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生物分離工程全考點(diǎn)知識(shí)點(diǎn)生物分離工程第一章(緒論)生物分離工程的定義和過(guò)程生物分離工程定義(名詞解釋?zhuān)簽樘崛∩锂a(chǎn)品時(shí)所需的原理、方法、技術(shù)及相關(guān)硬件設(shè)備的總稱(chēng),指從發(fā)酵液、動(dòng)植物細(xì)胞培養(yǎng)液、酶反應(yīng)液和動(dòng)植物組織細(xì)胞與體液等中提取、分離純化、富集生物產(chǎn)品的過(guò)程。過(guò)程:目標(biāo)產(chǎn)物捕獲目標(biāo)產(chǎn)物初步純化(萃取、沉淀、吸附等方法)目標(biāo)產(chǎn)物高度純化和精制細(xì)胞分離三種手段:
重力沉降離心沉降過(guò)濾第二章離心分離原理和方法:原理:離心沉降是在離心力的作用下發(fā)生的。單位質(zhì)量的物質(zhì)所受到的離心力:式中:r為離心半徑,即從旋轉(zhuǎn)軸心到沉降顆粒的距離;ω為旋轉(zhuǎn)角速度;N為離心機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù),s-1方法:(1)差速離心分級(jí)(2)區(qū)帶離心(差速區(qū)帶離心、平衡區(qū)帶離心)離心分離設(shè)備:離心力(轉(zhuǎn)速)的大?。旱退匐x心機(jī)、高速離心機(jī)、超離心機(jī)按用途:分析性、制備性按工業(yè)應(yīng)用:管式離心機(jī)、碟片式離心機(jī)實(shí)驗(yàn)室用以離心管式轉(zhuǎn)子離心機(jī),離心操作為間歇式懸浮液的預(yù)處理方法和目的:方法:1.加熱:最簡(jiǎn)單和最廉價(jià)的處理方法。黏度、促凝聚、固體成分體積、破壞凝膠結(jié)構(gòu)、增加空隙率調(diào)pH值:方法簡(jiǎn)單有效、成本低廉2.凝聚:在凝聚劑(如鋁鹽、鐵鹽、石灰和NaCl)作用下,細(xì)胞蛋白質(zhì)等膠體去穩(wěn)定,并聚集成1mm大小的凝聚塊的過(guò)程。(機(jī)理:破壞雙電層,水解后膠體吸附,氫鍵結(jié)合等)3.絮凝:在絮凝劑高分子聚合電解質(zhì)的作用下,膠體顆粒和聚合電解質(zhì)交連成網(wǎng),形成10mm大小的絮凝團(tuán)過(guò)程。(機(jī)理:絮凝劑主要起中和電荷、橋架和網(wǎng)絡(luò)作用)4.惰性助濾劑:一種顆粒均勻、質(zhì)地堅(jiān)硬的粒狀物質(zhì),用于擴(kuò)大過(guò)濾表面的適應(yīng)范圍,減輕細(xì)小顆粒的快速擠壓變形和過(guò)濾介質(zhì)的堵塞。(使用方法:預(yù)涂層;按一定比率混合。助濾劑種類(lèi):硅藻土、纖維素、未活化的炭、爐渣、重質(zhì)碳酸鈣等。)目的:提高過(guò)濾速度和過(guò)濾質(zhì)量是過(guò)濾操作的目標(biāo)。各種細(xì)胞破碎技術(shù)原理和優(yōu)缺點(diǎn):原理:許多生物產(chǎn)物在細(xì)胞培養(yǎng)過(guò)程中保留在細(xì)胞內(nèi),需破碎細(xì)胞,使目標(biāo)產(chǎn)物選擇性地釋放到液相。破碎的細(xì)胞或其碎片去除后,上清液用于進(jìn)一步的分離純化。細(xì)胞破碎技術(shù)分為:機(jī)械破碎法、化學(xué)法、物理滲透法機(jī)械法和化學(xué)法的比較機(jī)械破碎法缺點(diǎn):A、高能、高溫、高噪音、高剪切力,易使產(chǎn)品變性失活;B、非專(zhuān)一性,胞內(nèi)產(chǎn)物均釋放,分離純化困難;C、細(xì)胞碎片大小不一,難分離?;瘜W(xué)破碎法缺點(diǎn):A、費(fèi)用高;B、化學(xué)或生化試劑的添加引起新的污染;C、破碎速度低,效率差,一般只有有限的破碎,常與機(jī)械法連用。