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TWI586266B - 水產養殖系統 - Google Patents

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TWI586266B
TWI586266B TW105119123A TW105119123A TWI586266B TW I586266 B TWI586266 B TW I586266B TW 105119123 A TW105119123 A TW 105119123A TW 105119123 A TW105119123 A TW 105119123A TW I586266 B TWI586266 B TW I586266B
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aquaculture
aquaculture system
gas
water quality
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鐘國濱
葉佳鎮
余浚瑋
馬嘉慶
謝崇偉
林政隆
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元智大學
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Description

水產養殖系統
本發明是關於一種水產養殖系統，且特別是關於一種應用質子交換膜(PEM)水電解技術來處理水質的水產養殖系統。
水產養殖向來是台灣重要的經濟產業之一，近20年來水產養殖業迅速的發展，為我國帶來豐碩的營收。水產養殖生物除了蝦類以外，亦包含多種類之養殖經濟魚種，例如石斑、鯔魚、虱目魚及海鱺等。
在養殖過程中，為了抑制水產養殖生物的病菌或者是加速其生長，目前仍不免會使用化學藥劑來控制養殖環境。但世界養殖用藥法規日趨嚴苛，可用的化學藥劑種類逐漸減少。另外，化學藥劑也有可能殘留在生物體內，食用後也可能危害人體健康。
另一種方式是通過定期大量更換水體來調整水質，以維護養殖環境。此種方式雖然較無考慮藥劑殘留的問題，但耗水量卻會大幅增加。隨著水資源的匱乏以及環境保護意識的普及，開發新的養殖系統來減少耗水量，又可提供水產養殖生物理想的養殖環境，已成為本領域技術人員當前研究的課題。
有鑑於此，本發明提供一種水產養殖系統，其藉由質子交換膜(proton exchange membrane,PEM)電解水來產生氫氣及氧氣或是產生氫氣、氧氣及超氧，來處理養殖水的水質。
本發明其中一實施例提供一種水產養殖系統，包括養殖池、水體循環單元、水質偵測器以及水質處理模組。養殖池蓄積預定水位高度的養殖水，其中養殖池具有循環入水端以及循環出水 端。水體循環單元流體連通於循環入水端與循環出水端之間，使養殖水通過水體循環單元以進行循環。水質偵測器偵測養殖水的水質，以獲得一水質資料。水質處理模組包括電解式氣體產生器以及控制單元。電解式氣體產生器流體連通於水體循環單元，其中電解式氣體產生器具有用於輸出第一氣體至水體循環單元的第一輸出管以及用於輸出第二氣體至水體循環單元的第二輸出管。控制單元電性連接於電解式氣體產生器以及水質偵測器，其中控制單元接收水質資料，並根據水質資料調整電解式氣體產生器的電壓值，以控制電解式氣體產生器所產生的氣體種類與比例。
綜上所述，在本發明所提供的水產養殖系統中，利用電解式氣體產生器來電解水，可產生氫氣、氧氣及超氧。將前述氣體溶入養殖水中，可改善養殖環境。除此之外，控制單元可根據水產養殖生物的種類，調整電解式氣體產生器的電壓值，來改變各個氣體的產生量，以使混入這些氣體的養殖水有利於水產養殖生物的生長或預防疾病。
