BRPI0901918A2 - veìculo para colheita automóvel para material de colheita a ser usado tecnicamente - Google Patents
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Abstract
VEìCULO PARA COLHEITA AUTOMóVEL PARA MATERIAL DE COLHEITA A SER USADO TECNICAMENTE. A presente invenção refere-se ao veículo para colheita automóvel que compreende um receptor de material de colheita, uma etapa de trituração (2), para triturar o material de colheita, e um dispositivo de desidratação mecânico (1, 3), para separar uma parte aquosa do material de colheita, que está dividida em uma primeira etapa de desidratação (1), disposta a montante da etapa de trituração (2), e uma segunda etapa de desidratação (3), disposta a jusante da etapa de trituração.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "VEÍCULOPARA COLHEITA AUTOMÓVEL PARA MATERIAL DE COLHEITA A SER USADO TECNICAMENTE".
A presente invenção refere-se a um veículo para colheita auto-móvel, que está adaptado, especialmente, à colheita de material de colheitaa ser usado tecnicamente, particularmente, na indústria energética.
Devido aos custos fortemente crescentes de fontes de energiafóssil, técnicas para a obtenção de combustível de matérias-primas renová-veis, ultimamente, vêm ocupando, crescentemente, o ponto central do inte-resse público.
Um problema na maioria das técnicas para obtenção de com-bustível de biomassa é o alto teor de água da biomassa em estado fresco.Quando biomassa fresca precisa ser transportada para uma instalação esta-cionaria, para ali ser processada para combustível, são movidas grandesquantidades de água ligada na biomassa, o que requer custos de transporteelevados e, por fim, um alto dispêndio de energia. Se o mesmo for incluídono balanço de energia de um combustível produzido da biomassa, entãoresulta um rendimento baixo, eventualmente, até mesmo negativo. Portanto,é importante minimizar os caminhos de transporte entre o campo e a instala-ção de processamento, como também a massa a ser transportada.
Para atingir esse objetivo, o documento DE 10 2004 003 011 A1propõe que a instalação de processamento seja levada ao campo, como par-te de uma colheitadeira automóvel para o material de colheita e processar omaterial de colheita para combustível, ainda no campo. Essa colheitadeiraconhecida compreende um módulo de processamento para triturar e prensara biomassa colhida, com o que a mesma é separada em uma parte de sóli-dos e uma parte de sucos de plantas. A parte de sólidos é subseqüentemen-te secada, para reduzir seu teor de água a um ponto tal que ela possa serprocessada adicionalmente em um módulo de transformação em óleo paragasolina, óleo diesel e óleo pesado. Para possibilitar um processamento dabiomassa colhida para combustível ainda durante o processo de colheita, osprocessos citados precisam desenrolar-se rapidamente, o que, particular-mente no caso da secagem, não é possível sem uma considerável alimenta-ção de energia do exterior. Como, também aqui, a energia usada para seca-gem prejudica, consideravelmente, o rendimento de todo o processo, é im-portante extrair da biomassa por meio mecânico tal quantidade de umidadeque a secagem pode dar-se com um gasto de energia mínimo ou, no casoideal, ser totalmente suprimido.
A presente invenção soluciona essa tarefa, sendo que em umveículo para colheita, com um receptor para material de colheita, uma etapade trituração, para triturar o material de colheita e uma dispositivo de desi-dratação mecânico, para separação de uma parte aquosa do material decolheita, o dispositivo de desidratação mecânico compreende uma primeiraetapa de desidratação, disposta a montante da etapa de trituração, e umasegunda etapa de desidratação, disposta a jusante da etapa de trituração.
