたり、あるいはろ
液を逆流させるなどして目詰まりを防止し、内槽を交換
することなく長期間高い効率で培養液及び反応液の分離
ろ過を行うことができる。
【００１４】また、撹拌又は通気撹拌しながら培養液の
生成工程とそのろ過分離工程を並行して行うために、嫌
気性細胞のみならず、好気性細胞を良好に成育せしめ、
培養器内の細胞密度を極限値まで高めることができる。
従って、有用物質が細胞内部に生産される場合には、前
記内槽から余剰の培養液が連続的に分離されることによ
り、生産手段である細胞を極限高密度になるまで培養で
き、培養効率を高めることができる。
生成工程とそのろ過分離工程を並行して行うために、嫌
気性細胞のみならず、好気性細胞を良好に成育せしめ、
培養器内の細胞密度を極限値まで高めることができる。
従って、有用物質が細胞内部に生産される場合には、前
記内槽から余剰の培養液が連続的に分離されることによ
り、生産手段である細胞を極限高密度になるまで培養で
き、培養効率を高めることができる。
【００１５】また、本発明装置を用いれば、微生物や細
胞や酵素が培養液や反応液中に分泌しあるいは産生する
有用物質を連続的に回収することができる。細胞は培養
液中に残るため、長時間高い細胞密度を維持することが
でき、連続的に高効率で目的物質を生産しうる。
胞や酵素が培養液や反応液中に分泌しあるいは産生する
有用物質を連続的に回収することができる。細胞は培養
液中に残るため、長時間高い細胞密度を維持することが
でき、連続的に高効率で目的物質を生産しうる。
【００１６】また、培地中に微生物や細胞の成育阻害物
質が生成する場合にも、常に阻害物質を多孔質分離膜に
よるろ過分離で除去し、新鮮培地を供給することができ
るため、細胞の生育を促進することができる。
質が生成する場合にも、常に阻害物質を多孔質分離膜に
よるろ過分離で除去し、新鮮培地を供給することができ
るため、細胞の生育を促進することができる。
【００１７】
【発明の効果】本発明装置によれば、培養器あるいはバ
イオリアクター内に微生物、細胞又は固定化酵素を保持
したまま、撹拌あるいは通気撹拌と、培養液あるいは反
応液と、微生物、細胞又は固定化酵素との分離を効率的
に且つ連続的に行うことができる。さらに、培養液中の
細胞を長期的に極限高密度に維持し、生成物を連続的に
高い効率で生産しうる。
イオリアクター内に微生物、細胞又は固定化酵素を保持
したまま、撹拌あるいは通気撹拌と、培養液あるいは反
応液と、微生物、細胞又は固定化酵素との分離を効率的
に且つ連続的に行うことができる。さらに、培養液中の
細胞を長期的に極限高密度に維持し、生成物を連続的に
高い効率で生産しうる。
【００１８】
【実施例】次に、実施例により本発明をさらに詳細に説
明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定され
るものではない。
明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定され
るものではない。
【００１９】実施例１ 多孔質セラミック分離膜からなる内筒の内側に撹拌羽
根、該内筒の内側と外側の両方に通気管を装備した培養
器による、酵母菌の培養について説明する。
根、該内筒の内側と外側の両方に通気管を装備した培養
器による、酵母菌の培養について説明する。
【００２０】図１に示す培養器を用いた。図１におい
て、１は平均細孔径５μｍのセラミック多孔質分離膜か
らなる内容量１リットルの有底円筒体（以下、セラミッ
ク多孔質筒という）であり、それと同心状に十分な空間
をもたせて外槽２が設けられ、それらは気密性を保持す
るために互いに上部で接合されるとともに、それらの上
端部は上蓋３と接合されている。上蓋の中心部から撹拌
軸がセラミック多孔質筒内に垂設され、撹拌軸には撹拌
羽根４…が付設されている。
て、１は平均細孔径５μｍのセラミック多孔質分離膜か
らなる内容量１リットルの有底円筒体（以下、セラミッ
ク多孔質筒という）であり、それと同心状に十分な空間
をもたせて外槽２が設けられ、それらは気密性を保持す
るために互いに上部で接合されるとともに、それらの上
端部は上蓋３と接合されている。上蓋の中心部から撹拌
軸がセラミック多孔質筒内に垂設され、撹拌軸には撹拌
羽根４…が付設されている。
【００２１】上蓋３には基質液供給管５、培養液のろ液
の循環供給管（以下、ろ液循環供給管という）６及び通
気管１１がセラミック多孔質筒内へと配管されていると
ともに、ｐＨ電極、溶存酸素（以下ＤＯという）電極、
