年产18万吨黑色啤酒糖化车间糊化锅设计分析.docx
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年产18万吨黑色啤酒糖化车间糊化锅设计分析
四川理工学院
课程设计书
题目：
年产18万吨黑色啤酒糖化车间糊化锅设计
学生：
系别
专业班级：
学号：
指导教师:
二〇一五年六月
四川理工学院生物工程学院
课程设计任务书
设计题目：
年产18万吨黑啤酒糖化车间糊化锅设计
课程名称：
生物工程设备专业：
班级：
学生姓名：
学号：
接受任务时间：
指导教师（签名）：
教研室主任：
（签名）
1.设计原始数据
产品：
12°黑色啤酒
生产原料：
65%麦芽粉，35%大米粉
生产天数：
旺季170天占生产任务的70%，
厂址:
四川某地
2．课程设计的主要内容及基本要求
（1）.糖化车间工艺论证；
（2）.糊化锅物料、热量衡算；
（3）.糊化锅设计计算及选型；（4）.图纸：
糊化锅装配图。
3．主要参考文献
（1）.顾国贤主编《酿造酒工艺学》中国轻工业出版社1996年
（2）.管敦仪主编《啤酒工业手册》（上、下）中国轻工业出版社1986年
（3）.吴思方主编《发酵工厂工艺设计概论》中国轻工业出版社2005年
（4）.梁世中主编《生物工程设备》中国轻工业出版社2005年
（5）.《化工设备设计全书》
（6）.《机械工程手册》（第二版）
4．进度安排
序号
课程设计各阶段名称
起止日期
1
工艺论证
06.10～06.13
2
工艺计算
06.13～06.15
3
糊化锅设计
06.15～06.17
4
图纸绘制
06.17～06.19
5
说明书撰写
06.19～06.24
注：
本表在学生接受任务时下达，一式两份，一份交学生，一份交教学办保存。
前言
啤酒是酒类中酒精含量最低的饮料酒，主要原料为大麦，而且营养丰富，人们适量饮用时，酒精对人体的毒害相对较小。
啤酒的历史悠久大约起源于9千年前的中东和古埃及地区，后跨越地中海，传入欧洲。
19世纪末，随着欧洲强国向东方侵略，传入亚洲。
中国近代啤酒也是这个时期传入的。
早在1977年7月2日在墨西哥举行的第9届“国际营养食品会议”上啤酒就被正式列为营养丰富食品。
据统计，除茶，碳酸饮料和牛奶外，啤酒与咖啡并列2001年世界人均消费量第四位，达到23L。
改革开放三十年来，中国啤酒工业迅猛发展。
2008年啤酒产量为4103.09万kL，连续七年超过美国成为世界第一啤酒生产主消费大国。
然而，在众多的啤酒产品中，黑啤酒可谓独树一帜，为啤酒行业的发展增添了生机。
黑啤酒，又称浓色啤酒，酒液一般为咖啡色或黑褐色，原麦汁浓度12度至20度，酒精含量在3.5%以上，其酒液突出麦芽香和麦芽焦香味，口味比较醇厚，略带甜味，酒花的苦味不明显，黑啤酒的营养成份相当丰富，除含有一定量的低分子糖和氨基酸外，还含有维生素C，维生素H，维生素G等。
其氨基酸含量比其它啤酒要高3至4倍。
而且发热量很高，每毫升黑啤酒的发热量大约100千卡。
因此，人们称它是饮料佳品，享有“黑牛奶”的美誉。
起源于德国，以慕尼黑啤酒最为著名。
一般的黑啤酒的源头可以追溯到明翰啤酒。
这种明翰啤酒就是19世纪下半叶在德国的明翰地区发展起来的下层发酵啤酒。
其特征是使用3种混合麦芽、减少啤酒酒花使用量、采用硬度较高的水酿制。
明翰啤酒是一种具有色浓、味香、有着柔和的麦芽香的啤酒。
黑啤酒目前在国内还比较少见，但是其越来越受到人们的重视，不仅是因为西风东渐使得黑啤酒成为一种新潮的时尚，并且黑啤酒还是具有丰富营养成份的啤酒。
国内的黑啤酒主要是由蓝带集团北京蓝宝出品的黑啤酒，蓝宝黑啤酒的瓶身全为黑色，还加上巨大的STOUTBEER的字样，以突出其和普通啤酒的与众不同。
这款产品在北京制造，保质期为一年。
前言..............................................
