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Fermentation Systems For Food And Feed Ingredients

Feed ingredient producers need maximum separation of desirable components in fermentation broth. Explore Pall's flexible fermentation systems for improving yield & maintaining process safety.

Fermentersysteme für Lebens- und Futtermittelzusatzsstoffe

Übersicht

Produzenten von Lebensmittel- und Futterzusätzen, wie Aminosäuren, organische Säuren und Vitamine, nutzen Fermentationsprozesse als Grundlage ihrer Produktion. Biotechnologische Prozesse in der modernen Industrie verwenden sorgfältig ausgewählte und gereinigte mikrobielle Zellkulturen, um immer vielfältigere Zusatzstoffe herzustellen und die Produktivität zu steigern.

 

Bei der Fermentation vermehren sich die Mikroorganismen in industriellen Bioreaktoren. Kohlenhydrate dienen dabei oftmals als Energiequelle. Die Bedingungen für das mikrobielle Wachstum werden genau kontrolliert, z. B. die Belüftung, die Umwälzgeschwindigkeit, die Temperatur, der pH-Wert und andere Parameter. Die Gärung kann wenige Stunden oder mehrere Tage dauern. Die metabolischen Endprodukte der Mikroorganismen sind die Grundlage für viele der heute verwendeten Zusatzstoffe.

 

Auf die Gärung folgen wichtige Schritte zur Extraktion und Aufreinigung der gewünschten Metaboliten aus der Zellmasse. Der erste Schritt ist die Klärung der Fermenterbrühe, um abgestorbene Zellen und andere Schwebstoffe aus der Fermenterflüssigkeit zu entfernen. Für die Klärung von Fermenterbrühe stehen verschiedene Verfahren wie z.B. Zentrifugation oder der Einsatz von Filtrationstechnologien unterschiedlicher Ausführung zur Verfügung. Heute suchen Hersteller von Zusatzstoffen die kostengünstigsten Klärungslösungen, die neben bestmöglicher Produktqualität und Ertrag auch die Prozesssicherheit gewährleisten und möglichst wenig Abfall verursachen.

 

 

Die Herausforderung

Ein großer Hersteller von Futtermittelzusätzen und Vitaminen benötigte eine Technologie zur Fertigung einer Vielzahl von Produkten in einem geschlossenen System. Aufgrund sich ändernder Marktbedingungen wünschte sich dieser Hersteller einen hohen Grad an Flexibilität im Betrieb, der auf den jeweilig produzierten Produkttyp abgestimmt ist. Die Fermenterbrühe lag im Durchschnitt im Bereich von 20 bis 25 % sedimentierbaren Feststoffen, was eine relativ hohe Feststofflast darstellt. Schwankende Produkteigenschaften und damit einhergehend variierende Durchsatzbedingungen erforderten eine zusätzliche Systemflexibilität.

 

Zur Erzielung einer sehr hohen und konstante Produktqualität war der Einsatz eines Systems mit maximaler Festsoffabscheideeffizienz bei gleichzeitig maximalem Erhalt der wertgebenden Komponenten der Fermenterbrühe erforderlich. Die ausgewählte Klärungstechnologie sollte zudem sehr hohe Volumenkonzentrierungsfaktoren (VCF) erzielen, um den Ertrag im Prozess zu maximieren. Das System der Wahl sollte automatisiert, zuverlässig, einfach zu bedienen und äußerst robust gegen Strom- und Anlagenausfälle sein.

 

Die Lösung

Membralox® Keramik-Crossflow-Technologie wurde für die neue, hochmoderne Produktionsanlage ausgewählt, da sie zuverlässig die höchstmögliche Filtratqualität unabhängig von den Eigenschaften der Fermenterbrühe liefert. Anders als bei der Zentrifugation, wo der Erfolg der Separation unter anderem von Zellgröße der Biomasse sowie Dichte und Viskosität der Flüssigkeit abhängt, stellen Membranen eine absolute physische Barriere für die abzutrennende Biomasse dar und garantieren damit einen sicheren Prozess mit optimalen Abtrenneigenschaften.