為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
1‧‧‧水產養殖系統
10‧‧‧養殖池
10a‧‧‧循環出水端
10b‧‧‧循環入水端
20‧‧‧水質偵測器
30‧‧‧水體循環單元
31‧‧‧出水管路
32‧‧‧進水管路
33‧‧‧泵浦
34‧‧‧第一控制閥
35‧‧‧第二控制閥
40‧‧‧水質處理模組
41‧‧‧過濾單元
42‧‧‧純水供應裝置
42a‧‧‧供水單元
42b‧‧‧離子交換樹脂
43‧‧‧電解式氣體產生器
430‧‧‧水電解組件
430a‧‧‧電解器
430b‧‧‧膜電極組
4301‧‧‧陽極
4302‧‧‧陰極
4303‧‧‧質子交換膜
431‧‧‧可調式電源供應器
432‧‧‧分離器
43a‧‧‧第一輸出管
43b‧‧‧第二輸出管
44‧‧‧控制單元
440‧‧‧對照表
A1‧‧‧第一氣體
A2‧‧‧第二氣體
50‧‧‧雲端主機
60‧‧‧遠端監控裝置
70‧‧‧供水端口
70a‧‧‧進水閥
80‧‧‧排水端口
80a‧‧‧排水閥
圖1 繪示本發明實施例的水產養殖系統的功能方塊圖。
圖2 繪示本發明實施例的電解式氣體產生器的功能方塊圖。
圖3 繪示本發明實施例的水電解組件的示意圖。
圖1繪示本發明一實施例的水產養殖系統的功能方塊圖。本發明實施例的水產養殖系統1利用質子交換膜(PEM)電解技術來產生氫氣、氧氣或超氧來處理養殖水，並可根據水產養殖生物的種類，來調整各氣體在養殖水中的濃度，以提供適合水產養殖生物的養殖環境。
詳細而言，水產養殖系統1包括養殖池10、水質偵測器20、 水體循環單元30以及水質處理模組40。養殖池10連通於水質處理模組40，而水質偵測器20可設置於養殖池10內或是設置在水質處理模組40的管路中。
養殖池10供蓄積預定水位高度的養殖水，並可用來養殖水產生物，例如具有經濟價值的魚類、蝦類或貝類等。養殖池10具有循環出水端10a以及循環入水端10b。
水體循環單元30流體連通於循環入水端10b與循環出水端10a之間，使養殖水可多次循環流動。詳細而言，水體循環單元30包括一出水管路31、一進水管路32及一泵浦33。出水管路31連通於循環出水端10a，而進水管路32則連通於循環入水端10b，以使養殖池10內的養殖水可通過出水管路31進行水質處理之後，再通過進水管路32流入養殖池10內。泵浦33設置於進水管路32，以提供養殖水循環的動力，其例如是渦流式泵浦。
在本發明實施例中，水體循環單元30更包括設置於出水管路31上的第一控制閥34，及設置於進水管路32上的第二控制閥35。第一控制閥34靠近循環出水端10a，以控制由養殖池10流出的水量。第二控制閥35靠近循環入水端10b，以控制流入養殖池10內的水量。
水質偵測器20可用來偵測養殖水的水質，而獲得一水質資料。在一實施例中，水質資料可以包括水溫、氧化還原電位、酸鹼值、溶氧量、氨氮、總溶解固體及導電度。在本實施例中，水質偵測器20可設置在進水管路32內，以偵測流入養殖池10內的水質。在另一實施例中，水質偵測器20也可以設置在養殖池10內，直接偵測養殖池10內的水質。在另一實施例中，也可以在養殖池10與進水管路32內皆設置水質偵測器，以分別偵測養殖池10內以及進水管路32內的水質。
請參照圖1，水質處理模組40包括過濾單元41、純水供應裝置42、電解式氣體產生器43以及控制單元44。過濾單元41和電 解式氣體產生器43皆流體連通於水體循環單元30，用於對在水體循環單元30內流動的養殖水進行處理。
電解式氣體產生器43是通過電解水，以產生第一氣體A1及第二氣體A2。因此，純水供應裝置42連通於電解式氣體產生器43，以對電解式氣體產生器43供水。在本實施例中，純水供應裝置42包括一供水單元42a以及離子交換樹脂42b，其中供水單元42a所提供的水通過離子交換樹脂42b，去除溶解在水中的各種陰陽離子之後，再提供至電解式氣體產生器43。在一實施例中，供水單元42a可以是一儲水槽或者是一進水管路。
