年产6万吨酒精发酵车间初步设计.docx
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年产6万吨酒精发酵车间初步设计
年产6万吨酒精发酵车间初步设计
年产6万吨酒精发酵车间初步设计
摘要
酒精在人们日常生活以及科学研究等诸多领域都有很广泛的应用。
世界酒精行业以及我国酒精行业都呈现快速发展趋势，产量逐年递增。
发酵法生产酒精的能力将成为一个国家经济实力的标志。
发酵法主要是利用微生物无氧发酵，将含糖物质如，甘蔗，甘薯，玉米等物质内的糖类转化为乙醇，生成酒精。
此法原料来源丰富，生产过程环保，值得大力推广。
本设计对酒精生产的发酵车间进行了计算和设备选型，力求理论和实践相结合。
abstract
Alcoholhasveryextensiveapplicationinagreatdealoffieldssuchaspeople'sdailylifeandscientificresearch.Thetradesandalcoholtradesofourcountryhavefastdevelopmenttrendsonearthintheworld.Theoutputisincreasedprogressivelyyearbyyear.Theabilityforproducingalcoholofthefermentedlawwillbecomethesignofanationaleconomicstrength.Thefermentedlawismainlytoutilizemicroorganismtohavenooxygentoferment,itsuckcandymateriallike,sugarcane,sweetpotato,carbohydrateinthematerialsuchasthemaizeareturnedintoethanol,turnintoalcohol.Thislawrawmaterialsourcesareabundant,theenvironmentalprotectionoftheproductionprocess,isworthpopularizinginamorecost-effectivemanner.Originallydesignthefermentedworkshopproducedtoalcoholtocalculatewiththeselectingtypeoftheapparatus,strivetomakethetheorycombinewithpractice.
Keyword:
AlcoholFermentedlawFermentedworkshop
关键词:
酒精发酵法发酵车间
四川理工学院毕业设计I
毕业设计（论文）任务书II
摘要III
前言1
第一章全厂工艺论证2
1.1生产原料：
甘薯干（淀粉质原料）2
1.1.1甘薯的主要成分2
1.1.2甘薯作为酒精原料的特点2
1.1.3生产过程中的甘薯干相关工艺参数2
1.2原料的预处理3
1.2.1原料的除杂3
1.2.2原料的粉碎和输送3
1.3原料蒸煮工艺5
1.3.1蒸煮目的5
1.3.2粉浆的预煮5
1.3.3间歇蒸煮与连续蒸煮工艺相比较其优缺点6
1.4糖化工艺6
1.4.1糖化的目的7
1.4.2糖化工艺7
1.4.3测定糖化醪质量的方法8
1.5糖化醪的发酵9
1.5.1糖化醪发酵目的9
1.5.2影响酒精发酵的因素9
1.5.3酒精发酵的方式10
1.5.4发酵生产工艺11
1.6酒精的蒸馏和精馏工艺及分支筛脱水工艺11
1.6.1蒸馏车间操作流程11
1.6.2蒸馏操作的控制12