物理滲透法優(yōu)點(diǎn):條件比較溫和,有利于目標(biāo)產(chǎn)物的高活力釋放回收。缺點(diǎn):破碎效率較低、產(chǎn)物釋放速度低、處理時(shí)間長(zhǎng)、不適于大規(guī)模細(xì)胞破碎,局限于實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的小批量使用。包含體的解決方法(一般步驟):(一)包含體的分離純化(二)包含體溶解(可溶性變性、還原蛋白質(zhì))(三)變性蛋白質(zhì)的復(fù)性和重新氧化(四)蛋白質(zhì)一般的分離純化第三章沉淀的概念與結(jié)晶的區(qū)別:沉淀:沉淀是物理環(huán)境的變化引起溶質(zhì)溶解度降低、生成固體凝聚物的現(xiàn)象。具有濃縮與分離的雙重作用。聯(lián)系:在本質(zhì)上都是新相析出的過(guò)程,主要是物理變化。區(qū)別:結(jié)晶為同類(lèi)分子或離子以有規(guī)則排列形式析出;沉淀為不定形的固體顆粒,構(gòu)成成分復(fù)雜,純度低。蛋白質(zhì)表面性質(zhì):1.蛋白質(zhì)表面由不均勻分布的荷電基團(tuán)形成的荷電區(qū)、親水區(qū)和疏水區(qū)構(gòu)成。2.蛋白質(zhì)水溶液呈膠體性質(zhì)3.使蛋白質(zhì)形成穩(wěn)定的膠體溶液、凝聚沉淀的因素:水化層和雙電層影響鹽析的因素:無(wú)機(jī)鹽(種類(lèi)、濃度)、溫度和pH值硫酸銨鹽析的特點(diǎn):價(jià)格便宜、溶解度大且受溫度影響很小、能穩(wěn)定蛋白質(zhì)(酶)。幾種沉淀的方法和優(yōu)缺點(diǎn):(鹽析沉淀、等電點(diǎn)沉淀、有機(jī)溶劑沉淀、熱沉淀的原理和優(yōu)缺點(diǎn))1.鹽析沉淀原理蛋白質(zhì)溶液的離子強(qiáng)度增大時(shí),蛋白質(zhì)表面的雙電層厚度降低,靜電排斥作用減弱。鹽離子的水化作用使蛋白質(zhì)表面疏水區(qū)附近的水化層脫離蛋白質(zhì),暴露出疏水區(qū)域,增大了蛋白質(zhì)表面疏水區(qū)之間的疏水相互作用,容易發(fā)生凝集,進(jìn)而沉淀。優(yōu)點(diǎn):鹽析廣泛應(yīng)用于各類(lèi)蛋白質(zhì)的初步純化和濃縮。在某些情況下還可用于蛋白質(zhì)的高度純化。缺點(diǎn):利用鹽析沉淀得到的目標(biāo)產(chǎn)物中含鹽量較高,一般在鹽析沉淀后,需進(jìn)行脫鹽處理,才能進(jìn)行后續(xù)的分離操作(如離子交換色譜)。2.等電點(diǎn)沉淀原理蛋白質(zhì)在pH值為其等電點(diǎn)的溶液中凈電荷為零,蛋白質(zhì)之間靜電排斥力最小,溶解度最低。利用蛋白質(zhì)在pH值等于其等電點(diǎn)的溶液中溶解度下降的原理進(jìn)行沉淀的方法稱(chēng)為等電點(diǎn)沉淀。優(yōu)點(diǎn):無(wú)需后續(xù)的脫鹽操作。缺點(diǎn):沉淀操作的pH過(guò)低時(shí),容易引起目標(biāo)蛋白質(zhì)變性。3.有機(jī)溶劑沉淀原理向蛋白質(zhì)溶液中加入丙酮或乙醇等水溶性有機(jī)溶劑,水的活度降低。隨著有機(jī)溶劑濃度的增大,水對(duì)蛋白質(zhì)分子表面荷電基團(tuán)或親水基團(tuán)的水化程度降低,溶液的介電常數(shù)下降,蛋白質(zhì)分子間的靜電引力增大,從而凝聚和沉淀。