第一章、啤酒工艺选择与论证................................
第一节、原料与辅料…………………………………………
第二节、麦芽汁制备工艺……………………………………
2.1概述.......................................
2.2麦汁制造的工艺要求.........................
2.3麦芽与大米的粉碎...........................
2.4糖化原理...................................
第三节、啤酒发酵………………………………………………
3.1啤酒发酵机理...............................
3.2啤酒发酵..................................
第四节、成品啤酒.................................
第二章、啤酒工艺计算…………………………………………………
第一节、物料衡算……………………………………………
1.1物料衡算的意义……………………………………
1.2定额指标...................................
1.2糖化车间物料衡算.......................
第二节、热量平衡计算........................
第三节、工艺耗水量计算......................
第三章、糊化车间主要设备选型计算.......................
第一节、糊化锅................................
第二节、附加设备选型..........................
参考文献............................................
第一章、黑啤酒工艺选择与论证
第一节、原料与辅料
1.1.1特种麦芽
焦香麦芽的制作：
利用干麦芽制造焦糖麦芽。
先将麦芽在水中浸渍6～16h，捞出阴干，而后装入焙焦炉内，慢慢升温至60～65°C，经1.5～2h，使其充分糖化后再慢慢升温，在5～6h内达到焙焦温度，并保持此温度1～2h即可。
黑麦芽的制作：
将干麦芽加水浸渍6～8h，晾干后，装入炒麦机，并缓慢地加热升温至48～52°C，维持30～40min，进行蛋白质分解。
再加热65～67°C，进行为时20～30min的糖化，并排除余水。
然后，在30min内加热至160～180°C，促进美拉德反应，并不时冒白烟。
再加热至200～210°C，保持30min。
待闻及浓郁的焦香气味时，即加热至220～230°C，并保持10～20min。
最后，取出摊晾。
1.1.2辅料
以价格廉价而富有淀粉的谷物作为辅料可以提高麦芽汁收得率，制取廉价麦汁，以达到降低成本的目的。
大米是啤酒最常用的辅料，其特点是价格低廉，蛋白质、多酚物质和脂肪含量低于麦芽，而淀粉含量高于麦芽，本设计采用大米作为辅料。
1.1.3酿造用水
啤酒生产用水主要包括加工水及洗涤、冷却水两大部分。
加工水中投料水、洗糟水、啤酒稀释用水直接参与啤酒酿造，是啤酒的重要原料之一，在习惯上称酿造水。
啤酒酿造水的性质主要取决于水中溶解盐类的种类和含量、水的生物学纯净度及气味。
它们将对啤酒酿造全过程产生很大的影响。
因此，必须重视酿造用水的质量。
除必须符合饮用水标准外，还要至少应达到下表所列各项指标的要求。
序号
项目
单位
标准
1
色度
—
无色透明无沉淀
2
味度
—
无异臭味
3
pH
—
16.5-7.5
4
总盐
mg/lm/l
50-200
5
硬度
度
暂时硬度0-3；
永久硬度3-5；
总硬度2-8
1.1.4酒花的选择