Pelo fato de que por meio da primeira etapa de desidratação éeliminada água, inicialmente ligada fracamente na composição das célulasdo material vegetal colhido, e só subseqüentemente o material vegetal é tri-turado, é obtido um material, cuja estrutura celular está desintegrada pelaperda de água na primeira etapa de desidratação. A água, que é liberadadas células vegetais na segunda etapa de desidratação, pode penetrar demodo relativamente fácil nos espaços vazios obtidos desse modo da compo-sição de células, até uma superfície de corte do pedaço de material vegetalcorrespondente e, finalmente, sair do sólido remanescente. Pelo fato de que,desse modo, a desidratação mecânica e a trituração desintegram a biomas-sa para a segunda etapa de desidratação subseqüente, pode ser obtida bi-omassa desidratada de biomassa fresca, em pouco tempo e com baixo gas-to de energia de acionamento, com um teor de água residual particularmentebaixo.
De preferência, a primeira etapa de desidratação compreendepelo menos um par de cilindros compressores, que limita uma fenda depressão, pela qual passa a biomassa colhida.
A segunda etapa de desidratação, na qual a biomassa colhida énovamente desidratada, compreende, de preferência, um decantador ouuma prensa de rosca helicoidal, ambos os quais são apropriados para o pro-cessamento rápido de grandes quantidades de material triturado.
Pode estar previsto um dispositivo de aquecimento, para aque-cer a biomassa que passa pela segunda etapa de desidratação. O aqueci-mento desintegra adicionalmente a composição celular do material e, dessemodo, facilita adicionalmente a desidratação. Como esse aquecimento sóserve para a desintegração adicional das células da biomassa, mas não paraevaporar a umidade restante da mesma, a necessidade de potenciado dis-positivo de aquecimento é pequena, em comparação com a potência de a-quecimento, que seria necessária para secar a biomassa de acordo com oprocesso convencional.
O dispositivo de desidratação e a etapa de trituração estão, depreferência, configurados de tal modo ou podem ser operados de tal modoque da segunda etapa de desidratação pode ser obtido material de colheitadesidratado, com uma parte de massa seca de pelo menos 60%, de prefe-rência, pelo menos 70%. Esse material de colheita desidratado consiste, in-dependentemente da espécie de planta colhida, substancialmente em celu-lose.
À segunda etapa de desidratação está disposta a jusante, depreferência, uma etapa de tratamento térmico. Essa etapa de tratamentotérmico pode compreender, particularmente, um reator termoquímico, paracarbonização do material de colheita èm produtos de reação gasosos e/oulíquidos e/ou sólidos.
Quando está previsto, tal como mencionado acima, um dispositi-vo de aquecimento, para aquecimento do material de colheita que passapela segunda etapa de desidratação, pode ser usado o calor de escapamen-to desse reator, para alimentar o dispositivo de aquecimento com o mesmo.
A etapa de tratamento térmico também pode compreender umaetapa de secagem. Essa, por si mesma, pode servir para se obter materialde colheita desidratado adicionalmente, que é fácil de transportar e está aptopara armazenamento; mas, ela também pode estar disposta a montante doreator termoquímico, para abastecer o mesmo de matéria-prima bem desi-dratada para a carbonização.
Para secar de modo eficiente e rápido o material de colheita pro-veniente da segunda etapa de desidratação, a etapa de secagem podecompreender meios para mistura do material de colheita com um materialportador de calor quente.
Quando a etapa de tratamento térmico compreende o reator, nocaso do material portador de calor trata-se, de preferência, de um produto dereação do reator. O produto de reação deixa o reator, em geral, com umatemperatura elevada e é desejável resfriar o produto de reação, antes de omesmo ser alimentado para armazenamento em um tanque.
O reator fornece, em geral, produtos de reação gasosos, líquidose/ou também sólidos, isto é, gás, óleo e/ou coque. Quando na etapa de se-cagem produtos de reação gasosos são insuflados como material portadorde calor na biomassa a ser secada, então os mesmos misturam-se com ovapor de água da biomassa, mas não permanecem em quantidade digna denota na biomassa, de modo que são dispensáveis dispositivos especiais pa-ra separação do produto de reação da biomassa. Mas, também é concebívelmisturar produto de reação sólido (coque), para aquecer a biomassa. Nessecaso, é difícil separar novamente os dois, um do outro, antes da entrada noreator. Nesse caso, o coque, junto com a biomassa fresca, é simplesmentealimentado novamente ao reator.
