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bioethanol

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bioethanol [2006/09/23 22:21] (aktuell)
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 +**[[Start]] | [[Fahrzeuge]] | [[Technik]] | [[Wissenswertes]] | [[Biokraftstoffe]]**
  
 +====== Bioethanol ======
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 +Veränderter Teil aus: http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Ethanol#​Ethanol_als_Kraftstoff
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 +Siehe auch: [[Biodiesel]],​ [[Biogas]], [[BtL]], [[Pflanzenöl]],​ [[Biowasserstoff]]
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 +===== Kurze Erklärung =====
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 +Ethanol ist eine chemische Verbindung, deren Molekül aus zwei Kohlenstoffatomen,​ [[Wasserstoff]] und einer Hydroxylgruppe (OH-Gruppe) besteht. Es handelt sich um einen Alkohol aus der Untergruppe der n-Alkanole, da in dem Molekül neben zwei Wasserstoffatomen nur eine Hydroxylgruppe an ein aliphatisches C-Atom gebunden ist.
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 +Häufig wird diese Verbindung umgangssprachlich als Alkohol (Trinkalkohol) bezeichnet, obwohl sie nur der prominenteste Vertreter der Stoffgruppe der Alkohole ist. Gebräuchlich sind auch die Bezeichnungen Ethylalkohol,​ Weingeist und Spiritus; früher wurden auch die Bezeichnungen Äthylalkohol oder Äthanol verwendet.
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 +Durch Gärung aus Biomasse gewonnenen Ethanol bezeichnet man auch als Agrar- oder **Bioethanol**. Man kann Ethanol aber auch durch die Synthese aus Wasser und Ethen unter Zugabe von Schwefelsäure als Katalysator herstellen.
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 +===== chemische Beschaffenheit =====
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 +|Dichte \varrho|ca. 0,7894 g/cm³ (bei wasserfreiem Ethanol)|
 +|Summenformel|C2H5OH|
 +|Energiedichte pro kg|7,44 kWh/kg = 26,78 MJ/kg|
 +|Energiedichte pro Liter|5,87 kWh/l = 21,14 MJ/l|
 +|Schmelzpunkt|-114,​4 °C|
 +|Siedepunkt|78,​37 °C|
 +|Dampfdruck|58,​7 hPa (20 °C)|
 +|Flammpunkt|12 °C|
 +|Zündtemperatur|425 °C (DIN 51794)|
 +
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 +Durch die OH-Gruppe (Hydroxylgruppe) ist Ethanol im Gegensatz zu Ethan polar. Daraus resultiert eine wesentlich bessere Wasserlöslichkeit. Als Lösungsmittel ist es deshalb für viele Stoffe besonders geeignet. So werden in der Pharmazie viele Pflanzenauszüge oder andere Medikamente als alkoholische Lösung dargeboten.
 +
 +Mit Wasser ist Ethanol unbegrenzt mischbar. Es bildet ein azeotropes Gemisch, so dass beim Destillieren von Ethanol kein reiner (absoluter) Alkohol, sondern ein Gemisch mit rund 6 Prozent Wasser entsteht. Um absoluten Alkohol herzustellen,​ muss dem destillierten Ethanol z.B. mit Hilfe von Trockenmitteln das restliche Wasser entzogen werden.
 +
 +Großtechnisch erfolgt die Trennung von Ethanol/​Wasser-Gemischen durch azeotrope Rektifikation. Die Anlage besteht hauptsächlich aus zwei Rektifikationssäulen. In der Haupttrennsäule erfolgt die normale Rektifikation des Ethanol/​Wasser-Gemischs bis in die Nähe des azeotropen Punkts. Das Sumpfprodukt ist Wasser. Dem Kopfprodukt (etwa 97 % Ethanol / 3 % Wasser) wird der Hilfsstoff Cyclohexan beigemischt. Dieses Dreistoffgemisch gelangt in die Hilfsstoff-Trennsäule. Dort erfolgt eine Auftrennung in den im Sumpf anfallenden reinen Alkohol sowie in ein Cyclohexan/​Wasser-Gemisch als Kopfprodukt. Cyclohexan und Wasser sind im flüssigen Zustand nicht mischbar und trennen sich nach der Kondensation in einem Abscheider (Dekanter). Der Hilfsstoff Cyclohexan wird am Einlauf der Hilfsstoff-Trennsäule wieder dem zuströmenden azeotropen Ethanol/ Wasser-Gemisch beigefügt. Er läuft im Kreislauf im oberen Bereich der Hilfsstoff-Trennsäule und wird deshalb auch als „kopflaufender Hilfsstoff“ bezeichnet.