酒花的化学组成中，对啤酒酿造有特殊意义的有三大成分为酒花精油、苦味物质和多酚。
根据设计要求，选取优质符合QB1668-93标准的一级颗粒酒花。
色泽：
浅黄绿色，有光泽，褐色花片少于2%。
香气：
富有浓郁的啤酒花香气，无异杂气味。
花体完整度：
花体基本完整。
夹杂物：
梗、叶等无害夹杂物不超过1.0%。
匀整度：
颗粒均匀、散碎度〈4.0%。
硬度：
≥60
。
崩解时间：
≤10s。
水分：
8.0%～12%。
-酸含量（以干态计）：
5.0%—7.0%。
-酸含量（以干态计）：
3.0%—4.1%。
酒花的品种酒花按世界市场上供应的可分为四类：
A类：
优质香型酒花。
优质香型酒花的α-酸含量为4.5％～5.5％，α-酸/β-酸的比值为1.1，酒花精油含量为2.0％～2.5％。
B类：
香型酒花（兼型）。
普通香型酒花的α-酸含量为5.0％～7.0％，α-酸/β-酸的比值为1.2～2.3酒花精油含量为0.85％～1.6％。
C类：
没有明显特征的酒花。
D类：
苦型酒花。
优质苦型酒花的α-酸含量为6.5％～10.0％，α-酸/β-酸的比值为2.2～2.6。
1.1.5啤酒酵母
酵母是生产所有酒类不可缺少的物质，酵母的种类很多，啤酒酿造中酵母的主要作用是降糖，产生二氧化碳和酒精。
但不是所有的酵母都可以用来酿酒，用来酿制啤酒的酵母大部分是经过人工培养的专用酵母，称之为啤酒酵母。
啤酒酵母又可分为上面发酵酵母和下面发酵酵母。
用上面发酵酵母酿造的啤酒，在发酵过程中，温度比较高，发酵时间比较短，发酵完毕以后，酵母大多漂浮在上面。
一般来讲，Ale,Stout这些种类的啤酒大多采用此种酵母。
相反，使用下面发酵酵母在酿制啤酒的发酵过程中，温度比较低，发酵时间比较长，发酵完毕之后，酵母大多沉聚在底部，值得一提的是，用来酿酒的酵母，均含有大量的蛋白质和多种氨基酸，维生素以及矿物质，特别是核酸，更具有抗老防衰的独特作用。
第二节、麦芽汁的制备工艺
1.2.1麦芽及辅料的粉碎理论
麦芽和谷物原料经过粉碎后才能很好的溶解，并且粉碎质量对糖化过程中物质的生化变化、麦汁组成、麦汁过滤和原料的利用率都有重要作用，从理论上讲，麦芽粉碎得越细其内含物的溶解就越迅速、越完全，化学和酶促反应更容易进行，因此就能获得最佳的收得率。
然而，在实际生产中，不能将麦芽粉碎的太细，因为麦芽和淀粉的颗粒各具不同的性质，麦芽的粉碎只需达到一定的程度即可。
1.2.2麦芽的粉碎
麦芽的粉碎可分为干法粉碎，湿法粉碎，回潮干法粉碎。
本设计采用的是连续浸渍湿法粉碎。
优点：
连续浸渍，浸渍和粉碎是连续作业，自动化程度较高，可实现对工艺参数的自动调节和计量显示，以及故障的控制。
连续浸渍湿式粉碎改进了原来湿式粉碎的两个缺点，麦芽浸渍时间比湿法粉碎要短的多，溶解均匀一致。
缺点：
结构复杂，价格高，维修费高，粉碎电负荷峰值大，粉尘损失大。
1.2.3辅料的粉碎
辅料常用的粉碎方法为干法粉碎，本设计采用的辅料的为大米，大米的粉碎多采用对辊粉碎机，粉碎要求细一些好。
1.2.4糖化的方法选择及论证
利用麦芽所含各种水解酶，在适宜的条件下，将麦芽和麦芽辅料中的不溶性高分子物资逐步分解为可溶性低分子物质，这个分解过程叫做糖化。
现在的啤酒厂一般采用浸出糖化法。
其方法的选择取决于原料的质量，产品的类型，设备状况等多种因素。
因为本次设计的任务是120黑色啤酒，由于用的是麦芽粉和大米粉，我选择双醪一次煮出糖化法。
原料的配比：
65%麦芽粉（浅色、焦香、黑麦芽），35%大米粉。
糖化：
在糖化中,麦芽的糖化分解,采用二段式糖化。
首先经过62.5℃糖化,此温度下糖化,麦芽中核苷酸、内切肽酶及
-淀粉酶均有活性,促进了核酸分解（形成核苷酸、及嘌呤、嘧啶）；内切肽酶还有一定活性,可补充蛋白质的分解,形成较多的可溶性氮（多肽）；