電解式氣體產生器43具有連通於水體循環單元30的第一輸出管43a及第二輸出管43b，以分別輸出第一氣體A1與第二氣體A2。在本實施例中，第一輸出管43a是連通於出水管路31，以在養殖水流入過濾單元41之前輸送第一氣體A1，使養殖水可與第一氣體A1混合。
在本發明實施例中，第一氣體A1可以是氧氣或者是包含氧氣與超氧的混合氣體。須說明的是，水溫高低與水中的溶氧量會影響水產養殖生物(如：魚類)的攝食量、飼料效率、蛋白質轉換效率以及體重等等。當溶氧量偏低時，魚群攝食率也會大幅下降。另外，當水溫偏高時，魚類所需的氧氣量也會偏高，因此需要增加水中的溶氧量。
因此，本實施例中，配合水溫來通入氧氣，以調節水中的溶氧量，可提供較適合的養殖環境，在不使用生長激素的情況下增加水產養殖生物的生長率(Final biomass)及提高飼料轉換率(FER)。
另外，超氧可用於處理水質，例如去除濁度，使亞硝酸鹽和總氨氣的濃度下降、減少總細菌量、降低生物需氧量(BOD)、總懸浮固體(TSS)、減少淡水和海水之病原菌、減少水中異味等等。超氧對於水產養殖生物的生長以及孵化並無不良的影響，因 此也可在卵孵化開始時通入超氧，以減少病原體對卵孵化的不良影響。在一些情況下，超氧可促進魚體傷口癒合及組織再生。基於上述，在養殖水中通入超氧，可改善水質，增加水產養殖生物的存活率，而可減少化學藥劑的使用，以減少環境汙染。
舉例而言，在養殖蝦時，為了控制和減少病原體，以抑制蝦疾病造成的損失，通常會使用循環封閉式水系統，並加入消毒劑後再加入氯和福馬林來抑制疾病爆發。然而，這將會產生藥劑殘留的問題。經實驗證實，在殺除大腸桿菌的速度上，超氧比氯快600至3000倍。另外，超氧也對弧菌有明顯的抑制效果。據此，超氧可減少水產生物的疾病發生率。
另外，第二輸出管43b是連通於進水管路32，以輸送第二氣體A2，使養殖水流回養殖池10之前可以和第二氣體A2混合。在本發明實施例中，第二氣體A2為氫氣。須說明的是，在特定條件下，氫氣有助於細胞治療，可幫助生物自癒合，而可減少藥劑的使用，從而減少化學藥劑殘留在魚體內的劑量。
在本發明實施例中，水質處理模組40也可包括連通於第一輸出管43a與出水管路31之間的第一儲氣槽(未圖示)，及連通於第二輸出管43b與進水管路32之間的第二儲氣槽(未圖示)。第一儲氣槽與第二儲氣槽可分別用來儲存電解式氣體產生器43所產生的第一氣體A1與第二氣體A2。
本發明實施例的電解式氣體產生器43為質子交換膜(proton exchange membrane,PEM)電解式氣體產生器。請配合參照圖2與圖3。圖2顯示本發明實施例的電解式氣體產生器的功能方塊圖，圖3顯示本發明實施例的水電解組件的示意圖。
進一步而言，本發明實施例的電解式氣體產生器43包括水電解組件430、可調式電源供應器431以及分離器432。
請參照圖3，水電解組件430包括電解器430a以及設置於電解器內的膜電極組430b，其中電解器430a連通於純水供應裝置 42。膜電極組430b包括一陽極4301、一陰極4302及一設置於陽極4301與陰極4302之間的質子交換膜4303。在本實施例中，是選擇披覆於碳布(carbon cloth)上的鉑(Pt)/碳黑作為陰極4302。構成陽極4301的材料和所產生的氣體種類相關，將於後文中進一步說明。
請再參照圖2，可調式電源供應器431電性連接水電解組件430，也就是電性連接於陽極4301與陰極4302，以構成電性迴路。當進行電解時，可調式電源供應器431提供膜電極組430b一電壓值，以將電解器430a內的水電解，而分別在陽極4301及陰極4302產生一第一氣體A1及一第二氣體A2，其中第二氣體為氫氣。