1.7发酵副产品和污水处理12
1.7.1酒精生产的副产品12
1.7.2污水处理13
第二章全厂物料衡算14
2.1物料衡算14
2.1.160000吨淀粉原料酒精厂全厂物料衡算14
2.1.3 工艺技术指标及基础数据15
2.1.4 原料消耗的计算15
2.1.5蒸煮醪量的计算17
2.1.6 糖化醪与发酵醪量的计算18
2.1.7成品与发酵醪量的计算18
2.1.860000吨/年淀粉原料酒精厂总物料衡算20
2.2燃料酒精发酵车间的物料衡算（间歇发酵方式21
2.2.1酒精发酵工艺流程示意图及主要技术指标21
2.2.2酒精发酵车间的物料衡算22
2.3.60000吨酒精发酵车间水衡算23
第三章设备计算与选型25
3.1发酵设备的计算与选型25
3.1.1 生产能力、数量和容积的确定25
3.1.2 主要尺寸的计算26
3.1.3. 冷却面积和冷却装置主要结构尺寸（生物工程设备。
71页）：
27
3.1.4 发酵罐壁厚的计算30
3.1.5 接管设计31
3.1.6 支座选择32
3.1.7人孔的选取33
3.1.8视镜33
3.2种子罐的计算与选型33
3.2.1 种子罐容积和数量的确定：
33
3.2.2 种子罐个数的确定33
3.2.3 主要尺寸的确定34
3.2.4 冷却面积计算（采用夹套冷却）34
3.2.5壁厚计算:
35
3.2.6设备结构的工艺设计：
36
3.2.7搅拌器轴功率计算：
36
3.2.9进风管（进料管）37
3.2.10泵的选用39
第四章车间布置40
4.1厂房的整体布置和轮廓设计40
4.2发酵车间的布置设计40
4.3发酵车间平面布置设计40
4.4发酵车间立面设计40
4.4.1泵的布置设计41
4.4.2酒精捕集器的设计41
4.4.3发酵罐顶钢架平台设计41
4.4.4门、楼梯41
参考文献42
致辞42
前言
酒精在我国酿酒行业、化工行业、橡胶工业、油漆涂料工业、电子工业、照相胶片及纸浆生产行业、医药行业、香料工业、化妆品行业等，都发挥着重要作用。
食用酒精作为硬饮料中不可缺少的添加成分，它的品质越来越受到人们的重视，特别是我国做为世界白酒消费大国，食用酒精品质的好坏，就显得更重要了。
可以说，食用酒精品质的好坏是涉及到千家万户的大事。
从粮食、薯类、糖蜜三类原料来看食用酒精产成品的质量，粮食酒精最优，其次是薯类酒精，最差的是糖蜜酒精。
食用酒精使用粮食和酵母菌在发酵罐里经过发酵后，经过过滤、精馏来得到的产品，通常为乙醇的水溶液，或者说是水和乙醇的互溶体。
蒸馏法提高酒精浓度最多能到73%左右，因为乙醇和水会形成共沸混合物。
食用酒精的度数是不确定的，通常为食用酒精的纯度为95%。
乙醇俗语叫酒精，分为工业酒精和食用酒精，但车用酒精与它们有明显的区别。
第一，工业酒精的纯度为90%，其余的10%中除甲醇等杂质外，大多数是水；而食用酒精的纯度为95%，其余5%都是水；车用乙醇与其它相比最大的区别就是脱水，按国家标准，它的杂质和水含量必须小于0.8%。
第二，酒精既可以车用又可以食用，在很多国家，食用酒精都是高税收，而车用乙醇则是给补贴。
为了防止一些厂家把车用乙醇回流到食品工业，从而拿政府补贴，躲避高额税，车用乙醇出厂时就必须加变性剂，让它从颜色或味道上区别于食用酒精。
像我国，车用乙醇出厂前加3%－5%的汽油，让它在味道上区别于食用酒精。
而欧洲一些国家则在其出厂前加颜色，如蓝色、红色等。
本设计采用先进的生产工艺，利用国内外先进的生产管理经验。
采用低温蒸煮，双酶液化糖化，连续发酵，三塔直接式蒸馏，分子筛脱水。
本设计将甘薯干到制成食用酒精中的各环节涉及的工艺、设备、控制条件等有关情况作一简单的阐述，希望能和各位共同讨论。