-淀粉酶在此段温度有最高活性,有利于形成较多的可发酵性糖。
此休止一般为20～40min。
随后再升至70℃进行第二段糖化,主要发挥
-淀粉酶的催化作用,提高麦汁收率。
二段温度糖化分解,对提高麦汁发酵度十分有利。
1.2.5糊化工艺论证
糊化是指淀粉与水共热后，在一定条件下变成半透明状胶体的现象。
淀粉乳受热后，在一定温度范围内，淀粉粒开头破坏，晶体结构消失，体积膨大，粘度急剧上升，呈粘稠的糊状，即成为非结晶性的淀粉。
各种淀粉的糊化温度随原料种类、淀粉粒大小等的不同而异。
操作过程如下：
将大米粉和麦芽粉投料，投料温度50℃，同时加入耐高温a－淀粉酶，及52℃酿造水，PH控制6.5，保温休止10分钟左右，以1℃/分钟的速率升温至93℃，保温20分钟左右；升温至101℃进行煮沸，煮沸20分钟左右，送入糖化锅进行兑醪。
1.2.6醪液过滤工艺
常用过滤的设备有压滤机和过滤槽，由于本设计要求短过滤时间，因此采用的方式是压滤机。
压滤机工作时间短，过滤后麦汁较清，麦汁收率高，可自控，自动化程度高，洗糟水用量少。
工艺过程如下：
1、麦醪过滤前，先用80℃的热水进行预热以及排除机内空气。
2、排除预热水，并同时泵入糖化醪。
3、泵入糖化醪初即打开压滤机麦汁排出阀，边装醪，边滤出头号麦汁头号麦汁较浑浊，回流至糖化锅进行再次过滤。
4、头号麦汁滤完，立即泵入洗糟水，充分洗出糟吸附的麦汁。
5、洗糟结束，再通入压缩空气，挤出糟吸附的残留麦汁，提高收率。
6、解开压滤机，排出麦糟，洗涤滤布。
1.2.7麦汁的煮沸和酒花的添加
煮沸的目的:
（1）蒸发水分、浓缩麦汁
（2）钝化全部酶和麦汁杀菌（3）蛋白质变性和絮凝（4）酒花有效组分的浸出（5）排除麦汁中特异的异杂臭气。
麦汁的容量已盖满煮沸锅的加盐层时,即开始加热了,使麦汁维持在70～80℃之间,防止菌酸菌等产菌污染,待麦糟洗涤结束后即加大蒸汽量,使麦汁达到沸腾。
本设计采用外加热煮沸锅,可以防止局部过热,引起麦汁色度加深和加热面结垢,清洗困难。
煮沸强度10%,1.5小时煮沸时间,加入石膏调pH。
添加酒花的目的:
（1）赋予啤酒爽快的口感
（2）赋予啤酒特殊的香气（3）保持啤酒的非生物稳定性
添加方法：
第一次，煮沸5～15min后，添加总量的5%～10%，主要是消除煮沸物的泡沫；第二次，煮沸30～40min后，添加总量的55%～60%，主要是萃取
-酸，并促进异构；第三次，煮沸80～85min后，加剩余酒花，主要是萃取酒花油，提高酒花香。
1.2.8麦汁的处理
热凝固物分离工艺，采用回旋沉淀槽法。
热麦汁由双向切线方向进槽,在槽内回旋产生离心力。
由于受槽内运动离心力的作用，力的合力把颗粒推向槽底中央。
该设备占地面积小,加工容易投资也少。
如不分离热凝固物,在发酵中,会引起热凝固物吸附大量酵母,使发酵不正常。
同时在发酵中被分散,将来进入啤酒,影响啤酒的非生物稳定性。
技术条件：
（1）麦汁液面与槽直径比1:
2～3。
（2）槽底部向出口倾斜1～2%便于凝固物中麦汁缓慢流出。
（3）麦汁进口速度10～16m/s（泵能力）。
（4）进料时间12～20min,麦汁静置时间30～40min。
（5）麦汁切线进口位置约在麦汁高度1/3处。
1.2.9麦汁冷却工艺
采用一段冷却方式，冷却设备为薄板冷却器，冷媒为2℃冰水，对流换换热。
薄板冷却器的优点：
占地面积小，麦汁不容易受到污染，清洗和和杀菌比较简单，冷却效率高。
另外麦汁中的热能可通过冷却水的升温，回收利用。
综合上述考虑，采用薄板冷却器。
第三节、啤酒发酵
1.3.1发酵工艺
冷却后的麦汁添加酵母以后，便是发酵的开始。
整个发酵过程可以分为：
酵母恢复阶段，有氧呼吸阶段，无氧呼吸阶段。
酵母接种后，在麦汁充氧的条件下，恢复其生理活性，以麦汁中的氨基酸为主要氮源，可发酵性糖为主要碳源，进行呼吸作用，并从中获取能量而增殖，同时产生一系列的代谢副产物，此后便在无氧的条件下进行酒精发酵。