温度電極、液面電極（いずれも図示せず）が取り付けら
れている。これら電極は外槽２に取り付けてもよい。外
槽２には培養液のろ液の抜き出し管（以下、ろ液抜き出
し管という）７及び通気管１２が配管されている。抜き
出された培養液のろ液は切り替え弁８により取り出し管
９側あるいはろ液循環供給管６側へ切り替えられ、ろ液
循環供給管６側へ循環される培養液のろ液はろ液循環ポ
ンプ１０により送給される。各通気管への通気は流量調
節弁１３…を介して行われる。また、セラミック多孔質
筒上部を予め培養液面よりも低いところまで被覆するこ
とにより、内外部通気調節により圧力差を生じさせ、強
制的にガスをセラミック多孔質筒の外側から内側へ通過
させたり、あるいは培養液のろ液を逆流させることによ
り目詰まりの解消が行われる。
の循環供給管（以下、ろ液循環供給管という）６及び通
気管１１がセラミック多孔質筒内へと配管されていると
ともに、ｐＨ電極、溶存酸素（以下ＤＯという）電極、
温度電極、液面電極（いずれも図示せず）が取り付けら
れている。これら電極は外槽２に取り付けてもよい。外
槽２には培養液のろ液の抜き出し管（以下、ろ液抜き出
し管という）７及び通気管１２が配管されている。抜き
出された培養液のろ液は切り替え弁８により取り出し管
９側あるいはろ液循環供給管６側へ切り替えられ、ろ液
循環供給管６側へ循環される培養液のろ液はろ液循環ポ
ンプ１０により送給される。各通気管への通気は流量調
節弁１３…を介して行われる。また、セラミック多孔質
筒上部を予め培養液面よりも低いところまで被覆するこ
とにより、内外部通気調節により圧力差を生じさせ、強
制的にガスをセラミック多孔質筒の外側から内側へ通過
させたり、あるいは培養液のろ液を逆流させることによ
り目詰まりの解消が行われる。
【００２２】撹拌羽根の回転速度は毎分１０００回転を
超えない回転数の範囲で上部撹拌駆動式により調節し
た。通気管からは、酸素と空気の混合ガスを毎分３リッ
トルを超えない流量で供給した。培養液中のＤＯ濃度
は、撹拌羽根の回転速度と通気酸素分圧の調節により、
常に酵母菌の生育最適条件を維持しうるように制御し
た。
超えない回転数の範囲で上部撹拌駆動式により調節し
た。通気管からは、酸素と空気の混合ガスを毎分３リッ
トルを超えない流量で供給した。培養液中のＤＯ濃度
は、撹拌羽根の回転速度と通気酸素分圧の調節により、
常に酵母菌の生育最適条件を維持しうるように制御し
た。
【００２３】この培養器のセラミック多孔質筒内部で酵
母菌を通気撹拌しながら培養した。１０重量％グルコー
スと５重量％酵母エキス粉末を含む培地に酵母菌を接種
し、３０℃、ｐＨ５に維持して通気撹拌培養した。グル
コースが欠乏した時点でＤＯ濃度が上昇する現象を利用
したＤＯスタット法により、２０重量％のグルコースを
含む基質溶液をポンプで自動供給した。このとき同時に
供給液と同じ流量で培養液のろ液を抜き取ったところ、
該ろ液中にはグルコースがほとんど検出されなかった。
間欠的に基質供給と、該ろ液の抜き取りを繰り返し行う
ことにより、培養５日目に培養液中の菌体濃度が乾燥基
準で１５重量％に達した。
母菌を通気撹拌しながら培養した。１０重量％グルコー
スと５重量％酵母エキス粉末を含む培地に酵母菌を接種
し、３０℃、ｐＨ５に維持して通気撹拌培養した。グル
コースが欠乏した時点でＤＯ濃度が上昇する現象を利用
したＤＯスタット法により、２０重量％のグルコースを
含む基質溶液をポンプで自動供給した。このとき同時に
供給液と同じ流量で培養液のろ液を抜き取ったところ、
該ろ液中にはグルコースがほとんど検出されなかった。
間欠的に基質供給と、該ろ液の抜き取りを繰り返し行う
ことにより、培養５日目に培養液中の菌体濃度が乾燥基
準で１５重量％に達した。
【００２４】実施例２ 調節弁１３の切替えを行い、１０分間、セラミック多孔
質筒の内側の通気を止めるとともに、外側から１リット
ル／分の流量で通気することにより、セラミック多孔質
筒内外の圧力切替えを行い、培養液のろ液と通気流をセ
ラミック多孔質筒の外から内へ圧入させたこと以外は、
実施例１と全く同様に実施したところ、培地交換速度が
早くなることによって、菌体濃度が速く上昇し、培養５
日目に菌体濃度が乾燥基準で１８重量％に達した。
質筒の内側の通気を止めるとともに、外側から１リット
ル／分の流量で通気することにより、セラミック多孔質
筒内外の圧力切替えを行い、培養液のろ液と通気流をセ
ラミック多孔質筒の外から内へ圧入させたこと以外は、
実施例１と全く同様に実施したところ、培地交換速度が