由于本人的水平有限，错误之处在所难免，不足之处恳请专家学者多多指正。
第一章全厂工艺论证
1.1生产原料：
甘薯干（淀粉质原料）
1.1.1甘薯的主要成分
甘薯，北方俗称地瓜、红薯，南方称为番薯。
新鲜甘薯可以直接作为酒精生产原料，但是，为了便于储存，供工厂全年生产，一般都将新鲜甘薯切成片、条、或者丝，晒成薯干。
约3kg鲜薯制成1kg薯干。
甘薯的主要成分是淀粉，此外，还含有3%的糊精、葡萄糖、蔗糖、果糖和微量的戊糖。
蛋白质含量不多，其中三分之二为纯蛋白，三分之一为酰胺类化合物。
此外还有少量的脂肪，纤维素，灰分等。
甘薯的平均化学成分列于下表，以百分比（%）表示。
表1-1甘薯的化学成分
种类
水分
粗蛋白
粗脂肪
碳水化合物
粗纤维
无机盐
甘薯干
13
6.1
0.5
76.6
1.4
2.4
1.1.2甘薯作为酒精原料的特点
1.单位亩产量高，高的可达1500—2500kg，按淀粉计算达300～500kg/亩，是谷物淀粉产量的3～5倍。
2.甘薯的淀粉含量高，纤维少，并有适量的蛋白质，加工比较容易，淀粉利用率高。
3.甘薯的缺点在于胶质、果胶质等粘性物质较多。
醪液粘度大，甲醇的生成量较多。
综上所述，甘薯是一种良好的酒精生产原料，为我国大多数酒精厂所采用。
1.1.3生产过程中的甘薯干相关工艺参数
生产过程中的甘薯干相关工艺参数如表1-2所示。
表1-2甘薯干相关工艺参数
原料
淀粉含量（%）
水分（%）
甘薯干
68
13
1.2原料的预处理
1.2.1原料的除杂
淀粉质原料在收获和干燥的过程中，往往会掺夹进泥土，沙石，纤维质杂物，甚至金属块杂物。
这些杂物如果不在生产前除去在，则将严重影响生产的正常运转。
为了清除这些杂质，最常用的除杂方法有筛选，风选和磁力除铁。
而磁力除铁又可分为永久性磁力除铁器和电磁铁除铁器。
电磁铁除铁器具有固定不变的磁场因此永久性磁铁除铁器更为完善，所以选用电磁铁除铁器。
1.2.2原料的粉碎和输送
原料进行水—热的目的是要使包含在原料细胞中的淀粉颗粒能从细胞中游离出来，充分吸水膨胀，糊化乃至溶解，为随后的淀粉酶系统作用。
并为淀粉转化成发酵性糖创造必要和良好条件。
就目前的情况来看，先将原料粉碎，再在较和缓的的条件下进行蒸煮是较好的方法。
原料粉碎的方法分为两种：
干式粉碎和湿式粉碎。
其优缺点比较如表1-3所示。
通过对干式粉碎和湿式粉碎的比较，因原料采用的是甘薯干，为了节约成本，所以最终采用干式粉碎。
干式粉碎采用粗碎和细碎两级粉碎工艺，因为两级粉碎的动力消耗较低。
原料经过粗碎后，原料颗粒应能通过6～10mm的筛孔。
粗碎后颗粒在经细碎，最终原料颗粒能通过1.2～1.5mm的筛孔因为原料粉碎至直径1～1.8mm的原料颗粒易于吸水膨胀和较彻底糊化。
而锤式粉碎机的结构比较简单，更换筛板和锤片的操作方便，对原料品种变化的适应性较强，操作要求也不高因此可以再此选用。
表1-3干式粉碎和湿式粉碎的优缺点比较如下表
粉碎
方法
优点
缺点
干式
粉碎
粉碎后的原料可以储藏，能较低，最终得到原料颗粒一般通过1.2～1.5mm筛孔。
原料粉碎时粉末易飞扬，造成原料损失，且劳动条件较差。
湿式
粉碎
原料粉碎粉末不宜飞扬，可减少原料损失和改善劳动条件，还可省去除尘设备
所的浆料只能立即用于生产，不宜储藏，耗电量比干式粉碎高出8～10%，因此常用于湿度较大的原料。
在原料粉碎前进入粉碎机和粉碎和送入条浆桶涉及到原料的输送问题。
国内酒精厂采用的原料输送方法有机械输送、气流输送和混合输送三种。
混合输送是机械输送和气流输送的混合物。
而气流输送和机械输送相比主要又三个优点：
（1）机械输送一般是在开放条件下进行，粉尘飞扬严重，即造成原料的损失，也恶化了劳动条件。