酵母恢复阶段：
酵母细胞膜的主要组成物质是甾醇，当酵母在上一轮繁殖完毕后，甾醇含量降的很低，因此当酵母再次接种的时候，首先要合成甾醇，产生新的细胞膜，恢复渗透性和进行繁殖甾醇的生物合成主要在不饱和脂肪酸和氧的参与下进行，合成代谢的主要能量来源由储藏细胞内的肝糖和海藻糖提供。
下一阶段，酵母细胞基本不繁殖，即所谓的酵母停滞期。
一旦细胞膜形成，恢复渗透性，营养物质进入，酵母立即吸收糖类提供的能量，肝糖再行积累，供给下一次接种使用。
有氧呼吸阶段：
此阶段主要是指酵母细胞以可发酵性糖为主要能量来源，在氧的作用下进行繁殖。
无氧呼吸阶段：
在此发酵过程中，绝大部分可发酵性糖被分解成乙醇和二氧化碳。
这些糖类被酵母吸收，进行酵解的顺序是葡萄糖，果糖，蔗糖，麦芽糖，麦芽三糖。
1.3.2酵母的添加和前发酵
酵母的添加：
本设计采用干道法添加酵母：
在酵母添加器中加入每批麦汁所需的酵母泥，再加上二倍量的冷却麦汁用无菌压缩空气充分混合，压到前酵池中，再用无菌空气搅拌均匀即可。
前发酵：
所谓前发酵，就是指接种酵母泥处于休眠阶段，酵母和麦汁接触后，有较长（数小时至十小时）的生长滞缓期，之后才能加入出芽繁殖，当酵母克服生长缓滞期，出芽繁殖细胞浓度达到20×106个/ml，发酵麦汁表面开始起泡，此阶段即为前发酵。
1.3.3啤酒主发酵和后发酵
主发酵前期酵母吸收麦汁中氨基酸和营养物质，应用糖类发酵合成细胞并产生热量。
此时糖下降比较缓慢，而氨基氮下降迅速。
此阶段大量废热产生，必须进行冷却。
发酵后期应逐步降低温度，使发酵温度趋近后酵温度。
主发酵结束后，下酒至密闭式后发酵罐前期进行后发酵，后期进行低温储藏。
后酵和储酒的目的是：
糖类继续发酵、促进啤酒风味成熟、增加CO2溶解、促进啤酒澄清。
1.3.4啤酒的过滤和贮酒
过滤的目的：
发酵结束的成熟啤酒，虽然大部分蛋白质和酵母已经沉淀，但仍有少量物质悬浮于酒中，必须经过澄清处理才能进行包装。
啤酒过滤的目的：
除去酒中的悬浮物，改善啤酒外观，使啤酒澄清透明，富有光泽；除去或减少使啤酒出现浑浊沉淀的物质（多酚物质和蛋白质等），提高啤酒的胶体稳定性（非生物稳定性）；除去酵母或细菌等微生物，提高啤酒的生物稳定性。
1.3.5成品啤酒
经过后发酵的成熟酒，大部分蛋白质颗粒和酵母已沉降，少量悬浮于酒中，必须滤除后才能包装。
啤酒过滤的常用方法有：
1.滤棉过滤，2.硅藻土过滤，3.板式过滤，4.离心分离法，5.微孔薄膜过滤法。
啤酒过滤操作原则是：
产量大，质量高，损失小，劳动条件好，CO2损失小，不易污染，不影响风味，啤酒不吸氧。
第二章、工艺计算
第一节、物料衡算
2.1.1物料衡算的意义
物料衡算是指理论上进行上产时，所要消耗的物料和可以得到的产品以及副产品的量，物料衡算的准确与否关系到整个生产工艺的合理性，和设计的可行性，是整个设计阶段的重要一环。
2.1.2物料衡算基础
原料配比：
麦芽：
大米：
焦麦芽：
黑麦芽＝45％:
35％:
10％:
10％
项目
名称
%
说明
定额指标
原料利用率
98.5
麦芽水分
6
大米水分
13
焦麦芽
4
黑麦芽
2
无水黑麦芽
70
无水焦麦芽
72
无水麦芽浸出率
75
无水大米浸出率
95
原料配比
麦芽
45
大米
35
焦麦芽
10
黑麦芽
10
损失率
冷却损失
3
对热麦汁而言
发酵损失
1
过滤损失
1
装瓶损失
1
总损失率
啤酒总损失率
6
对热麦汁而言
2.1.3100kg原料生产12°黑啤酒的物料衡算
（1）热麦汁量
原料麦芽收得率:
75％×（1-6%）=70.5%
原料大米收得率:
95％×（1-13%）=82.65%
黑麦芽收得率：
70％×（1-2%）=68.6％