 

Zudem bot die Keramiktechnologie eine Lösung, bei der es keine Probleme mit Lagerung, Handhabung und Entsorgung von Filterhilfsstoffen gibt, die üblicherweise in installierten Anschwemmfiltersystemen verwendet werden. Ein weiterer Vorteil der Membralox Keramik-Crossflow Technologie ist die Nutzung der aufkonzentrierten Biomasse im Retentat zum Beispiel durch Trocknung und Nutzung als Tierfutter.

 

Für die Anlage wurden Membranmodule mit großem Kanaldurchmesser ausgewählt, da sich diese besonders gut für die Abtrennung von hohen Biomasse- und Feststofffrachten eignen. Dies ermöglichte den höchstmöglichen VCF und eine Retentatkonzentration von über 45 %. Um die Ausbeute weiter zu erhöhen, wurde Diafiltration eingesetzt, die zu einem zusätzlichen Anstieg des Endertrags um über 25 % führte. Über einen ersten Pilottest mit einer Testanlage wurden die optimale Membran-Porengröße und die Prozessparameter für den Scale-Up ermittelt. Während dieser ersten Phase arbeiteten die Mitarbeiter des Pall® Wissenschafts- und Laborservices mit dem Kunden zusammen, um die Prozessparameter zu optimieren und einen maximal möglichen technischen Support zu bieten. Seit der Inbetriebnahme des Membralox Anlage im Prozess wird die Pilotanlage weiterhin zum Testen neuer Bakterienstämme und neuer Fermentationsmethoden beim Kunden verwendet und ermöglicht damit eine kontinuierliche Produktentwicklung und prozessoptimierung.

 

Basierend auf dem erfolgreichen Pilottest bot Pall über 2.200 m2 an Ultrafiltrations-Membranfläche im HCB-Moduldesign an. Die Membralox HCB-Modulreihe nutzt den Vorteil der einzigartigen hexagonalen Form der Membranen, um eine extrem hohe Packungsdichte von bis zu 285 m2 / m3 zu erreichen und damit die Filtersystemkosten erheblich zu senken.

 

Drei Membralox-Systeme wurden in drei verschiedenen Phasen bestellt, um den kontinuierlich steigenden Produktkapazitätsanforderungen dieses Werks gerecht zu werden. Die Systeme wurden darauf ausgelegt, eine maximale Flexibilität, einen hohen Ertrag und eine einfache Prozesssteuerung zu bieten. Der Prozess basiert auf einem Fed-Batch-Konzept mit Batch-Diafiltration mit einem konstanten Volumen. Dieses Konzept ermöglicht einen hohen durchschnittlichen Filtratfluss, eine geringe Membranfilterfläche und eine hocheffiziente Diafiltration. Bediener können Sollwerte anpassen, wie z.B. VCF, Filtrationsgeschwindigkeit und Diafiltrationsverhältnis, um auf verschiedene Fermenterbrühequalitäten und schwankende Durchsätze zu reagieren. Einzelne Membranblöcke können unabhängig voneinander betrieben werden, im Fall von mechanischen Ausfällen kann damit die Produktion eingeschränkt weitergeführt werden. Die keramischen Filtermodule bestehen aus porösen keramischen Membranelementen, die in mit Polymerdichtungen versiegelten Edelstahlgehäusen sitzen. Zu den wichtigsten Eigenschaften zählen:

 

  • Feedkanäle mit Durchmessern von 3, 4 und 6 mm in verschiedenen Modulkonfigurationen zum Einsatz in einer Vielzahl von Produktströmen, die eine optimale Systemkonfiguration ermöglichen. Extrem robuste Elemente aus hochreinem Aluminiumoxid mit einer Porengröße von 12 µm und 30 % Porosität, hohe chemische Kompatibilität, hohen Fluxraten und sicherer Einsatz bei kontinuierlich hohen Prozesstemperaturen.
  • Verschiedene Membranporengrößen zur Mikrofiltration und Ultrafiltration

 

Bei der Crossflow-Filtration läuft der Produktstrom parallel zur Membranoberfläche, wobei die gereinigte Flüssigkeit die Membran als Permeat passiert. Der parallel zur Filterfläche fließende Produktstrom sorgt zusammen mit den durch die Querstromgeschwindigkeit an der Grenzschicht verursachten Turbulenzen dafür, dass Partikel und andere Stoffe weggeschwemmt werden, die sich andernfalls auf der Membranoberfläche ansammeln würden. Dadurch haben Crossflow-Filter länger eine hohe Durchlässigkeit als dies bei konventionellen Filtersystemen („Dead-End-Filtration“) der Fall ist. Die Crossflow-Filtration ist die ideale Lösung für Anwendungen mit hoher Feststoffbelastung.