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 +Bei Temperaturen um die -20 °C (Gefrierschrank) verdunstet Ethanol (96%) kaum noch und zeigt eher zähflüssige Eigenschaften. Bei -70 °C (durch Trockeneis) wird es noch zähflüssiger.
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 +===== Giftigkeit =====
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 +Ethanol ist der wichtigste Bestandteil alkoholischer Getränke. Für den Menschen ist Ethanol giftig. Geringe Mengen können noch von der Leber entgiftet werden. Eine übermäßige Einnahme (über etwa 1 Promille Alkoholkonzentration im Blut) führt zu typischen Trunkenheitssymptomen wie Schwindel, Übelkeit, Orientierungsstörung,​ Redseligkeit und gesteigerter Aggressivität. Die tödliche Dosis liegt etwa bei 3,0 bis 4,0 Promille.
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 +Die regelmäßige Einnahme von Ethanol kann zur Sucht (Alkoholkrankheit) führen. Dabei werden alle Zellen des Körpers geschädigt. Insbesondere leiden das Nervensystem und die Leber. Epilepsie, Psychosen, soziale Vereinsamung und der verfrühte Tod können die Folge sein. In Deutschland sterben über 73.000 Menschen jährlich vorzeitig aufgrund ihres Alkoholmissbrauchs (Quelle: DHS/Hamm - Deutsche Hauptstelle für Suchtgefahren,​ 2004).
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 +Bei einer akuten Ethanolvergiftung hilft das Herbeiführen des Erbrechens des Giftes. Dieses kann auch durch Auspumpen des Mageninhalts erfolgen. Danach sollte viel Wasser getrunken oder - falls nicht mehr möglich - intravenös physiologische Kochsalzlösung infundiert werden.
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 +===== Verwendung =====
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 +Ethanol ist für Bakterien giftig und wird daher häufig als Desinfektionsmittel verwendet. Dabei ist die Wirksamkeit am höchsten, wenn ein Gemisch von Ethanol und Wasser mit ungefähr 70 % Alkoholgehalt verwendet wird. Auch wird durch Einreiben mit Spiritus (z. B. Franzbranntwein) die Durchblutung gefördert. Im Haushalt wird Spiritus gern als Reinigungsmittel für Glas, Chrom, Kunststoff usw. verwendet. In der Scheibenwaschanlage von Automobilen wirkt Spiritus sowohl als Reinigungs- als auch als Frostschutzmittel. Seltener findet Ethanol in Geruchsneutralisierern verwendung. Der starke Ethanolgeruch überdeckt schlechte Gerüche, er neutralisiert Sie nicht. Vielmehr wirken Geruchsneutralisierer auf Ethanol-Basis ausschließlich auf Oberflächen,​ nicht in der Luft.
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 +Als Brennstoff wird Ethanol in Form von Brennspiritus verwendet, beispielsweise für Rechauds sowie Camping- und Expeditionskocher.
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 +Grundsätzlich unterliegt die Verwendung von Ethanol der Branntweinsteuer. Um zu verhindern, dass Ethanol ohne Entrichtung dieser Steuer als Genussmittel getrunken oder diesen beigefügt wird, wird es vergällt. Die Verwendung vergällten Ethanols ist dann im technischen Sektor (Druckerei, Lackherstellung,​ Reinigungsmittelproduktion,​ Kosmetik etc.) steuerfrei möglich. Vergällung bedeutet, dass Ethanol mit anderen Chemikalien,​ wie z. B. MEK (Methyl-Ethyl-Keton,​ Butanon-2 mit 2 weiteren branntweinsteuerrechtlich vorgeschriebenen Markierungskomponenten),​ Petrolether,​ Cyclohexan, Phthalsäurediethylester (Diethylphtalat) oder ähnlichem versetzt wird, um es für den menschlichen Genuss unbrauchbar zu machen.