焦麦芽收得率：
72％×（1-4%）=69.12％
混合原料收得率：
（45％×70.5％＋35％×82.65％+10％×68.6％+10％×69.12％）×98.5%＝73.3％
由上述可得100kg混合原料可制得12°热麦汁为：
（73.3÷12）×100=610.83（kg）
又知12°麦汁在20℃的相对密度为1.047，而100℃热麦汁比20℃的麦汁体积增加1.04倍，故热麦汁（100℃）的体积为：
（610.83÷1.047）×1.04=606.75（L）
（2）冷麦汁量：
606.75×（1-0.03）=588.55（L）
（3）发酵液量：
588.55×（1-0.01）=582.66（L）
（4）过滤酒量：
582.66×（1-0.01）=576.83（L）
（5）成品啤酒量：
576.83×（1-0.01）=571.06（L）
2.1.4生产100L12°黑啤酒的物料衡算
根据上述衡算结果知，100kg原料生产12°成品啤酒量为571.06L故可得出下述结果：
（1）生产100L12°黑啤酒需用原料量:
（100÷571.06）×100=17.51（kg）
（2）麦芽耗用量：
17.51×45％=7.88（kg）
（3）黑麦芽耗用量:
17.51×10%=1.75（kg）
（4）焦麦芽耗用量：
17.51-7.88-6.13-1.75=1.75（kg）
（5）大米耗用量：
17.51×35％=6.13（kg）
（6）酒花耗用量：
100L热麦汁加入酒花量定为0.2kg,故酒花用量为：
（606.75÷571.06）×100×0.2％=0.212（kg）
同理，100kg原料耗酒花：
571.06÷100×0.212=1.21（kg）
（7）.热麦汁量：
（606.75÷571.06）×100=106.25（L）
（8）.冷麦汁量：
（588.55÷571.06）×100=103.06（L）
（9）.发酵液量：
（582.66÷571.06）×100=102.03（L）
（10）.滤过酒量：
（576.83÷571.06）×100=101.01（L）
（11）.成品酒量：
（571.06÷571.06）×100=100.0（L）
（12）.湿糖化糟量：
设排出的湿麦糟含水分80%
湿麦芽糟量：
[（1-0.06）×（100-75）÷（100-80）]×7.88=9.26（kg）
湿大米糟量：
[（1-0.13）×（100-95）÷（100-80）]×6.13=1.33（kg）
黑麦芽糟量为：
[（1-0.02）×（100-70）÷（100-80）]×1.75=2.57（kg）
焦麦芽糟量：
[（1-0.04）×（100-72）÷（100-80）]×1.75=2.35（kg）
故湿糖化糟量为：
9.26＋1.33+2.57+2.35=15.51（kg）
同理，100kg原料湿糖化糟量为：
571.06÷100×15.51=88.57（kg）
（13）酒花糟量：
设酒花在麦汁中的浸出率为40%，酒花糟含水分以80%计，则酒花糟量为：
[（100-40）÷（100-80）]×0.212=0.636（kg）
同理，100kg原料酒花糟量：
571.06÷100×0.636=3.63（kg）
2.1.5年产18万吨12°黑色啤酒糖化车间物料衡算表
该厂旺季170天占生产任务的70%，则旺季日产量为：
180000×70%÷170=741.18（吨/天）
设生产旺季每天糖化6次，旺季总糖化次数为1020次（淡季根据需要酌情调整糖化次数），可算得每次糖化可产成品啤酒量（灌装后）为：
741.18÷6=123.53（吨/次）
由此可算出每次投料量和其它项目的
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