而气流输送均在密闭条件下进行，上面的两个问题迎刃而解。
（2）机械输送时，虽装有电磁除铁器，但无法除去石块等坚硬杂物，铁片因物料干扰有时也会进入粉碎机中，因此，后者的筛板破损率较高，粉碎度不宜保证。
实现气流输送后，铁片等杂物，能可靠的在一级升料管的接料器底部被自动风选出，从而保证了筛子和设备较厂期的使用。
（3）在不用气流输送时，已经粉碎好的原料不能流畅地从粉碎机中排除，影响粉碎机生产能力发挥。
采用气流输送后，粉碎后的原料被气流从粉碎机中吸出，从而提高粉碎机的生产能力。
因气流输送又以上优点，并且他是一种适于输送散粒状或块状物的方法，而甘薯干在粉碎后符合其形状要求所以在原料粉碎前后都选用气流输送。
而粉碎前甘薯干是较大的块状物，可采用机械输送，这样可以降低一部分能耗。
气流输送又分为压力输送和真空输送。
压力输送在输送管内又较大的压力，所以对设备的要求也较高，并且因管内的压力高于大气压管内的原料粉末从设备缝隙中漏出造成原料的损失，而真空输送不存在这些问提，所以在此选用真空输送。
综上所述，采用混合输送，其工艺流程如图1-2所示。
甘薯干称重到包皮带输送除铁粉碎
料斗细粉碎吸风管旋风分离器
风机布袋过滤器大气加料器
细粉回收拌料罐
图1-2混合输送工艺流程图
1.3原料蒸煮工艺
1.3.1蒸煮目的
含在原料细胞中的淀粉颗粒，由于植物细胞壁的保护作用，不宜受到淀粉酶系统作用。
另外，不容解状态的淀粉被常规糖化酶糖化的速度非常慢，水解程度也不高。
所以，淀粉原料在进行糖化之前一定要经过水热处理，使淀粉从细胞中游离出来，并转化为溶解状态，以便淀粉酶系统进行糖化作用。
这就是原料蒸煮的主要目的。
目前除了少数小型酒精工厂仍采用间歇蒸煮外，大多数工厂都采用连续蒸煮工艺。
所以本设计也采用连续蒸煮工艺。
1.3.2粉浆的预煮
粉碎原料加水制成粉浆时，应注意防止粉料的结块。
一旦形成粉团蒸煮的质量就会受到影响，因为粉团内部的粉料没有吸水膨胀，也就不可能糊化，这将导致不容解淀粉数量的增加，出酒率因此降低。
分料结块的主要原因是搅拌不充分或不均匀；搅拌温度过高，达到或接近糊化温度。
根据这种情况，制备粉浆时，应该选择好搅拌器的结构，保证必要的搅拌速度，严格控制搅拌用水的温度，使他不超过原料的糊化温度，一般应控制在65℃左右。
拌料水温度一般为70℃。
如前所述，55～65℃这一温度区域间会使原料中的淀粉酶活化，造成部分原料糖化，生成糖，这部分糖会在随后的蒸煮过程中损失掉。
因此在预煮时生温速度应较快，并在打到预定温度后迅速送去蒸煮。
在拌料过程中相应的加入a-淀粉酶。
1.3.3间歇蒸煮与连续蒸煮工艺相比较其优缺点
优点：
间歇蒸煮的设备简单，操作方便，投资也较少，适用于生产规模较小的工厂。
缺点：
（1）蒸汽消耗量大，而且量不均匀，造成锅炉操作的困
难和煤耗的增加。
（2）辅助操作时间长，设备利用率低。
（3）蒸煮质量较差，出酒率低。
（4）难以实现操作过程的自动化。
通过对两种蒸煮工艺的比较，该厂确定选用能耗低，设备利用率较高，蒸煮质量较好，能实现操作过程自动化等优点的连续蒸煮工艺。
其连续蒸煮工艺流程如图1-3所示。
热水
拌料罐
图1-3连续蒸煮工艺流程图
粉碎后原料蒸煮时加水制成粉桨，其料水比为1：
3，水温为70℃，并加入α-淀粉酶然后进行低温蒸煮，其时间为5～7min，温度控制在88℃。
第一、第二维持罐的温度分别控制在88℃、84℃，并在里面停留40min左右。
最后醪液进入薄板换热器，降温到糖化温度：
62℃。
1.4糖化工艺
甘薯干原料在蒸煮以后得到的蒸煮醪，在发酵前均要加入一定数量的糖化剂，使淀粉在淀粉酶的作用下水解成为酵母能发酵的糖类。