 

Die Vorteile

Dieser Hersteller benötigte ein kostengünstiges und flexibles Filtrationssystem, das eine hohe Permeatqualität und einen zuverlässigen Systembetrieb sicherstellen kann. Mit dem Membralox-System kann der Kunde nun folgende Vorteile im Prozess nutzen:

 

  • Flexible Prozesse durch Chargenkonfiguration der Systeme
  • Hohe Produktausbeute dank einer guten Anpassung an hohe Feststoffanteile und Nutzung der Diafiltration Geringere Kosten und höhere Effizienz bei Downstream-Prozessen dank einer hohen Filtratqualität im Vergleich zu Zentrifugations- und Anschwemmtechnologien
  • Geringerer Wartungsaufwand und Vermeidung von Abfall durch Verzicht auf Filterhilfsmittel
  • Extrem hohe Lebensdauer durch die Bauweise der Keramikelemente
  • Weniger Berührungspunkte zwischen Bediener und Produkt sowie maximale Produktsicherheit dank vollständig geschlossener Konstruktion
  • Einfache, zuverlässige und sichere Prozesse dank Automatisierung
  • Platzeinsparungen dank kompakter Bauweise und kleiner Stellfläche

 

Über Pall Corporation

Pall Corporation ist der größte und diversifizierteste Anbieter von Filtrations-, Separations- und Reinigungstechnologien weltweit. Pall bietet fortschrittliche Membranfiltrationstechnologie und für Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz entwickelte Systeme für die Lebensmittel- und Getränkeindustrie. Dank leichter Installier- und Bedienbarkeit erfüllen unsere Systeme ein breites Spektrum an Filtrationsanforderungen. Unser Total Fluid ManagementSM-Programm bietet unseren Kunden Lösungen für alle Prozessanforderungen, von Filtrationsprodukten über Kundendienst und Systeme bis hin zu Schulungen. 

Tangentialflussfiltration steigert Ertrag und senkt Ausschuss

Bis zu 80 % des Extrakts in der überschüssigen Hefe, die sich nach der Gärung und Reifung am Tankboden ansammelt, kann jetzt wiedergewonnen anstatt entsorgt werden. Bier kann zurückgewonnen und beim Brauen mit einem Verhältnis von 5 % wieder beigemengt werden, ohne die Bierqualität zu beeinträchtigen. Das steigert den Ertrag und es muss insgesamt weniger Bier produziert werden. Daraus resultieren weniger CO2-Emissionen, geringerer …
Bis zu 80 % des Extrakts in der überschüssigen Hefe, die sich nach der Gärung und Reifung am Tankboden ansammelt, kann jetzt wiedergewonnen anstatt entsorgt werden. Bier kann zurückgewonnen und beim Brauen mit einem Verhältnis von 5 % wieder beigemengt werden, ohne die Bierqualität zu beeinträchtigen. Das steigert den Ertrag und es muss insgesamt weniger Bier produziert werden. Daraus resultieren weniger CO2-Emissionen, geringerer Wasserverbrauch und gesenkte Produktionskosten. Zudem fallen weniger Abfälle an, wodurch die Entsorgungskosten sinken und weniger BSBs und CSBs an die Umgebung abgegeben werden.
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Craftbierbrauer bewahrt Image und mindert Verluste

