钢铁丛林中的粮仓--垂直农场

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集装箱创新者 发表于 2020-12-28 19:26:47 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
2020年12月24日,农业农村部宣布,今年粮食种植面积达到了17.52亿亩,比上年增加1056万亩,扭转了连续4年下滑的势头,总产量达到13390亿斤,比上年增加113亿斤,连续6年保持在13000亿斤以上。全国粮食人均占有量达到了480公斤左右,高于400公斤的国际粮食安全标准线。

然而,这并不意味着粮食安全可以掉以轻心,国家也一直在强调要确保18亿亩耕地红线,节约粮食的甚至已经立法-12月22日,十三届全国人大常委会第二十四次会议初次审议《中华人民共和国反食品浪费法(草案)》。

垂直农场,从实验到商用


到2050年,全球将有七成的人居住在都市,城市必须供养70亿人口。如果用传统的土壤耕作,还需要增加一整个巴西的耕作面积,才有可能养得活这么多的人,但是高楼林立的城市里,哪里生得出这么多土地呢?如果城市能够盖出摩天大楼,有可能盖起摩天农场吗?

为了解决城市粮食供应的问题,垂直农场应运而生。城市垂直农场把水平的农场,改造成种满植物的摩天大楼,用营养液代替土壤,用LED灯取代阳光,这些彷佛科幻小说的情节,在各领域专家的努力下,正一步步成真。垂直农法在密闭的空间种植农作物,压缩了空间,让效益极大化,除了节约土地,也节约用水量,用水仅是传统土壤种植的十分之一。可以楼上种菜,楼下卖菜的垂直农场,也大大缩短了食物里程,减少食物长途运送的资源浪费。

垂直农场自诞生以来,经历了多年的技术迭代和发展,现在正在渐渐走向商用,期待未来能够为解决粮食问题提供新的解决方案。下面我们就一起来看看垂直农场这些年的发展。

垂直农场为饥饿的城市提供光明的未来 2014



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长大


垂直农场仍处于概念阶段。这个想法是在市区的高层建筑中多层次种植农作物。这并不是一个全新的命题,建筑师肯·扬(Ken Yeang)提出了在1980年代在混合用途摩天大楼中种植高层植物的愿景。国际领先的垂直农场倡导者迪克森·德斯波米耶教授(Dickson Despommier)将其描述为解决世界城市粮食需求的“全球解决方案”。

垂直农场确实具有许多优势。它们将使我们一年四季可以少用水70%来生产农作物。我们不需要使用农用化学品,并且可以避免在更传统的农业中会影响产量和质量的不利环境因素。如果首先在城市地区种植食物,我们就可以消除将食物运输到城镇的财务和环境成本。

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垂直农场设计概念图


长大的烦恼


从某些方面来说,垂直农场现在是一种实际的可能性。就植物生长和构造而言,它所需要的技术是可用的。例如,我们已经可以种植没有土壤的植物,并回收用于提供清洁室内农业的水。一种选择是在植物的根部生长于水中的水培法中。这种植物栽培技术可以与传统的水产养殖相结合来养鱼或对虾,这是一种被称为水培法的养殖技术。种植植物的另一种方法是航空植物学,它涉及通过向根部喷洒富含营养的水溶液来配置悬浮的植物。

但是,尽管自从首次提出该概念以来已有多年,而且气候变化的压力仍在继续增加,但垂直农业依旧不是现实。最大的两个问题是财务和技术可行性,尤其是在实际建造这些高层空间时。

垂直农场需要当代的建筑材料和可再生能源系统。阳光反射和收集装置(例如光架,光导管和光纤)可以将自然光传递到建筑物深处,从而为光合作用提供能量。

LED的发展使垂直农场无需阳光就可以运行,但目前的成本和能源消耗令人望而却步。一个60公顷的垂直农场的初始成本很容易超过1亿美元,这在目前是不现实的。但这可能会改变,因为随着技术的发展价格会迅速下降。显而易见的解决方案是将适合条件的自然光与LED集成到建筑物的其他部分。