De preferência, o material portador de calor adicionado é líquido(óleo). Isso garante uma transferência de calor muito rápida e eficiente domaterial portador de calor para a biomassa por umedecimento e mistura.
Nesse caso, está prevista, de preferência, entre a etapa de se-cagem e o reator uma etapa de separação, particularmente, uma prensa,para separar novamente o óleo da biomassa e descarregar o óleo comorendimento do processo. Desse modo, o óleo não precisa ser novamenteaquecido em uma nova passagem pelo reator. Apenas um resto do óleo nãoseparado na etapa de separação passa novamente pelo reator. Como esseresto não se perde na passagem pelo reator, não precisam ser feitas exi-gências altas demais à força de separação da etapa de separação.Mesmo quando a etapa de tratamento térmico não compreendeo reator, é conveniente prever a etapa de separação, para separar o materialportador de calor, para recuperar e aquecer novamente o mesmo e alimentaro mesmo à etapa de secagem.
Pode ser conveniente alimentar gás de hidrogênio ao reator, pa-ra reduzir o teor residual de oxigênio do óleo obtido ou ajustar a relação dehidrogênio-carbono no óleo obtido e, com isso, também o comprimento dascadeias de carbono do mesmo para um valor desejado.
Para obtenção do hidrogênio pode servir uma etapa de eletróli-se, que eletrolisa a parte aquosa separada no dispositivo de desidratação.
Para coletar produtos de reação liberados como vapor no reator,está prevista, de preferência, uma etapa de condensação. Na mesma tam-bém é coletada água, que foi introduzida com a biomassa ou formada noreator, e que prejudica a qualidade do produto de condensação. Para liberarum produto de condensação rico em água, obtido na etapa de condensação,de partes de hidrocarboneto, o produto de condensação pode ser guiado porum filtro, que pode ser carregado com coque do reator como material de fil-tração. Água purificada desse modo pode ser descarregada diretamente nocampo, tal como água excessiva das etapas de desidratação mecânicas. Ocoque saturado de componentes orgânicos no filtro pode ser reconduzido -diretamente ou indiretamente - ao reator.
Produtos de reação gasosos, particularmente, aqueles que, de-pois da passagem pela etapa de condensação, sobram como não conden-sáveis, são usados, de preferência, no próprio veículo para colheita comoportadores de energia, particularmente, para aquecimento do reator.
Pode ainda ser prevista uma etapa de concentração, que recebea parte aquosa separada em pelo menos uma das etapas de desidratação,para separar a mesma em uma patê enriquecida em substâncias dissolvidase uma parte reduzida em substâncias dissolvidas. Enquanto a parte enrique-cida, em geral, é coletada em um tanque o veículo para colheita, para pro-cessamento adicional, a parte reduzida é descarregada, de preferência, talcomo mencionado acima, sobre o campo.Outras características e vantagens da invenção evidenciam-seda descrição abaixo de exemplos de modalidade, sob referência às figurasanexas. Mostram:
Figura 1 uma representação esquemática dos dispositivos de processamento do veículo para colheita de acordo com a invenção, de acor-do com uma primeira configuração.
Figura 2 uma representação esquemática, análoga à figura 1, deacordo com uma segunda configuração.
Uma vista externa do veículo para colheita de acordo com a in-venção não é mostrada, uma vez que sua forma externa, quando não seassemelha à de segadora ou triturador de campo convencional, está subs-tancialmente ditada, apenas, pela exigência de poder alojar na mesma osdispositivos mostrados nas figura 1 ou figura 2. Tal como um triturador decampo ou segadora convencional, o veículo para colheita tem um mecanis-mo de movimentação, em cuja frente está montado, de modo trocável, umreceptor de material de colheita. O receptor de colheita é idêntico a um tritu-rador de campo ou segadora convencional, e pode ser usado de modo tro-cável no mesmo, bem como no veículo para colheita de acordo com a inven-ção.