Obwohl Bier aufgrund seiner Eigenschaften wie niedrigem pH-Wert, Ethanolkonzentration und niedriger Sauerstoffgehalt einem geringen Bakterienwachstum unterliegt, können bestimmte verderbniserregende Bakteriengattungen, darunter Lactobacillus, Pediococcus, Pectinatus und Megasphaera, Fremdaromen, Trübheit und Schärfe verursachen. Derartige Qualitätsdefizite machen das Produkt unbrauchbar und verursachen oft wirtschaftliche Einbußen und Rufschädigungen. Im …
Obwohl Bier aufgrund seiner Eigenschaften wie niedrigem pH-Wert, Ethanolkonzentration und niedriger Sauerstoffgehalt einem geringen Bakterienwachstum unterliegt, können bestimmte verderbniserregende Bakteriengattungen, darunter Lactobacillus, Pediococcus, Pectinatus und Megasphaera, Fremdaromen, Trübheit und Schärfe verursachen. Derartige Qualitätsdefizite machen das Produkt unbrauchbar und verursachen oft wirtschaftliche Einbußen und Rufschädigungen. Während des gesamten Prozesses muss eine Kontamination durch unerwünschte Mikroben verhindert werden, um schlussendlich die gewünschte Güte des Biers zu erreichen. Derartige Kontamination kann aus der Umgebung stammen, oder von den Zutaten (einschließlich der Hefe), der Luft und dem Wasser, das mit dem Produkt in Kontakt kommt.
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Pall Aria™ System bewahrt Produzenten von Mineralwasser in Flaschen vor Werksschließungen

Quellwasser ist eine wertvolle natürliche Ressource, die gründlich gereinigt werden muss, bevor sie als hochreines, optisch ansprechendes Produkt in die Läden gelangt. Filtration ist dabei ein wichtiger Prozessschritt, um dauerhaft eine hohe Produktqualität zu erzielen. Jedoch können die Kosten für die Filtration je nach Qualität des Quellwassers hoch liegen. Einwegfilter sind technisch gut umsetzbar, aber ihre Verwendung kann …
Quellwasser ist eine wertvolle natürliche Ressource, die gründlich gereinigt werden muss, bevor sie als hochreines, optisch ansprechendes Produkt in die Läden gelangt. Filtration ist dabei ein wichtiger Prozessschritt, um dauerhaft eine hohe Produktqualität zu erzielen. Jedoch können die Kosten für die Filtration je nach Qualität des Quellwassers hoch liegen. Einwegfilter sind zwar technisch gut umsetzbar, jedoch über lange Sicht angesichts schwieriger oder wechselnder Quellwasserqualität wirtschaftlich nicht nachhaltig.
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Microflow System zur Reinigung von Käse-Salzlake ermöglicht eine Kostenamortisation innerhalb von nur 10 Monaten

Die Methode des Salzens durch Einlegen in Salzlake wird weltweit bei der Herstellung zahlreicher Käsesorten angewendet. Durch das wiederholte Eintauchen in die Salzlake bilden Fett, Quarkteilchen sowie akkumulierte Proteine und andere Bestandteile des Käses eine nährstoffreiche Umgebung für salzbeständige Mikroorganismen. Mehrfach verwendete Salzlake kann somit zum Sammelbecken unerwünschter Mikroorganismen werden, beispielsweise von gas- oder pigmentproduzierenden Bakterien, Hefe- und Schimmelpilzen oder …
Die Methode des Salzens durch Einlegen in Salzlake wird weltweit bei der Herstellung zahlreicher Käsesorten angewendet. Durch das wiederholte Eintauchen in die Salzlake bilden Fett, Quarkteilchen sowie akkumulierte Proteine und andere Bestandteile des Käses eine nährstoffreiche Umgebung für salzbeständige Mikroorganismen. Mehrfach verwendete Salzlake kann somit zum Sammelbecken unerwünschter Mikroorganismen werden, beispielsweise von gas- oder pigmentproduzierenden Bakterien, Hefe- und Schimmelpilzen oder salzresistenten pathogenen Mikroorganismen, die zu einer Kreuzkontamination des Käses führen und seine Qualität beeinträchtigen. Daher muss im Interesse einer konstanten Herstellungsqualität eine sorgfältige Kontrolle der Salzlake und des Salzungsvorgangs sichergestellt werden. Darüber hinaus steht die Entsorgung der Salzlake zunehmend im Mittelpunkt des Interesses. Volumenbegrenzungen führen vielerorts zu einer zunehmenden Nachfrage nach Wiederaufbereitung der Salzlake, um auf diese Weise die Betriebskosten zu senken und die Umweltbelastung so gering wie möglich zu halten.
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SUPRApak™ Technologie hilft Brennereien ihre Spirituosenqualität zu steigern und gleichzeitig Betriebskosten zu reduzieren