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拟建中的垂直农场内


同时,投资者可能会远离。垂直农场集成了先进技术,因此要想产生诱人的效果,就必须具有相对较大的规模。据估计,一个10层高的垂直农场的投资回报率约为8%,而投资者通常要求的最低回报率为10-12%。而且,由于开发新型建筑物涉及风险,因此,投资者实际上更希望获得约15%的年收益。同样,经济上的可行性无疑需要伴随着技术的进步。

实现它


解决所有这些问题的工作正在取得进展,因此下一步实际上将是在城市位置建立一个原型垂直农场并使其运行。为了确保这项技术能奏效,需要在更现实的环境中构造一个高层建筑。如果可行,才有可能进行后续项目。

为了使垂直农业成为现实,需要愿意参与的政府和先锋组织的支持。如果他们这样做,我们可以为粮食安全做出巨大贡献,并可以改变世界各地城市居民的日常生活。有超过26个城市的人口超过1000万,每个城市需要进口多达7,000吨的食品来养活自己的居民-垂直农场可以作为更可持续的替代方案之一。

装在盒子里的农场:将集装箱重新用于新鲜农产品 2016



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运输集装箱已变成房屋,艺术品,甚至是游乐场。现在,波士顿的一家公司正在将它们回收再利用到高科技的移动农场中,希望为农业带来更多创新。

货运农场和其他室内农业公司正在寻求通过在非传统空间(例如仓库,工业建筑和集装箱)中种植水果和蔬菜来满足对高质量,本地种植和可持续生产的不断增长的需求。

他们正在使用水培法和其他长期使用的方法来种植没有土壤的植物,并采用能够自动完成大部分工作并减少浪费的技术。

Freight Farms的首席执行官兼联合创始人布拉德·麦克纳马拉(Brad McNamara)说:“食品系统需要围绕当今可用的技术和设备进行设计。” “它是100年前设计的,没有合适的技术来达到所需的水平。整个系统需要现代化。”

该公司表示,其“绿叶绿化机”可帮助农民生产出始终如一的丰收作物(大约相当于一英亩农田的典型产量),同时节水量减少90%,无农药,仅占320平方英尺。

气候控制,自动照明和灌溉系统以及用于远程监控和维护农作物的移动应用程序,也使农民可以在最小的监督下全年生长。

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公司总裁兼联合创始人乔恩·弗里德曼(Jon Friedman)说:“开一个农场要咨询很多人。” “因此,我们建立了一个系统,该系统甚至为新手提供了生产数千种植物并将其投放市场的工具。”

到目前为止,Freight Farms的客户表示,收益超过成本,其中包括2016年型号的基础价格为$ 82,000,以及每年约8,000至$ 16,500的电力,水和不断增长的供应成本。

底特律农产品批发商拉格拉索兄弟公司(LaGrasso Bros.)首席运营官托马斯·拉格拉索三世(Thomas LaGrasso III)说:“货运农场的美丽之处在于其易用性和移动性。自9月以来,该部门一直在种植生菜。“我们收获以满足客户的日常需求。您再也不用担心没有新鲜蔬菜了。”

成立于2010年的Freight Farms被视为集装箱农场的先驱。美国大约有六家其他公司向他们提供这些服务,其中包括位于北卡罗来纳州克林顿的CropBox;达拉斯的种植者;和亚特兰大的PodPonics。

Freight Farms已售出54台Leafy Green机器,其中的一部分已经在加利福尼亚州山景城Google的校园中投入使用;长岛的石溪大学;还有位于马萨诸塞州剑桥市的餐厅Four Burgers。


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在2015年12月8日的照片中,莴苣幼苗在蓝色集装箱内的集装箱中长大,货运集装箱变成了波士顿的菜园。

这家位于波士顿的公司正在将运输集装箱重新用作流动农场。Freight Farms出售装有高科技水培设备的320平方英尺的集装箱,该设备能够在任何气候下为两英亩的农田带来典型的产量,并减少90%的用水。