優(yōu)點(diǎn):有機(jī)溶劑密度較低,易于沉淀分離;與鹽析法相比,沉淀產(chǎn)品不需脫鹽處理缺點(diǎn):易引起蛋白質(zhì)變性,必須在低溫下進(jìn)行4.熱沉淀在較高溫度下,熱穩(wěn)定性差的蛋白質(zhì)發(fā)生變性沉淀。根據(jù)蛋白質(zhì)間熱穩(wěn)定性的差別進(jìn)行蛋白質(zhì)熱沉淀,分離純化熱穩(wěn)定性高的目標(biāo)產(chǎn)物。第四章膜分離技術(shù)的類(lèi)型:以濃度差為推動(dòng)力:透析以電場(chǎng)力為推動(dòng)力:電滲析以推動(dòng)力分類(lèi)以靜壓力差為推動(dòng)力:微濾;超濾;反滲透以蒸氣壓差為推動(dòng)力的過(guò)程:滲透氣化微濾(microfiltration,MF)超濾(untrafiltration,UF)反滲透(reverseosmosis,RO)以分離應(yīng)用領(lǐng)域分類(lèi)透析(Dialysis,DS)電透析(electrodialysis,ED)親和過(guò)濾(affinityfiltration,AF)滲透氣化(pervaporation,PV)分析比較反滲透、納濾、超濾和微濾的共同點(diǎn)和差別:微濾、超濾、納濾、反滲透相同點(diǎn):①膜兩側(cè)壓力差為推動(dòng)力;②按體積大小而分離;③膜的制造方法、結(jié)構(gòu)和操作方式都類(lèi)似。微濾、超濾、納濾、反滲透區(qū)別:①膜孔徑:微濾0.1-10mm>超濾0.01-0.1m>納濾0.001-0.01mm>反滲透小于0.001mm②分離粒子:微濾截留固體懸浮粒子,固液分離過(guò)程;超濾、納濾、反滲透為分子級(jí)水平的分離;③分理機(jī)理:微濾、超濾和納濾為截留機(jī)理,篩分作用;反滲透機(jī)理是滲透現(xiàn)象的逆過(guò)程:④壓差:微濾、超濾和納濾壓力差不需很大0.1-0.6MPa滲透氣化的原理和應(yīng)用:原理:疏水膜的一側(cè)通入料液,另一側(cè)抽真空,使膜兩側(cè)產(chǎn)生溶質(zhì)分壓差。在分壓差的作用下,料液中的溶質(zhì)溶于膜內(nèi),擴(kuò)散通過(guò)膜,在透過(guò)側(cè)發(fā)生氣化,氣化的溶質(zhì)被膜裝置外設(shè)置的冷凝器冷凝回收。疏水性較大的溶質(zhì)易溶于疏水膜,滲透速度高,在透過(guò)一側(cè)得到濃縮。優(yōu)點(diǎn):溶質(zhì)發(fā)生相變,透過(guò)側(cè)溶質(zhì)以氣體狀態(tài)存在,因此消除了滲透壓的作用,可在較低的壓力下進(jìn)行,適于高濃度混合物的分離。用途:利用溶質(zhì)之間膜透過(guò)性的差別,特別適用于共沸物和揮發(fā)度相差較小的雙組分溶液的分離。不對(duì)稱(chēng)膜的結(jié)構(gòu):膜在厚度上的孔道結(jié)構(gòu)不均勻,由起膜分離作用的表面活性層(0.2-0.5μm)和起支撐作用的惰性層(50-100μm)構(gòu)成。濃度極化:膜分離操作中,所有溶質(zhì)均被透過(guò)液傳送到膜表面,不能完全透過(guò)膜的溶質(zhì)受到膜的截留作用,在膜表面附近濃度升高。這種在膜表面附近濃度高于主體濃度的現(xiàn)象稱(chēng)為濃度極化。凝膠極化:當(dāng)膜表面附近的濃度超過(guò)溶質(zhì)的溶解度時(shí),溶質(zhì)會(huì)析出,形成凝膠層。分離含有菌體、細(xì)胞和其他固形成分的料液時(shí),也會(huì)在膜表面形成凝膠層。這種現(xiàn)象稱(chēng)為凝膠極化。截留相對(duì)分子量:一般將在截留率為90%的溶質(zhì)分子量定義為膜的截留分子量。