Dois cilindros compressores 1 formam uma fenda, à qual a bio-massa colhida é alimentada pelo receptor. Na passagem entre os cilindroscompressores 1 a biomassa, dependendo da espécie de planta, perde apro-ximadamente a metade de sua água; enquanto a parte da massa seca per-faz na biomassa fresca recebida entre 10 e 30%, depois da passagem peloscilindros compressores, a parte está aumentada para 18 a 46%.
A biomassa previamente desidratada nos cilindros compressores1, passa, subseqüentemente, por uma etapa de trituração 2, que, tal comoem um triturador de campo, pode compreender um cilindro de lâminas rotati-vo e lâminas estacionárias, que cooperam com o mesmo. A trituração é maisintensiva do que em um triturador de campo, por exemplo, devido ao guar-necimento mais estreito das lâminas ou um tempo de permanência mais altoda biomassa na etapa de trituração 2, de modo que na saída da etapa detrituração, são obtidas partículas com um tamanho máximo, típico, de 4 mm.
O material triturado da etapa de trituração 2 é alimentado a umasegunda etapa de desidratação 3, por exemplo, a um decantador ou umacentrífuga de peneira. Em associação com a trituração prévia intensiva, issopossibilita um aumento da parte de massa seca para 88 a 98 por cento. Osólido fibroso, rico em celulose, obtido desse modo, cuja massa só perfaz,ainda, cerca de 10 a 30% da biomassa recebida originalmente, é acumuladoem silo 12 a bordo do veículo. Ele tem um teor de energia específico consi-deravelmente mais alto do que a biomassa fresca, de modo que sua re-expedição para uma instalação de processamento estacionaria se torna ren-tável. Devido à redução de peso, o trajeto sobre o qual o material desidrata-do pode ser transportado de modo rentável, é três a dez vezes mais longodo que no caso de biomassa fresca, não desidratada. A área da qual umainstalação de processamento central pode ser abastecida de modo rentável,ou a ocorrência de material, que pode ser processado de modo rentável, naperiferia de uma dessas instalações, está, com isso, aumentada em cerca de10 a 100 vezes. Daí resultam vantagens de escala consideráveis para a ope-ração da instalação.
Para aperfeiçoamento da separação de água na segunda etapade desidratação 3, pode estar previsto que a biomassa passe pela segundaetapa de desidratação em estado aquecido, por exemplo, pelo fato de queparedes de um trajeto de transporte, que estão em contato com a biomassa,sobre a qual a biomassa é transportada entre a etapa de trituração 2 e se-gunda etapa de desidratação 3, ou paredes da própria segunda etapa dedesidratação 3 estão formadas como trocadores de calor 14.
A água separada nas etapas de desidratação 1 e 3, no caso maissimples, poderia ser descarregada diretamente sobre a área de cultivo. Mas,também aqui, é conveniente separar os componentes economicamente úteiscontidos, tais como açúcar, proteínas, amidos, lipídios, ácidos ou substân-cias minerais, em uma etapa de concentração 4, por exemplo, um filtro demembrana ou diversos desses filtros ligados em série. Com técnicas de fil-tração conhecidas, podem, desse modo, ser produzidas uma corrente enri-quecida com componentes valiosos, com uma parte de massa seca de até80 por cento, e água substancialmente liberada de componentes valiosos,que é descarregada sobre o campo. Em uma etapa de secagem adicional 5,a parte de sólido na corrente enriquecida pode ser aumentada para até 90por cento. O concentrado obtido desse modo é coletado em um tanque 15 abordo do veículo para colheita, para o reaproveitamento, por exemplo, comoração, como matéria-prima para a indústria química ou como matéria-primapara processos de fermentação, para produção de biogás ou etanol.
A figura 2 mostra um exemplo de modalidade da máquina decolheita de acordo com a invenção, na qual a profundidade de processamen-to a bordo da máquina de colheita está aumentada em relação à configura-ção da figura 1. As etapas de desidratação 1, 3, com cilindros compressorese decantador ou centrífuga, a etapa de trituração 2 intercalada e a etapa deconcentração 4, para concentração das partes valiosas no líquido espremidosão as mesmas como na configuração da figura 1.