需說明的是，構成陽極4301的材料包括一添加物及一組成物，其中組成物包括全氟磺酸樹脂(Nafion)、聚四氟乙烯(PTFE)、硫酸(H2SO4)以及奈米碳管、石墨稀。全氟磺酸樹脂可作為黏著劑，聚四氟乙烯用以增強觸媒層結構。另外，硫酸可增加觸媒層內孔洞，以利於水分子進入，奈米碳管、石墨稀則可增加觸媒層導電度。
添加物可以選擇由銥、銥黑、氧化銥、釕、氧化釕、鉑、鉑銥、鈀、銥釕氧化物、銥釕鉭氧化物、錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物及其任意組合所組成的群組。
陽極4301的添加物的材料以及施加於膜電極組430b的電壓值大小可依據所欲產生的第一氣體的種類而選用。舉例而言，若在陽極4301所產生的第一氣體為氧氣，電壓值小於1.5V，且陽極4301的添加物為有助於氫氣及氧氣產生之催化劑，如銥、銥黑、氧化銥、釕、氧化釕、鉑、鉑銥、鈀、銥釕氧化物、銥釕鉭氧化物或其任意組合。
在另一實例中，若在陽極4301產生的第一氣體包括氧氣及 超氧，則電壓值需大於1.5V，且陽極4301的添加物為有助於超氧產生之催化劑，如錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物或其任意組合。
如前所述，電解式氣體產生器43於陽極4301與陰極4302所產生的第一氣體A1與第二氣體A2會分別由第一輸出管43a與第二輸出管43b通入在水體循環單元30內流動的養殖水。需說明的是，在電解之後，在陰極4302所產生的第二氣體(氫氣)會與水氣混合，因此須通過分離器432將第二氣體A2與水分離，而經過脫水後的氫氣才會經由第二輸出管43b輸出。
請再參照圖1，在本發明實施例中，控制單元44電性連接至可調式電源供應器431及水質偵測器20。控制單元44可接收由水質偵測器20所提供的水質資料，並根據水質資料控制可調式電源供應器431的電壓值，以控制電解式氣體產生器43所輸出的第一氣體A1的種類。
也就是說，藉由控制單元44來調整電解式氣體產生器43的電壓值，並配合選用不同的陽極4301，可以調整在陽極4301產生的第一氣體A1中氧氣與超氧比例。除此之外，氧氣與超氧的濃度比例也和電壓值的大小有關。隨著電壓值增加，第一氣體A1中的超氧的濃度也會增加。因此，控制單元44也可通過控制電壓值(至少大於1.5V)，來控制第一氣體中的氧氣與超氧的濃度比例。
在本發明實施例中，控制單元44內更儲存一對照表440，且對照表440記錄不同種類的養殖生物所對應的超氧濃度、氧氣濃度以及氫氣濃度，且控制單元44根據水質資料、養殖生物的種類與對照表，來調整電壓值，可調整養殖水的超氧濃度、氧氣濃度及氫氣濃度。據此，控制單元44可根據水質資料，控制氫氣、氧氣與超氧通入養殖水的時間點，以維護水質。
在本實施例中，水產養殖系統1更包括一與控制單元44連線 的雲端主機50以及一與雲端主機50連線的遠端監控裝置60。控制單元44將接收到的水質資料上傳至雲端主機50儲存，而遠端監控裝置60可通過雲端主機50接收水質資料。
進一步而言，遠端監控裝置60可以是使用者或者是系統設備維護者，可根據雲端主機50所儲存的水質資料，監控水產養殖系統1的運作情況。另外，使用者或系統設備維護者可通過遠端監控裝置60長期收集水質資料進行分析，以最佳化養殖環境。
控制單元44並可電性連接於第一控制閥34以及第二控制閥35。當養殖池10內的養殖水需要進行水質處理時，控制單元44可控制第一控制閥34以及第二控制閥35開啟，以使養殖水流入水體循環單元30，並控制可調式電源供應器431對膜電極組430b施加電壓，以產生第一氣體A1與第二氣體A2。當控制單元44判斷養殖池10內的水質已符合養殖生物生長需求時，即關閉第一控制閥34與第二控制閥35。