過(guò)濾速度與壓力關(guān)系:流速傳質(zhì)系數(shù)隨流速的增大而提高。因此,流速增大,透過(guò)通量也增大。壓力1.當(dāng)Dp較小時(shí),無(wú)濃度極化層,Jv與Dp成正比,此時(shí):2.當(dāng)Dp逐漸增大時(shí),有濃差極化,Jv的增長(zhǎng)速率減慢,此時(shí):3.當(dāng)Dp繼續(xù)增加時(shí),形成凝膠層,且厚度隨壓力的增大而增大,所以Jv不再隨Dp的增加。此時(shí)的Jv為此流速下的極限值(Jlim),用方程:4.lim隨料液濃度上升而下降ˉ,隨流速(攪拌速度)上升而上升第五章問(wèn):根據(jù)弱電解質(zhì)的萃取理論分析為什么青霉素在酸性(pH≤2.5)條件下,而紅霉素卻要在堿性(pH≥9.8)條件下才能被萃取到丁酯中去呢?青霉素萃取反萃取青霉素是有機(jī)酸,pH值對(duì)其分配系數(shù)有很大影響。選擇適當(dāng)?shù)膒H,有利于提高青霉素的收率,還可根據(jù)共存雜質(zhì)的性質(zhì)和分配系數(shù)提高萃取的選擇性。1)青霉素萃取:較低pH下有利于青霉素在有機(jī)相中的分配。2)青霉素反萃?。簆H大于6.0時(shí),青霉素幾乎完全分配于水相中。雙水相系統(tǒng)是指某些高分子聚合物之間或高聚物與無(wú)機(jī)鹽之間在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙鈺?huì)形成互不相溶的兩水相或多水相系統(tǒng)。雙水相系統(tǒng)的概念,及常見(jiàn)的雙水相系統(tǒng):雙水相系統(tǒng):是指某些高分子聚合物之間或高聚物與無(wú)機(jī)鹽之間在水中以適當(dāng)?shù)臐舛热芙鈺?huì)形成互不相溶的兩水相或多水相系統(tǒng)。蛋白質(zhì)的分配平衡:靜電作用,疏水作用。液膜概念及液膜萃取的優(yōu)點(diǎn):液膜:由水溶液或有機(jī)溶劑(油)構(gòu)成的液體薄膜。液膜可將與之不能互溶的液體分隔開(kāi)來(lái),使其中一側(cè)液體中的溶質(zhì)選擇性地透過(guò)液膜進(jìn)入另一側(cè),實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)的分離。優(yōu)點(diǎn):液膜萃取可同時(shí)實(shí)現(xiàn)萃取和反萃取,這是液膜萃取法的主要優(yōu)點(diǎn)之一。乳狀液膜的膜溶液組成:(填空題)膜溶劑、表面活性劑
、添加劑液膜萃取三種機(jī)理:?jiǎn)渭冞w移
、反萃相化學(xué)反應(yīng)促進(jìn)遷移、膜相載體輸送問(wèn):為什么反膠團(tuán)萃取可用于蛋白質(zhì)類(lèi)生物大分子的分離純化?溶解的推動(dòng)力有哪些?反膠團(tuán)內(nèi)微水池的水可溶解氨基酸、肽和蛋白質(zhì)等生物分子,為生物分子提供易于生存的親水微環(huán)境。因此反膠團(tuán)萃取可用于蛋白質(zhì)類(lèi)生物大分子的分離純化。溶解推動(dòng)力有:靜電作用、空間相互作用、疏水性相互作用超臨界流體萃取的概念、優(yōu)點(diǎn)和用途:超臨界流體萃?。豪贸R界流體為萃取劑的萃取操作稱(chēng)為超臨界流體萃取。優(yōu)點(diǎn)和用途:超臨界流體粘度小、自擴(kuò)散系數(shù)大,萃取速度高于液體萃取,特別適用于提取固體內(nèi)有用成分。超臨界流體萃取設(shè)備和操作方法:(填空題)超臨界流體萃取設(shè)備通常由溶質(zhì)萃取槽和萃取溶質(zhì)的分離回收槽構(gòu)成,分別相當(dāng)于萃取和反萃取。