淀粉转化成糖的这个过程，叫糖化。
糖化后的醪液叫糖化醪，糖化后的主要产物对比如表1-4所示。
淀粉的液化和糖化作用，会产生很多的中间产物，主要是不同聚和度的糊精，糖化的最终产物是要更多的产生可发酵性糖，也有少数的不发酵性糖类物质。
因此，糖化的目的是将淀粉充分转化成可发酵性糖。
其中，淀粉酶水解就是使α-1，4葡萄糖苷键和α-1，6葡萄糖苷键断裂。
表1-4淀粉糖化的主要产物对比
碳水化合物
分子量
聚合度
比旋度
还原性（%）
可溶性淀粉
208000
1300
199.7
0.073
淀粉糊精
10000
61
196
0.5
四糖
661
4
168
25
三糖
504
3
164
33
双糖
342
2
136
60
葡萄糖
180
1
52.5
100
1.4.1糖化的目的
淀粉质原料蒸煮以后得到的蒸煮醪，在发酵前均要加入一定数量的糖化剂，使淀粉在淀粉酶的作用下水解成酵母能发酵的糖类。
但是，在糖化工序内不可能将全部淀粉都转化为糖，相当一部分淀粉和糊精在发酵过程中进一步酶水解，再进行发酵。
1.4.2糖化工艺
糖化过程由以下诸多操作组成：
蒸煮醪冷却至糖化温度；加糖化剂，使蒸煮醪液化；淀粉糖化，物料的巴氏灭菌，糖化醪冷却到发酵温度和用泵将醪液送往发酵车间或酒母车间。
糖化可分为间歇糖化工艺和连续糖化工艺两种。
在间歇糖化时，所有的操作，除最后的泵送外都是在一个称为糖化锅的设备中完成的。
而在连续糖化过程中，则分别在不同的设备中实施。
连续糖化和间歇糖化的工艺比较如表1-5所示。
表1-5间歇和连续两种工艺的比较
糖化
方法
优点
缺点
间歇
糖化
设备简单，操作方便。
适用于一些小厂和液体白酒厂。
设备利用率低，很难实现自动化控制。
连续
糖化
节约时间，提高设备利用率便于实现自动化控制。
设备较复杂，对设备的要求高。
为了缩短糖化时间和提高设备的利用率决定采用连续糖化工艺。
连续糖化工艺可分为：
混合冷却连续糖化、真空冷却连续糖化和二级真空冷却连续糖化。
本设计采用混合冷却连续糖化。
混合冷却连续糖化：
该工艺的特点是利用原有糖化设备，将前冷却和糖化两个工序仍放在原有糖化罐中进行，而将后冷却的的任务交给新增加的喷淋冷却管或者套管冷却设备区完成。
其工艺流程如图1-4所示。
糖化剂
蒸煮醪螺旋薄板换热器
62℃
糖化锅螺旋薄板换热器
30℃
发酵车间
糖化温度：
62℃糖化时间：
16min糖化率：
60～70%
图1-4糖化工艺流程图
1.4.3测定糖化醪质量的方法
（1）外观糖成熟醪用纱布过滤后，直接用糖度计测量所得的数值叫做外观糖。
这是一个假设的数值，它表示了用糖度计测得的发酵醪的密度。
（2）还原糖取过滤布过滤后的发酵醪滤液，加热蒸去所含的酒精，并加水恢复到原来的体积，以测定还原糖的方法得到的数值。
（3）残总糖发酵醪不经过滤，用2%HCl水解转换后测得的糖量。
（4）酸度采用滴定法测定，它是判断发酵醪是否感染杂菌的可靠指标。
（5）挥发酸测定方法是取发酵醪若干加入适量水后，以蒸馏方法蒸出相当于元发酵醪体积的馏出液，按测定酸度的方法测定。
（6）测定糖化醪中酶的活力糖化结束后，并不是糖化醪中所有的淀粉与大分子糊精都水解成糖，其中尚有一部分糊精要在发酵期间依靠后糖化作用而变成糖，因此糖化完毕的糖化醪中，酶的活力还必须很强，才能保证糖化作用的彻底，那么就有测定糖化醪中酶活力的必要。
测定后用爱佛龙（Effront）法观察碘的呈色反应，如呈蓝色或紫红色，则证明酶的活力不强；如呈碘黄色，则表示酶的活力强，因为它能将可溶性淀粉基本上彻底糊精化和糖化。
（7）酒精含量用蒸馏方法测定。
在发酵用的原料、浓度一定的情况下，发酵醪中酒精含量越高，发酵越彻底，酒精生产的过程越好，用来分析查找问题。