早くなることによって、菌体濃度が速く上昇し、培養５
日目に菌体濃度が乾燥基準で１８重量％に達した。
【００２５】比較例１ 実施例１の培養器に代えてそれからセラミック多孔質筒
を除外した構造の培養器を用いたこと以外は、実施例１
と全く同様に実施したところ、培養５日目の培養液中の
菌体濃度は乾燥基準で４重量％以下にすぎなかった。
を除外した構造の培養器を用いたこと以外は、実施例１
と全く同様に実施したところ、培養５日目の培養液中の
菌体濃度は乾燥基準で４重量％以下にすぎなかった。
【００２６】比較例２ 撹拌を行わなかったこと以外は実施例１と全く同様に実
施したところ、培養５日目の培養液中の菌体濃度は乾燥
基準で８重量％にすぎなかった。
施したところ、培養５日目の培養液中の菌体濃度は乾燥
基準で８重量％にすぎなかった。
【図１】 培養器の略解図。
１ セラミック多孔質筒 ２ 外槽 ３ 上蓋 ４ 撹拌羽根 ５ 基質液供給管 ６ ろ液循環供給管 ７ ろ液抜き出し管 ８ 切り替え弁 ９ 取り出し管 １０ ろ液循環ポンプ １１，１２ 通気管 １３ 流量調節弁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−92562（ＪＰ，Ａ) 特公 昭62−12997（ＪＰ，Ｂ２)
Claims (4)
- 【請求項１】 上端部において液密に閉塞された有底円
筒状の多孔質分離膜からなる、微生物、細胞又は固定化
酵素を用いる反応用の内槽、その中に配設させた撹拌
機、及び上記内槽を同心状に囲繞し、かつその上端部に
おいて液密に閉塞された外槽を備えたことを特徴とする
撹拌型バイオリアクター。 - 【請求項２】 内槽の内側と外側の両方に通気管を配設
した請求項１記載の撹拌型バイオリアクター。 - 【請求項３】 上端部において液密に閉塞された有底円
筒状の多孔質分離膜からなる、微生物、細胞又は固定化
酵素を用いる培養用の内槽、その中に配設させた撹拌
機、及び上記内槽を同心状に囲繞し、かつその上端部に
おいて液密に閉塞された外槽を備えたことを特徴とする
撹拌型培養器。 - 【請求項４】 内槽の内側と外側の両方に通気管を配設
した請求項１記載の撹拌型培養器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3285512A JPH07121216B2 (ja) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | 撹拌型バイオリアクター及び培養器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3285512A JPH07121216B2 (ja) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | 撹拌型バイオリアクター及び培養器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0595778A JPH0595778A (ja) | 1993-04-20 |
| JPH07121216B2 true JPH07121216B2 (ja) | 1995-12-25 |
Family
ID=17692490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3285512A Expired - Lifetime JPH07121216B2 (ja) | 1991-10-07 | 1991-10-07 | 撹拌型バイオリアクター及び培養器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07121216B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111019803A (zh) * | 2019-12-12 | 2020-04-17 | 同济大学 | 一种用于微藻培养与分离的一体化装置及其系统和方法 |
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-
1991
- 1991-10-07 JP JP3285512A patent/JPH07121216B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0595778A (ja) | 1993-04-20 |
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