该公司推荐的大多数货运农场客户营业额颇高,紧凑型农作物产量正变得越来越高,比如甘蓝、羽衣甘蓝和瑞士甜菜等青菜;根据McNamara和Friedman的说法,还包括薄荷罗勒和牛至等草药,并出售给当地的餐馆、杂货店和社区市场。

美国农业部马萨诸塞州农业服务局负责人乔恩·尼泽斯基(Jon Niedzielski)说,他的办公室已经批准了一些使用Freight Farms集装箱向农民提供的贷款。

他说:“高效的水耕系统需要很少的开放空间,这很有意义,尤其是在有大量潜在消费者愿意全年为生菜和草药支付最高费用的城市地区。”

业内专家警告说,前期成本和年度运营费用(例如经常每天运行18小时的照明系统用电)可能对潜在的农民来说意味着微薄的利润。

但是他们也暗示技术的进步正在帮助使室内种植更加可行。

“我认为要使这些系统真正具有可持续性还需要一些发展,”纽约城市农业顾问,德国垂直农业协会北美地区经理安德鲁·卡特说。“但是我坚信室内农业和小规模种植,并认为它将提供健康、可持续和当地的食品。”

迪拜的垂直农业有助于缓解自身供应链的压力 2018.7



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Crop One和阿联酋航空餐饮(EKFC)成立了一家价值4000万美元的合资企业,在阿拉伯联合酋长国迪拜建设世界上最大的垂直农业设施。

垂直农场设施将占地130,000平方英尺,产量相当于900英亩的农田。该设施将在阿勒马克图姆国际机场附近建设。

将其放置在机场附近是垂直农场优势的一个例子,因为垂直农场可以在任何气候条件下的任何地方建造,而且这里靠近消耗点意味着运输中的碳排放量减少。阿联酋航空餐饮的客户包括105家航空公司和25个机场贵宾室。

该工程将于11月开始,该设施将花费大约一年的时间来完成。

迪拜被选为垂直农业的场所并不令人惊讶,因为该设施与阿联酋推动更多农业自给自足的努力相吻合,也与迪拜将自己提升为创新中心的努力相吻合。

阿联酋航空公司和集团负责人谢赫·艾哈迈德·本·塞德·阿勒·马克图姆殿下说:“在我们的运营中引入最新技术,我们确保了本国的优质本地采购新鲜蔬菜供应链,同时减少我们的环境足迹。”

垂直农场的关键参与者就是这个作物一号。Crop One Holdings首席执行官Loonia Lo在视频中详细介绍了该农场将完成的工作,以及为什么垂直耕作具有独特的优势,因为这种方式可以使人类满足可持续发展的未来对粮食的需求。

Lo表示完全相信“垂直农业确实是农业的未来”。

从根本上说,她和其他地方的垂直农业竞争者都希望利用植物科学来更好地理解如何种植和获取食物。

早在2015年,该公司就对该概念进行了研究,并试图确定对该术语的描述。垂直耕作是在“摩天大楼”温室或垂直倾斜的表面上种植植物。

温度、湿度、光线、水和植物养分处于受控环境中,并且可以位于任何地方。Lo说:“今年,我们每天要增加5.3吨的产能,这使我们成为世界上最大的垂直农场运营商和开发商。”

Crop One Holdings是模块化种植者。他们利用密封的箱子。他们的清洁环境没有杀虫剂、没有除草剂。在采访中,Lo提到今年将有更多农场上线。

她说:“到今年年底,我们的日产量将达到6吨。” 她指出,他们的用水量远远少于正常农业所需的用水量。在其中一个单位中,他们每年使用18,000加仑的水,而在同一年中,一个田地将需要4,600万加仑的水才能种植相同量的食物。