另外，在本發明實施例中，水產養殖系統1更包括供水端口70、設置於供水端口70的進水閥70a、排水端口80以及設置於排水端口80的排水閥80a。供水端口70流體連通至養殖池10，以另外供水至養殖池10內。排水端口80則流體連通於進水管路32，以排放經多次循環處理後的養殖廢水。
進水閥70a與排水閥80a皆電性連接於控制單元44，以控制進水與排水的流量。具體而言，當養殖池10內的養殖水經過預定次數的循環利用，而需要進行更換時，控制單元44可控制進水閥70a、第一控制閥34以及排水閥80a開啟，並控制第二控制閥35關閉。如此，可使養殖池10內的養殖廢水由循環出水端10a流入水體循環單元30內，通過出水管路31、過濾單元41以及進水管路32後，由供水端口70排出。
須說明的是，控制單元44仍可控制可調式電源供應器431對膜電極組430b施加電壓，產生第一氣體A1與第二氣體A2通入 將被排放的養殖廢水內，以進行初步殺菌與水質處理。如此，可避免大量養殖廢水排放時，對環境造成嚴重的汙染。
綜上所述，本發明實施例所提供的水產養殖系統可使養殖水多次循環利用，而可延長大量更換養殖水的週期。如此，可大幅降低水資源的消耗。
電解式氣體產生器所產生的氧氣、超氧及氫氣可用來處理水質，以去除濁度，使亞硝酸鹽和總氨氣的濃度下降、減少總細菌量、降低生物需氧量(BOD)、總懸浮固體(TSS)、減少淡水和海水之病原菌、減少水中異味等等，從而可最佳化水產養殖生物的養殖環境。除此之外，在排放養殖廢水之前，也可通過電解式氣體產生器所產生的氧氣、超氧以及氫氣對養殖廢水的水質進行初步的處理，以免養殖廢水對環境造成過度汙染。
本發明實施例的水產養殖系統也可在減少生長激素或是其他化學藥劑的情況下，增加水產養殖生物的生長率及提高飼料轉換率。如此，可避免藥劑殘留在水產養殖生物體內，或是殘留在養殖廢水中而汙染環境。
雖然本發明之實施例已揭露如上，然本發明並不受限於上述實施例，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露之範圍內，當可作些許之更動與調整，因此本發明之保護範圍應當以後附之申請專利範圍所界定者為準。
1‧‧‧水產養殖系統
10‧‧‧養殖池
10a‧‧‧循環出水端
10b‧‧‧循環入水端
20‧‧‧水質偵測器
30‧‧‧水體循環單元
31‧‧‧出水管路
32‧‧‧進水管路
33‧‧‧泵浦
34‧‧‧第一控制閥
35‧‧‧第二控制閥
40‧‧‧水質處理模組
41‧‧‧過濾單元
42‧‧‧純水供應裝置
42a‧‧‧供水單元
42b‧‧‧離子交換樹脂
43‧‧‧電解式氣體產生器
43a‧‧‧第一輸出管
43b‧‧‧第二輸出管
44‧‧‧控制單元
440‧‧‧對照表
A1‧‧‧第一氣體
A2‧‧‧第二氣體
50‧‧‧雲端主機
60‧‧‧遠端監控裝置
70‧‧‧供水端口
70a‧‧‧進水閥
80‧‧‧排水端口
80a‧‧‧排水閥

Claims (16)

  1. 一種水產養殖系統，其包括：一養殖池，以蓄積預定水位高度的養殖水，其中所述養殖池具有循環入水端以及循環出水端；一水體循環單元，其流體連通於所述循環入水端與所述循環出水端之間，所述養殖水通過所述水體循環單元以進行循環；一水質偵測器，其偵測所述養殖水的水質，以獲得一水質資料；以及一水質處理模組，其包括：一電解式氣體產生器，其流體連通於所述水體循環單元，其中所述電解式氣體產生器具有一用於輸出一第一氣體至所述水體循環單元的第一輸出管以及一用於輸出一第二氣體至所述水體循環單元的第二輸出管；以及一控制單元，其電性連接於所述電解式氣體產生器以及所述水質偵測器，其中所述控制單元接收所述水質資料，並根據所述水質資料調整所述電解式氣體產生器的電壓值，以控制所述電解式氣體產生器所產生的氣體種類與比例。