根據(jù)萃取過(guò)程中超臨界流體的狀態(tài)變化和溶質(zhì)的分離回收方式不同,超臨界流體萃取操作主要分等溫法、等壓法和吸附法。第六章三種吸附作用力原理和各自脫附的方法:物理吸附:基于吸附劑與溶質(zhì)之間的分子間力。溶質(zhì)在吸附劑上吸附與否或吸附量的多少取決于溶質(zhì)與吸附劑極性的相似性和溶劑的極性??赏ㄟ^(guò)改變溫度、pH值和鹽濃度等物理?xiàng)l件脫附?;瘜W(xué)吸附:吸附劑表面活性點(diǎn)與溶質(zhì)之間發(fā)生化學(xué)鍵合、產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移現(xiàn)象,吸附穩(wěn)定,不易脫附。采用破壞化學(xué)鍵合的化學(xué)試劑洗脫劑脫附。離子交換:所用吸附劑稱(chēng)為離子交換劑,表面鍵合離子基團(tuán)或可離子化基團(tuán),通過(guò)靜電引力吸附帶有相反電荷的離子,吸附過(guò)程發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。一般通過(guò)提高離子強(qiáng)度或調(diào)節(jié)pH值的方法洗脫。離子交換劑的分類(lèi):1.陽(yáng)離子交換劑和陰離子交換劑2.按離子交換劑適用的生物分子大小分類(lèi):小分子類(lèi)交換劑和高分子類(lèi)交換劑固定床單柱吸附操作過(guò)程:膨脹床吸附的用途:分析化學(xué)、純化G6PDH、污染物治理等、醫(yī)藥第七章色譜法概念和原理:色譜法:是利用混合物中各組分在兩相中分配系數(shù)不同,當(dāng)流動(dòng)相推動(dòng)樣品中的組分通過(guò)固定相時(shí),在兩相中進(jìn)行連續(xù)反復(fù)多次分配,從而形成差速移動(dòng),達(dá)到分離的方法。色譜分離的分類(lèi):(填空題)按應(yīng)用目的分類(lèi):分析性色譜
、制備性色譜按固定相及流動(dòng)相的狀態(tài)分類(lèi):氣相色譜、
液相色譜、超臨界流體色譜按壓力分類(lèi):低壓色譜分離、中壓色譜分離、高壓色譜分離按分離機(jī)理分類(lèi):凝膠過(guò)濾色譜、離子交換色譜、反相色譜、疏水性相互作用色譜、親和色譜分配系數(shù):(名詞解釋?zhuān)?,cs和cm分別為組份在固定相和流動(dòng)相中的濃度。保留時(shí)間:(名詞解釋?zhuān)┰嚇訌倪M(jìn)樣到柱后出現(xiàn)峰極大點(diǎn)時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間。可用時(shí)間/距離/體積單位表示。保留體積:(名詞解釋?zhuān)┲笍倪M(jìn)樣開(kāi)始到被測(cè)組份在柱后出現(xiàn)濃度極大點(diǎn)時(shí)所通過(guò)的流動(dòng)相體積。柱效與流動(dòng)相關(guān)系柱層析三種方法凝膠過(guò)濾層析分配系數(shù)、凝膠過(guò)濾分配系數(shù)、洗脫次數(shù)和相對(duì)分子量的關(guān)系:凝膠過(guò)濾色譜操作中溶質(zhì)的分配系數(shù)m只是相對(duì)分子質(zhì)量、分子形狀和凝膠結(jié)構(gòu)(孔徑分布)的函數(shù),與所用洗脫液的pH值和離子強(qiáng)度等無(wú)關(guān)。蛋白質(zhì)在凝膠介質(zhì)中的分配系數(shù)隨相對(duì)分子質(zhì)量的增大而減小。排阻極限:指不能擴(kuò)散到凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的最小分子的相對(duì)分子質(zhì)量。溶脹率:溶脹后每克干凝膠所吸收的水分的百分?jǐn)?shù)。