1.5糖化醪的发酵
1.5.1糖化醪发酵目的
淀粉质原料经过预处理、蒸煮和糖化等物理和生物化学过程，淀粉以充分糊化和液化，其中相当一部分以转化成可发酵性糖。
这种糖化醪送入发酵罐，接入酒母后，在后者的作用下，醪中的糖被发酵生成乙醇和二氧化碳；而保存下来的糖化酶也不断地将残存的糊化了的淀粉转化成可发酵性糖，就这样酵母的酒精发酵和后糖化作用相互配合，最终将醪中的绝大的淀粉及糖转化成乙醇和二氧化碳，这就是糖化醪发酵的目的。
1.5.2影响酒精发酵的因素
1.糖化醪的浓度酒精发酵是在一定浓度的糖化醪中进行的，糖化醪浓度越高，所得到的发酵醪的酒精含量高，设备利用率高，水电气单耗就会降低，酒精的生产成本就会降低。
2.发酵醪pH值的控制发酵醪中，因为乳酸菌大量繁殖造成的污染是阻碍连续发酵广泛应用的主要原因。
连续发酵中发酵醪的pH值控制，既要考虑到要适宜于酵母菌的繁殖和代谢，又要考虑适宜于各种糖化酶的作用。
由于连续发酵无菌条件要求较严，其pH控制在4.0～4.5为宜。
间歇发酵pH值可控制在4.7～5.0。
pH值的控制，可用H2SO4来调节。
3.发酵温度控制温度对微生物生命活动影响很大，发酵成绩的好坏与温度控制关系极为密切。
酒精酵母繁殖温度为27～30℃，发酵温度30～33℃，如果温度高于40℃，则酒精发酵很难进行。
产酸细菌繁殖适温为37～50℃，因此高温发酵易被细菌污染。
生产中发酵醪温度可根据发酵形式不同进行控制：
间歇发酵：
接种温度27～30℃；发酵温度30～33℃；后发酵温度30℃±1℃。
连续发酵各罐温度控制在30～33℃。
4.发酵醪的滞流和滑漏问题在间歇发酵中不存在醪液的滞流和滑漏问题，但在连续发酵工艺中，这个问题就十分重要了。
多级连续发酵的醪液始终处于流动状态，并能使每一发酵罐的醪液处于相对稳定的均衡状态，这就要求醪液保持先进先出，防止滞流或滑漏的现象发生。
5.关于发酵醪浓度问题酒精发酵要求在一定浓度的糖化醪中进行，醪液浓度高低，直接影响到生产成绩。
糖化醪浓度稀，虽然有利于酵母的代谢活动，提高出酒率，但是浓醪发酵却有提高设备利用率，节省水、电、汽、降低生产成本，增加产量的优点。
因此，生产上希望尽量采用浓醪发酵。
正常发酵醪浓度一股为16～18Bx，其发酵成熟醪酒精含量为8～10％（容量）
6.关于缩短发酵时间用糖蜜原料制造酒精，发酵时间需要24～32小时，如用淀粉质原料，则需60小时以上。
为了缩短发酵时间，就需要设法加速水解支链淀粉中以1，6相结合的键。
解决这个问题的方法是选育糖化酶含量高的菌种，以加强糖化作用。
另外，采用连续发酵和选用发酵力强的酵母菌种，也是加速发酵、缩短发酵时间的有力措施。
综上所述，设计运用连续发酵工艺，发酵温度控制在30～34度，pH值控制在4.2～4.5，发酵时间为70～80小时，发酵成熟醪浓度为16～18Bx，发酵过程中添加青霉素防止染菌，使生产控制趋于自动化。
1.5.3酒精发酵的方式
酒精发酵的方式有三种：
间歇式发酵、半连续发酵、和连续式发酵。
三种发酵方式的优缺点比较如表1-5所示。
表1-5各种发酵方法的优缺点比较
发酵方式
优点
缺点
间歇式发酵
设备简单，易于操作，不易染菌，适用于中小型酒厂。
设备利用率低，酵母消耗量大。
半连续发酵
酒母消耗量少，可适当缩短发酵时间。
易染杂菌。
连续式发酵
易染杂菌，操作要求和设备要求高。
通过对三种方式的比较，所以最终本设计选用间歇发酵技术。
1.5.4发酵生产工艺
酒精生产的方法，采用间歇式发酵的方式进行，操
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