Adicionalmente, existe a bordo do veículo um reator de pirólisede "flash" 6, que é alimentado com o sólido constituído, substancialmente,de celulose, desidratado, obtido da biomassa fresca. Por aquecimento noreator 6, sob exclusão de ar, em um processo contínuo, o material alimenta-do é convertido em água, diversos hidrocarbonetos e uma parte residual desólido, designada como coque, constituída, substancialmente, de carbono.Os produtos de reação, liberados como gás à temperatura elevada do reator6, são alimentados a uma etapa de condensação 8 e condensados em fra-ções com ponto de ebulição diferente. Gás não condensado na etapa decondensação 8 alimenta um queimador 16, que aquece o reator 6.
Na etapa de condensação 8 ocorre uma condensação fraciona-da, sendo que os parâmetros do fracionamento estão estabelecidos de talmodo que uma fração contém, substancialmente, toda a água introduzida noreator 6 com a biomassa, bem como a água gerada no mesmo pela reaçãode pirólise, enquanto pelo menos uma outra fração, designada como óleo deproduto, consiste, substancialmente, apenas em hidrocarbonetos. O óleo deproduto - caso existente, depois da passagem pelo trocador de calor 14,mencionado em conexão com a figura 1, pelo decantador ou pela centrífuga3 - é coletado em um tanque, com exceção de uma parte, de preferência,uma fração condensada à temperatura elevada, que é ramificada totalmenteou parcialmente da etapa de condensação 8, para ser adicionada, em umaetapa de secagem 7, à biomassa desidratada da segunda etapa de desidra-tação 3. A etapa de secagem 7 pode apresentar ferramentas de amassar oude mistura, para misturar o óleo com a biomassa desidratada. A alta tempe-ratura do óleo de produto leva a umidade restante na biomassa à evapora-ção, de modo que na saída da etapa de secagem adicional 7 pode ser reti-rada uma mistura de óleo de produto e biomassa, substancialmente livre deágua.
Antes de chegar ao reator 6, essa mistura passa por uma etapade separação 9, na qual o óleo de produto é novamente separado, sob pres-são, da biomassa. O óleo de produto separado desse modo é coletado notanque 10, juntamente com a parte do óleo de produto da etapa de conden-sação 8, não alimentada à etapa de secagem 7.
De acordo com um desenvolvimento preferido, para purificaçãoda fração de produto de condensação, constituída, substancialmente, deágua, obtida na etapa de condensação 8, está previsto um filtro 11. Comosubstrato de filtração, esse filtro 11 usa uma parte do coque do reator 6, queé transportado continuamente, em contracorrente à fração aquosa, pelo filtro11, e, nesse caso, fica saturado com os componentes orgânicos da fraçãoaquosa. A água obtida pela filtração - caso necessário, depois de uma puri-ficação adicional - pode ser descarregada sobre o campo; o coque saturadocom as partes orgânicas pode ser coletado, junto com o coque restante doreator 6, em um silo 12, como material de combustão, ou - dependendo dograu de sua saturação com água ou com material orgânico - ser reconduzi-do diretamente ao reator 6, tal como representado na figura 2, ou por umdesvio através da etapa de secagem 7, para destilar novamente as partesorgânicas no reator 6 e adicionar as mesmas ao óleo de produto.
De acordo com um outro desenvolvimento da invenção, estáprevista uma célula de eletrólise 13, que é alimentada com a parte enrique-cida da etapa de concentração 4. A célula de eletrólise 13 está abastecidacom corrente contínua de freqüência modulada, para obter um alto rendi-mento de hidrogênio, a um uso de energia reduzido. Hidrogênio obtido daeletrólise é alimentado ao reator de pirólise 6. O aumento da oferta de hidro-gênio no reator 6, obtida desse modo, aperfeiçoa a conversão do oxigênioligado na biomassa em água, de modo que da pirólise de "flash" é obtido umóleo com concentração menor de oxigênio e, desse modo, de valor qualitati-vo mais alto.