在一个1英亩的农场中,他们种植了约400英亩的食物。

同时,一个专注于可持续农业和食品系统的网站,名为Civil Eats,提供了有关垂直农业的观点,以检验它是否真的是我们未来食品供给的灵丹妙药。标题清楚地说明了这一点。“垂直农场能否收获收成?这是所有人的赌注。” 该行业是一个相对较新的行业,对其生存能力进行的同行评议研究将能够评估全局(包括碳足迹,盈利能力和可扩展性等因素)。

在10月的《康奈尔纪事报》(Cornell Chronicle)的新闻中说,在受控环境中(在温室,植物工厂和垂直农场中)种植作物提供了常规农业的替代品,但“几乎没有具体证据显示所谓的受控环境农业(CEA)在能源、碳和水足迹、盈利能力、劳动力发展和可扩展性方面与传统的田间农业相比。”报告说,康奈尔大学将领导一项解决这些问题的项目,并获得美国国家科学基金会的三年资助。

技术进步促进了纽约垂直农场的发展 2019.2



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Bowery Farming的一名员工正在检查他们在新泽西州Kearny的水耕农业公司种植的一些蔬菜


纽约附近Bowery Farming仓库的工人装备已经升级,换来了可实时读取光线和水状况的平板电脑。

Bowery于2015年推出,是快速发展的垂直农业运动的一部分,该运动在受控的人造环境中采用最新技术,全年在室内种植新鲜蔬菜。

这种做法的拥护者认为,在人口增长且气候变化的时候,垂直农业是满足世界粮食需求的关键工具。

该公司首席执行官兼联合创始人欧文·法恩(Irving Fain)表示,该公司位于新泽西州科尔尼的工厂比传统农场使用的资源更少,并且不使用农药。

Fain说:“我一生都对技术充满信心,因为它不仅能够解决难题,而且能够解决重要问题。” Fain以前经营着一家公司,为大公司的忠诚度计划提供数据分析。

Bowery雇用的程序员多于农业科学家。该公司表示,其算法的使用使它的面积比传统农场提高了100倍,用水量也减少了95%。

降低电费


在日本和其他一些地方早已实行垂直农业,但是直到最近的技术飞跃使之可行之后,垂直农业才在美国开始普及。


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Bowery Farming的首席执行官兼联合创始人Irving Fain谈到了他的水培蔬菜


LED灯泡是关键组成部分,LED灯泡使室内农户能够大幅削减电费。但是Bowery还大量使用机器人技术和人工智能来控制价格。

Fain说,这些新工具的结合“就是我们如何真正重新思考下个世纪及以后的农业状况。”

该公司还从包括Google Ventures和Uber首席执行官Dara Khosrowshahi在内的科技巨头那里获得了1.2亿美元资金。

硅谷的资金也推动了总部位于旧金山的Plenty的发展,Plenty是另一家著名的垂直农业公司,该公司已经从亚马逊首席执行官Jeff Bezos,软银等公司那里获得了超过2亿美元的投资。

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鲍里农场(Bowery Farming)于2015年成立垂直农场,种植绿色蔬菜


总部位于美国的Crop One和阿联酋航空餐饮集团已经启动了一项4000万美元的合资企业,在迪拜建立一个巨大的垂直农业设施。

有利可图?


世界上最大的垂直农场在新泽西州的纽瓦克,由AeroFarms经营。该公司成立于2004年,被认为是该领域的先驱,由于仍为私人所有,不透露财务数据。但是,随着其商业模式的发展,AeroFarms表示现在已经可以盈利。


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Bowery大量使用机器人和人工智能来控制价格


它最初是一家在当地销售农产品的农场,但在2009年决定转向将其开发的技术和解决方案出售给其他种植者。然后,该公司将重点转向种植自己的绿叶蔬菜,并在2011年开始出售。

AeroFarms的共同创始人马克·大岛(Marc Oshima)说,AeroFarms使用的技术现已进入中国,中东和欧洲。

在一个曾经是40英尺(12米)天花板的钢铁厂的仓库中,该公司正在种植羽衣甘蓝和芝麻菜叶子,每个叶子由12个金属架子组成。间歇灌溉时,根系悬浮在空中,而叶子则在LED灯下晒太阳。