  2. 如請求項1所述之水產養殖系統，其中，所述水質處理模組包括一流體連通於所述水體循環單元的過濾單元，所述養殖水通過所述過濾單元以進行過濾。
  3. 如請求項2所述之水產養殖系統，其中，所述水體循環單元包括一進水管路、一出水管路以及一泵浦，其中所述養殖水通過所述出水管路流入所述過濾單元，所述養殖水通過所述進水管路流入所述養殖池，所述泵浦流體連通於所述進水管 路，以提供所述養殖水在所述水體循環單元內進行循環的動力。
  4. 如請求項3所述之水產養殖系統，其中，所述第一輸出管流體連通於所述出水管路，以將所述第一氣體輸入所述出水管路。
  5. 如請求項3所述之水產養殖系統，其中，所述第二輸出管流體連通於所述進水管路，以將所述第二氣體輸入所述進水管路。
  6. 如請求項3所述之水產養殖系統，其中，所述水質偵測器設置於所述進水管路內，以偵測所述養殖水流入所述養殖池之前的水質。
  7. 如請求項3所述之水產養殖系統，更包括一供水端口以及一排水端口，所述供水端口流體連通至所述養殖池，所述排水端口流體連通於所述進水管路，以排放經多次循環處理後的養殖廢水。
  8. 如請求項1所述之水產養殖系統，其中，當所述電壓值小於1.5V時，所述第一氣體為氧氣，所述第二氣體為氫氣。
  9. 如請求項1所述之水產養殖系統，其中，當所述電壓值大於1.5V時，所述第一氣體包括氧氣及超氧，所述第二氣體為氫氣。
  10. 如請求項9所述之水產養殖系統，其中，所述控制單元儲存一對照表，所述對照表記錄不同養殖物種所對應的超氧濃度、氧氣濃度以及氫氣濃度，且所述控制單元根據所述水質資料與所述對照表調整所述電壓值，以控制所述超氧濃度、所述氧氣濃度以及所述氫氣濃度。
  11. 如請求項1所述之水產養殖系統，其中，所述水質資料包括 水溫、氧化還原電位、酸鹼值、溶氧量、氨氮、總溶解固體以及導電度。
  12. 如請求項1所述之水產養殖系統，還包括一與所述控制單元連線的雲端主機以及一與所述雲端主機連線的遠端監控裝置，其中所述控制單元將所述水質資料上傳至所述雲端主機儲存，所述遠端監控裝置通過所述雲端主機接收所述水質資料。
  13. 如請求項1所述之水產養殖系統，其中，所水質處理模組還包括一純水供應裝置，其連接於所述電解式氣體產生器，以供水給所述電解式氣體產生器。
  14. 如請求項1所述之水產養殖系統，其中，所述電解式氣體產生器為質子交換膜(PEM)電解式氣體產生器，其包括：一水電解組件，其包括一電解器及設置於所述電解器內的膜電極組，其中所述電解器流體連通於所述純水供應裝置，所述膜電極組包括一陽極、一陰極以及一位於所述陽極與所述陰極之間的質子交換膜；以及一可調式電源供應器，其電性連接於所述陽極與所述陰極，以構成電性迴路，其中所述控制單元電性連接於所述可調式電源供應器，以調整所述可調式電源供應器所提供的電壓值。
  15. 如請求項14所述之水產養殖系統，其中，所述陽極包括一添加物以及一組成物，其中所述添加物選擇由銥、銥黑、氧化銥、釕、氧化釕、鉑、鉑銥、鈀、銥釕氧化物、銥釕鉭氧化物、錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物及其任意組合所組成的群組，所述組成物包括全氟磺酸樹脂、聚四氟乙烯、硫酸、奈米碳管以及石墨烯。
  16. 如請求項14所述之水產養殖系統，其中，該陽極包括一添加物及一組成物，其中當所述第一氣體包括氧氣及超氧時，該添加物為錫銻鎳合金、二氧化鉛、玻璃碳、硼摻雜金剛石、鉑鉭氧化物或其任意組合，所述組成物包括全氟磺酸樹脂、聚四氟乙烯、硫酸、奈米碳管以及石墨烯，且所述電壓值大於1.5V。
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