床體積:1g干燥凝膠溶脹后的體積。凝膠過(guò)濾色譜:原理:是利用凝膠過(guò)濾介質(zhì)為固定相,根據(jù)料液中溶質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量的差別進(jìn)行分離的液相色譜法。應(yīng)用:分離純化、脫鹽、相對(duì)分子質(zhì)量的測(cè)定洗脫方法:恒洗脫液洗脫離子交換色譜:原理:是以離子交換劑為固定相,根據(jù)荷電溶質(zhì)與離子交換劑之間靜電相互作用力的差別進(jìn)行溶質(zhì)分離的洗脫色譜法。應(yīng)用:分離純化生物產(chǎn)物洗脫方法:線(xiàn)性梯度洗脫法或逐次洗脫法。反相色譜:(概念)反向色譜(RPC)利用表面非極性的反相介質(zhì)為固定相,極性有機(jī)溶劑的水溶液為流動(dòng)相,是根據(jù)溶質(zhì)極性(疏水性)的差別進(jìn)行分離純化的洗脫色譜法。流通色譜:(概念)(灌注色譜)指利用含有大穿透孔的介質(zhì)為固定相的液相色譜法,其分離模式包括前述的各種吸附色譜。羥基磷灰石色譜吸附和洗脫的原理:吸附原理:羥基磷灰石色譜(HAP)的吸附主要基于鈣離子和磷酸根離子的靜電引力,即在HAP晶體表面存在兩種不同的吸附晶面,各存在吸附點(diǎn)C和P,分別起陰、陽(yáng)離子交換作用。洗脫原理:HAP色譜通常以磷酸鹽緩沖液為流動(dòng)相,采用提高鹽濃度的線(xiàn)性梯度脫法問(wèn):利用疏水性色譜分離A和B的混合物時(shí),在某操作條件下兩者分離度不理想,試述如何改善條件,提高分離度,說(shuō)明理由。(1)降低鹽濃度:疏水色譜中加入鹽有利于蛋白質(zhì)的吸附,鹽濃度越高,吸附容量越大。(2)加入添加劑(如乙二醇等):低濃度的添加劑有利于降低蛋白質(zhì)與配基之間的疏水作用力(3)降低鹽濃度和添加劑同時(shí)使用(4)降低洗脫操作溫度或降低洗脫液的PH值:溫度升高,疏水作用增強(qiáng),蛋白質(zhì)的保留值增加。無(wú)論P(yáng)H比pI大或小,都會(huì)使蛋白質(zhì)帶上電荷,此時(shí)如填料的配基不帶電荷,蛋白質(zhì)易于洗脫。{老師提的幾點(diǎn):(1)換填料(2)增加柱高(3)降低流速(4)降低進(jìn)料量}第八章生物親和作用的概念和本質(zhì):概念:生物物質(zhì),特別是酶和抗體等蛋白質(zhì),具有識(shí)別特定物質(zhì)并與該物質(zhì)的分子相結(jié)合的能力。這種識(shí)別并結(jié)合的能力具有排他性。生物分子間的這種特異性相互作用稱(chēng)為生物親和作用。本質(zhì):具有親和作用的分子對(duì)之間具有“鑰匙”和“鎖孔”的空間結(jié)構(gòu)關(guān)系。親和結(jié)合作用,還需存在特殊的相互作用力:靜電作用、氫鍵、疏水相互作用、配位鍵、弱共價(jià)鍵親和色譜原理和操作:原理:親和吸附是利用親和吸附作用分離純化生物物質(zhì)的液相色譜法。操作:與一般的固定床吸附操作相似,分進(jìn)料、雜質(zhì)清洗、目標(biāo)產(chǎn)物洗脫和色譜柱再生4個(gè)步驟。親和色譜填料的制備過(guò)程:一般包括載體的選擇、載體的活化和配基的連接。特異性和非特異性洗脫的特點(diǎn):特異性洗脫利用含有與親和配基或目標(biāo)產(chǎn)物具有親和結(jié)合作用的小分子化合物溶液為洗脫劑,通過(guò)與親和配基或目標(biāo)產(chǎn)物的競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合,
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