AeroFarms定期进行光照和营养素实验,以期找到每种植物的最佳配方并开发最佳算法。该公司生产西洋菜、羽衣甘蓝像菠菜和芝麻菜一样嫩,并带有一丝香味。

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AeroFarms联合创始人兼首席营销官马克·大岛(Marc Oshima)查看羽衣甘蓝


但是垂直农场可能需要一段时间才能找到可行的解决方案。咨询公司Agritecture的创始人亨利·戈登·史密斯说:“大型的垂直农场很难盈利,因为它们一开始就非常资本密集。”大型农场通常需要七到八年才能盈利,而小型农场可能需要一半的时间。


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AeroFarms在新泽西州纽瓦克的垂直种植塔


但是,随着越来越多的城市年轻人对气候变化和杀虫剂表示担忧,企业的企业家对他们的前景充满信心。戈登·史密斯说:“垂直农业并不是解决粮食安全的唯一办法。” “这是可能的解决方案之一。”

垂直农业的批评者说,由于大量使用照明和通风,它的碳足迹很大。但是捍卫者说,这种负面影响已被较低的用水量,靠近人口中心的位置和不使用农药的好处所抵消。更大的问题可能是产量本身的限制,至少在营养方面。

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甘蓝在AeroFarms种植


普林斯顿大学植物研究人员保罗·高迪耶(Paul Gauthier)说:“单靠沙拉不能养活全世界。”他说,垂直农民将需要开发更多蛋白质含量更高的产品。

受控环境垂直农场种植的小麦的产量潜力 2020


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一个1公顷垂直小麦农场的剖面透视图,从种子种到收获,种10层小麦。图片来源:Gregory Kiss,Senthold Asseng和Paul PG Gauthier


隶属于美国许多机构的一组研究人员对在受控环境的垂直农场种植的小麦的单产潜力进行了调查,发现其产量高于预期。该小组在《美国国家科学院院刊》上发表的论文中,描述了室内垂直麦田耕作的建模及其模型显示了什么。

垂直耕作是指在室内设施中以仓库状方式堆放农作物。可以将农作物堆放到设施允许的高度。在这样的设施中,必须为农作物提供人造光源,水和肥料。有人提出将垂直农业作为生产更多农作物的一种手段每英亩土地,但由于一个非常重要的限制因素:能源使用,尚未在商业上使用。人造光非常耗能,以至于垂直耕作并未受到重视。在这项新的尝试中,研究人员想知道,采用垂直耕作,每英亩可以种植多少小麦(与美国农场的平均产量相比)。为了找到答案,他们转向了一种称为DSSAT-NWheat的作物模拟模型。先前的研究表明,它在预测各种条件下的作物生长方面非常准确。

为了将垂直耕作与传统耕作进行比较,研究人员为作物模拟器提供了理想的条件-10层,最佳温度,适量的日照,适量的雨水,化肥,径流等。该模型的模拟结果表明:在这种理想条件下,垂直小麦种植可以在给定的土地上生产约1,940公吨的小麦。与之形成鲜明对比的是,丰年的传统耕作方法通常在相同的空间量下平均生产3.2吨小麦。纵向方法显然导致了更多的小麦,但是它也消耗了更多的能量,远远超过了使这种方法可行的程度。但是结果还表明,条件的改变,例如廉价太阳能的供应或谷物价格的急剧上涨,可能使垂直农业变得有用,特别是在世界人口继续增长的情况下。

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一个10层垂直小麦农场的剖面透视图,其中种植了100层小麦


巨型垂直农场在丹麦开业 2020.12



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大约在十多年前首次开发的垂直农场已在亚洲和美国蓬勃发展。