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 +Unter gleicher Maßgabe ist die steuerfreie Verwendung von Brennspiritus für jedermann überhaupt erst möglich. Hier wird dem Ethanol zusätzlich zum MEK noch das extrem bittere Denatoniumbenzoat (1 Gramm/100 Liter) beigemischt. Die früher übliche Verwendung von Pyridinen als Vergällungsmittel für Brennspiritus ist branntweinsteuerrechtlich zwar immer noch erlaubt, diese werden aber wegen ihrer gesundheitlichen Bedenklichkeit seit ca. 1993 von deutschen Herstellern nicht mehr eingesetzt.
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 +Zu beobachten ist zudem, dass einige Spiritusabfüller,​ vermutlich aus Kostengründen,​ keinen reinen Ethanol (zumeist in einer Konzentration von ca. 94 % vol.) verwenden, sondern dem Ethanol diverse Fremdstoffe,​ Regenerate etc. beimischen. Hersteller, die noch reinen Ethanol verwenden, werden dies zumeist durch die Kennzeichnung "UN 1170" auf der Flasche kenntlich machen.
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 +Die Vergällungsmittel haben meist ähnliche Siedepunkte wie Ethanol, so dass sie sich durch Destillieren nur schwierig entfernen lassen.
 +Die Vergällungsmittel Diethylphtalat (Verwendung auch als Weichmacher) und MEK stellen ein Problem bei der Verwendung als Reinigungsmittel dar: Farben und Lacke, die an sich resistent gegen Ethanol sind, können erweichen oder angegriffen werden.
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 +Nicht zu verwechseln ist Brennspiritus mit Trockenspiritus,​ der das Tetramere (CH3CHO)4 des Acetaldehyds CH3CHO ist.
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 +===== Medizin =====
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 +Eine Verwendung ist der Einsatz von Ethanol zur Behandlung von Insektenstichen:​ Ein alkoholgetränktes Tuch wird dazu einige Zeit auf den frischen Stich gelegt. Die Schmerzlinderung geschieht aufgrund der kühlenden Wirkung der Ethanollösung;​ der Juckreiz wird unterdrückt. Eine chemische Verändung oder Inaktivierung von Giften bewirkt Ethanol jedoch nicht.
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 +Eine 70%ige, wässrige Ethanollösung dient zur Desinfektion. Das Trinken von Ethanol oder alkoholischen Getränken nützt jedoch nichts gegen Infektionen. Alkoholische Getränke mit einem Ethanolgehalt von weniger als 16 Prozent können sich selber nicht keimfrei halten; und deshalb sind die meisten Alkoholika etwa zur Desinfektion von Wunden nicht geeignet. Portweinen wird deshalb Ethanol zugegeben, um zum gewünschten Zeitpunkt den Fermentationsprozess zu beenden.
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 +Bei einer Vergiftung mit Methanol wird als erste Maßnahme Ethanol intravenös gegeben, sodass die Leber bzw. das Enzym Alkoholdehydrogenase die Umwandlung des Methanols in seine toxischen Abbauprodukte hinausschiebt. Ethanol bindet ca. 25 mal stärker an Alkoholdehydrogenase als Methanol.
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 +Nach einer schweren Alkoholsucht mit Delirium tremens als Entzugserscheinung gibt man Ethanol, um zugunsten eines dringenden Eingriffes am Patienten die Symptome (u.a. Tremor) zu unterdrücken.
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 +====== Ethanol als Kraftstoff ======
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 +Ethanol kann normalem Kraftstoff (Benzin) zugemischt werden. Als Bioethanol bezeichnet man Ethanol, das ausschließlich aus regenerativer Biomasse hergestellt wurde. Chemisch gesehen gibt es keinen Unterschied zwischen Bioethanol und anders hergestelltem Ethanol. Die in der als Rohstoff dienenden Biomasse enthaltene Stärke wird enzymatisch in Glukose aufgespalten und dieser anschließend mit Hefepilzen zu Ethanol vergoren. Bioethanol wird im Moment noch nicht wie das fossile Mineralöl extra besteuert.