Die Filtration von Spirituosen ist überaus komplex und kann eine hohe Herausforderung für den Anwender darstellen. Dabei gilt es Trübungsverursacher zuverlässig aus den Spirituosen abzutrennen, ohne die qualitätsfördernden Bestandteile des Produkts negativ zu beeinträchtigen. Traditionell werden für diese Aufgabenstellung Filterschichten eingesetzt. Die Schichten bestehen aus einer einzigartigen Material-Matrix, die eine hervorragende Kombination aus Adsorption und Tiefenfiltration bietet. Das macht sie zur idealen Lösung zum Reduzieren von Trub und …
Die Filtration von Spirituosen ist überaus komplex und kann eine hohe Herausforderung für den Anwender darstellen. Dabei gilt es Trübungsverursacher zuverlässig aus den Spirituosen abzutrennen, ohne die qualitätsfördernden Bestandteile des Produkts negativ zu beeinträchtigen. Traditionell werden für diese Aufgabenstellung Filterschichten eingesetzt. Die Schichten bestehen aus einem einzigartigen Material-Matrix, der eine ideale Kombination aus Adsorption und Tiefenfiltration ermöglicht. Damit wird eine sehr schonende und effiziente Abtrennung der Spirituosentrübungsverursachern sichergestellt. Dies macht sie zur idealen Lösung zum Entfernen von Trübungen in Spirituosen. Filterschichten sind in verschiedenen Feinheitsgraden für ein breites Spirituosen-Anwendungsspektrum erhältlich, und können für die Filtration von Likören, zur Abtrennung von Kältetrübungen bei braunen Spirituosen bis hin zur Partikelabscheidung aus weißen Spirituosen eingesetzt werden. Die Schichtenfiltergestelle erlauben dabei eine flexible Anpassung an die vorliegenden Chargengrößen, und gewünschten Stundenleistungen durch geeignete Auswahl der jeweils erforderlichen Schichtenanzahl.
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Klärfiltrationssysteme für Fermenterbrühe bei der Herstellung von Lebensmittel- und Futterzusätzen

Produzenten von Lebensmittel- und Futterzusätzen, wie Aminosäuren, organische Säuren und Vitamine, nutzen Fermentationsprozesse als Grundlage ihrer Produktion. Biotechnologische Prozesse in der modernen Industrie verwenden sorgfältig ausgewählte und gereinigte mikrobielle Zellkulturen, um immer vielfältigere Zusatzstoffe herzustellen und die Produktivität zu steigern. Bei der Gärung vermehren sich die Mikroorganismen in industriellen Bioreaktoren und nutzen eine Kohlenhydratquelle …
Produzenten von Lebensmittel- und Futterzusätzen, wie Aminosäuren, organische Säuren und Vitamine, nutzen Fermentationsprozesse als Grundlage ihrer Produktion. Biotechnologische Prozesse in der modernen Industrie verwenden sorgfältig ausgewählte und gereinigte mikrobielle Zellkulturen, um immer vielfältigere Zusatzstoffe herzustellen und die Produktivität zu steigern. Bei der Fermentation vermehren sich die Mikroorganismen in industriellen Bioreaktoren. Kohlenhydrate dienen dabei oftmals als Energiequelle. Die Bedingungen für das mikrobielle Wachstum werden genau kontrolliert, z. B. die Belüftung, die Umwälzgeschwindigkeit, die Temperatur, der pH-Wert und andere Parameter. Die Gärung kann wenige Stunden oder mehrere Tage dauern. Die metabolischen Endprodukte der Mikroorganismen sind die Grundlage für viele der heute verwendeten Zusatzstoffe.
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Cider-Produzent maximiert seinen Ertrag und steigert Kapazitäten mit dem Oenoflow™ HS System