紫色的光芒照亮了堆叠的盒子,在那里,莴苣,草药和羽衣甘蓝很快就会在欧洲最大的“垂直农场”之一发芽,该农场刚刚在哥本哈根工业区的一个仓库中开业。

在这个丹麦初创企业Nordic Harvest使用的占地7,000平方米(75,350平方英尺)的大型机库中,十四层架子从地板高耸至天花板。

尽管从未见过土壤或日光,但这里种植的农产品每年仍将收获15次。20,000个专用LED灯泡全天候点亮。在这个充满未来感的农场中,偶尔有机器人将种子托盘从过道运送到过道。

大型铝制箱子目前几乎是空的,但生菜和其他绿叶蔬菜很快就会种植。

Nordic Harvest的创始人兼首席执行官安德斯·里曼(Anders Riemann)解释说,预计2021年第一季度将收获约200吨农产品,到2021年底该农场满负荷运转时,每年将收获近1,000吨农产品。

这将使Taastrup仓库成为欧洲最大的垂直农场之一。毫无疑问,这些城市设施受到了农村农民的热烈批评,他们质疑他们养活地球的能力,并批评了他们的用电量。

但是里曼强调他农场的环境效益,其产品越来越接近消费者并且使用了绿色电力。


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在哥本哈根以西的郊区Taastrup的'Nordic Harvest'上,一个用于播种种子并检查植物生长的机器人经过垂直种植架


里曼说:“垂直农场的特点是不使用农药、不回收所有的水营养或肥料,从而不会危害环境。”

在世界风电场的领导者丹麦,约40%的电力消耗是基于风的。

他补充说:“在我们的案例中,我们使用了来自风车的100%能量,这使我们的CO 2为零。”

尽管他不愿透露Nordic Harvest的电费多少,但他说,该电源附带在丹麦商品交易所注册的“风能证书”。

这些法律文件保证“您一年消耗的电量等于海上有编号的风车产生的电量”。

欧洲起步缓慢


垂直农场大约在10年前开发出来,已经在亚洲和美国飞速发展,这里有世界上最大的垂直养殖场,而这个想法在欧洲慢慢开始流行。

黎曼说,城市农业发展到一定程度,甚至可以腾出更多空地来重新造林,而这些土地原来知识单一用于单一耕作开发。

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垂直植物农场“ Nordic Harvest”的货架,生菜,草药和羽衣甘蓝将很快在那里生长


他感叹道:“我们为了拥有田野而搬迁了森林,”他指出,现在像他这样的农民可以将“一些粮食生产带回城市,在那里作物可以在面积更小,高度经过优化的土地上生长”。

他的客户姓名依旧保密,但其中包括餐饮店,饭店甚至超市。

根据丹麦农民联盟的一项民意测验,95%的丹麦人准备改变其消费者行为以保护环境。

但是,Nordic Harvest的产品未贴上有机标签。他说:“欧盟法规规定,有机这个词与'土壤'这个词联系在一起,因此,如果您从方程式中剔除土壤,就不能再将其命名为有机了。”

但是“我们以与有机相同的术语生长:我们不使用杀虫剂或杀虫剂”。

同时,奥尔胡斯大学农业教授卡尔·奥托·奥托森(Carl-Otto Ottosen)指出,丹麦“没有空间问题”,像里曼(Riemann's)这样的公司在很大程度上是新颖的,不会威胁丹麦的农业传统。

他说:“它可以在日本或上海使用,那里没有耕地的空间,但是想要优质农产品。”

但是,尽管民意测验显示了什么,奥托森坚持认为,丹麦人依旧更倾向于根据“价格而不是口味”来购买产品。

结语


人口众多、土地资源相对不足是我国的基本国情,我国粮食供求长期处于紧平衡状态。保障粮食安全,需要在重视粮食生产的同时,高度重视防止粮食浪费,把粮食生产和防止浪费放在同等重要的位置。

城市的粮食蔬菜供应也在今年全球新冠肺炎疫情所带来的影响中给我们敲响了警钟,一旦发生类似问题,如果城市能够“自给自足”,无疑可以很大程度上缓解压力。

而垂直农场,也许是一个解决方案。
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