Números de referência
1 cilindros compressores
2 etapa de trituração
3 centrífuga de peneira
4 filtro de membrana
5 etapa de secagem adicional
6 reator de pirólise de flash
7 etapa de secagem
8 etapa de condensação
9 etapa de separação
10 tanque
11 filtro
12 silo
13 célula de eletrólise
14 trocador de calor
15 tanque
16 queimador
Claims (20)
1. Veículo para colheita automóvel, com um receptor de materialde colheita, uma etapa de trituração (2), para triturar o material de colheita, eum dispositivo de desidratação (1, 3) mecânico, para separar uma parte a-quosa do material de colheita, caracterizado pelo fato de que o dispositivo dedesidratação (1, 3) mecânico compreende uma primeira etapa de desidrata-ção (1) ligada à montante da etapa de trituração (2), e uma segunda etapade desidratação (3), ligada a jusante da etapa de trituração.
2. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 1, caracterizado pelo fato de que a primeira etapa de desidratação (1)compreende pelo menos um par de cilindros de compressão, que limita afenda de compressão, que é passada pelo material de colheita.
3. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a segunda etapa de desidratação(3) compreende um decantador ou uma prensa de rosca helicoidal.
4. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações precedentes, caracterizado por um dispositivo de aquecimento(14), para aquecer o material de colheita que passa pela segunda etapa dedesidratação (3).
5. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a segunda etapa dedesidratação (3) está em condição de fornecer material de colheita desidra-tado, com uma parte de massa seca de pelo menos 60%.
6. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que o material de co-lheita desidratado consiste, substancialmente, em celulose.
7. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que à segunda etapa dedesidratação (3) está disposta a jusante uma etapa de tratamento térmico (6,7).
8. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 7, caracterizado pelo fato de que a etapa de tratamento térmico (6, 7)compreende um reator termoquímico (6), para carbonização do material decolheita desidratado, para produtos de reação gasosos e/ou líquidos e/ousólidos.
9. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica- ção 8, tanto quanto relativo à reivindicação 4, caracterizado pelo fato de queo dispositivo de aquecimento (14) é alimentado com calor de escapamentodo reator termoquímico (6).
10. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que a etapa de tratamento tér-mico (6, 7) compreende uma etapa de secagem (7).
11. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 10, caracterizado pelo fato de que a etapa de secagem (7) compreendemeios para mistura do material de colheita a ser secado com material porta-dor de calor quente.
12. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 11, tanto quanto relativo à reivindicação 8, caracterizado pelo fato deque o material portador de calor é um produto de reação do reator (6).
13. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a jusante da etapa de secagem(7) está disposta uma etapa de separação (9), para separação do materialportador de calor adicionado do material de colheita secado.
14. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 13, tanto quanto relativo à reivindicação 12 caracterizado pelo fato deque a etapa de separação (9) está disposta a montante do reator (6).
15. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações 8, 9, 12, 14, caracterizado por meios para alimentação de gásde hidrogênio ao reator (6).
16. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 15, caracterizado por uma etapa de eletrólise (13), para obtenção dehidrogênio por eletrólise da parte aquosa separada no dispositivo de desidra-tação (1,3).
17. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações 8, 9, 12, 14-16, caracterizado por uma etapa de condensação(8), para condensação de produtos em forma de vapor do reator (6) e sepa-ração de um produto de condensação que contém água, e um filtro (11), queé passado pelo produto de condensação que contém água e pode ser carre-gado com coque do reator (6) como material de filtração.
18. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações 8, 9, 12, 14-17, caracterizado pelo fato de que um queimador(7), para aquecer o reator (6), é alimentado com produto de reação gasosodo reator (6).
19. Veículo para colheita automóvel de acordo com uma das rei-vindicações precedentes, caracterizado por uma etapa de concentração (4),que recebe a parte aquosa, separada em pelo menos uma das etapas dedesidratação (1, 3), para separação em uma parte enriquecida de substân-cias dissolvidas e uma parte reduzida em substâncias dissolvidas.
20. Veículo para colheita automóvel de acordo com a reivindica-ção 19, caracterizado por um tanque coletor (15) para a parte enriquecida.
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