Filtration ist ein zentraler Vorgang in der modernen Cider-Produktion, damit ein sichtbar klares und haltbares Produkt erreicht wird. Früher wurde Cider mit Kieselgur oder schichtenbasierter Filtration geklärt. Doch aufgrund des günstigeren, einfacheren Betriebs und der geringeren Abfallmenge haben sich Crossflow-Filtrationssysteme wie das Pall Oenoflow XL System im letzten Jahrzehnt immer stärker durchgesetzt.
Filtration ist ein zentraler Vorgang in der modernen Cider-Produktion, damit ein sichtbar klares und haltbares Produkt erreicht wird. Früher wurde Cider mit Kieselgur oder schichtenbasierter Filtration geklärt. Doch aufgrund des günstigeren, einfacheren Betriebs und der geringeren Abfallmenge haben sich Crossflow-Filtrationssysteme wie das Pall Oenoflow XL System im letzten Jahrzehnt immer stärker durchgesetzt.
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Filtrationslösungen zur sicheren Abtrennung von wärmeresistenten, acidophilen Bakterien

Trinkfertiger Tee, Fruchtsäfte und Fruchtgetränke, kohlensäurehaltige Softdrinks und andere alkoholfreie Getränke unterliegen aufgrund von wärmeresistenten, acidophilen Bakteriensporen (TAB) der Gefahr von mikrobiellem Verderb. Die thermoacidophilen Sporen können entweder durch den Kontakt mit landwirtschaftlichen Rohstoffen wie bei der Fruchtsaftproduktion oder durch Kontamination der Getränkezusatzstoffe wie Süßstoffe, Saft- und Teekonzentrate oder Geschmacksstoffe entstehen …
Trinkfertiger Tee, Fruchtsäfte und Fruchtgetränke, kohlensäurehaltige Softdrinks und andere alkoholfreie Getränke unterliegen aufgrund von wärmeresistenten, acidophilen Bakteriensporen (TAB) der Gefahr von mikrobiellem Verderb. Die thermoacidophilen Sporen gelangen durch den Kontakt mit landwirtschaftlichen Rohstoffen, bei der Fruchtsaftproduktion oder durch Kontamination von Getränkezusatzstoffe wie z.B. Süßstoffe, Saft- und Teekonzentrate oder Geschmacksstoffe, Essenzen und Farbstoffe aus natürlichen Extrakten in das Getränk.
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Querstrom-Trubfilter sorgt bei Yalumba für Effizienz und Wirtschaftlichkeit

Die Rückgewinnung von Wein aus Weintrub stellt für Weinkellereien eine der anspruchsvollsten Filtrationsarten dar. Auf der einen Seite bedeutet die hohe Konzentration und Variabilität von Schwebstoffen eine begrenzte Auswahl an geeigneten Filtrationstechnologien, andererseits wird durch strenge Umweltvorschriften und Nachhaltigkeitsprogramme der Druck erhöht, die Abfallmengen zu reduzieren. Traditionell erfolgt die Trubfiltration mit Filterhilfsmittelsystemen wie Vakuumdrehfiltern oder …
Die Rückgewinnung von Wein aus Weintrub stellt für Weinkellereien eine der anspruchsvollsten Filtrationsarten dar. Auf der einen Seite bedeutet die hohe Konzentration und Variabilität von Schwebstoffen eine begrenzte Auswahl an geeigneten Filtrationstechnologien, andererseits wird durch strenge Umweltvorschriften und Nachhaltigkeitsprogramme der Druck erhöht, die Abfallmengen zu reduzieren. Traditionell erfolgt die Trubfiltration mit Filterhilfsmittelsystemen wie Vakuumdrehfiltern oder Kammerfilterpressen. Zwar bieten diese Systeme meist eine gute volumetrische Rückgewinnung des in den Feststoffen enthaltenen Weins, aber ihnen haften auch Nachteile an, die die Weinqualität beeinträchtigen können. Die offene Bauweise ermöglicht die Aufnahme von Sauerstoff und der zurückgewonnene Wein muss oft weiter verarbeitet werden. Der Wein wird meist wertmäßig heruntergestuft und in Verschnitten verwendet, anstatt zur Originalcharge zurückgeführt zu werden.
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