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 +Im Zusammenhang mit dem Kyoto-Protokoll wird heute häufig über die Herstellung und den Einsatz biogener Treibstoffe (also Treibstoffe biologischen oder organischen Ursprungs) und die Reduzierung von Kohlenstoffdioxid-Emissionen pro gefahrenem Kilometer debattiert. Der Preis für Bioethanol beträgt 2004 in Brasilien 0,19 US-$/l, in den USA 0,33 $/l und in Europa 0,55 $/l. Es ist allerdings davon auszugehen, dass der technische Fortschritt noch geringere Produktionskosten zulässt.
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 +===== Herstellung =====
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 +Weltweit werden etwa 330 Millionen hl (33 Mrd. l) Ethanol hergestellt,​ wovon mit 42 Mio. hl etwa 13% auf die europäischen Länder fallen. Das EU-Ziel liegt nach unterschiedlichen Angaben bei 400 Mio. hl für 2010. Größte europäische Erzeuger sind Russland und Frankreich. Deutschland erzeugt jährlich fast 4 Mio. hl zu gleichen Teilen als Getränkealkohol und als Alkohol für chemisch-technische Zwecke, was einer Eigenbedarfsdeckung von etwa 62 % entspricht. Neben der Produktion von Neutralalkohol für Getränke, Lebensmittel und technische Zwecke fallen weltweit etwa 65% auf die Herstellung von Kraftstoffethanol.
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 +Als Rohstoffe sind in Lateinamerika Zuckerrohr und in Nordamerika Mais von größter Bedeutung, denn sie liefern hohe Gehalte an Zucker und Stärke, die nach enzymatischer Aufspaltung als Glukose zur Ethanolproduktion durch Hefen genutzt werden. Die anfallende Bagasse aus der Melassenutzung ist schwer zu entsorgen, die Schlempe aus der Maisnutzung kommt jedoch in getrockneter Form als Maiskleberfutter (dried distillers grains and solubles, DDGS) auf den europäischen Markt. Mais als Rohstoff ist für Europa uninteressant,​ aber Zuckerrüben,​ Kartoffeln und echte Getreide werden bereits eingesetzt.
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 +Die Bagasse, Melassevergärung wird aufgrund des geringen Nährwertes nicht direkt als Futtermittel für die Tierernährung eingesetzt. Oft jedoch wird die Restenergie der Bagasse über eine teils mehrstufige Methanvergärung in den Energiekreislauf der Destillerie zurückgeführt,​ wodurch die Kosten je Einheit produzierten Ethanols reduzierbar sind. Die Entwicklung der Technik schreitet auf diesem Gebiet rasant voran, so dass zukünftig Anlagen, die Wasser in beinahe Trinkwasserqualität abgeben, vorstellbar sind. Schwachpunkt dieses Ansatzes und auch der bisher sehr konkurrenzfähigen lateinamerikanischen,​ auf Zuckerrohr basierenden Biokraftstoffproduktion ist die alleinige Ausrichtung auf die produzierte Menge Ethanol. Trotz mangelnder Flexibilität liegt der große Vorteil der Zuckerrohrnutzung jedoch in der günstigeren Rohstoffbasis,​ dem deutlichen Standortvorteil und dem geringeren Kapitalaufwand durch den Verzicht auf großvolumige Trocknungsanlagen. Zurzeit sind Unternehmungen dieser Art die günstigsten Anbieter von Ethanol auf dem Weltmarkt und stellen das Modell dar, das Neueinsteiger wie Indien und Thailand wählen.
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 +Die Produktion aus Stärke und Zuckerrohr wird den langfristig steigenden Bedarf an Bioethanol nicht decken können. Die nur begrenzt zur Verfügung stehenden landwirtschaftlichen Anbauflächen,​ ökologische Probleme bei der notwendigen Intensivierung der Landwirtschaft und die Konkurrenz zum Lebensmittelmarkt stehen einer großflächigen Produktion von Bioethanol auf diesem herkömmlichen Wege entgegen. Eine kostengünstige und umweltschonende Alternative wäre, die für den Menschen als Nutzpflanzen weniger interessanten Pflanzen oder Pflanzenabfälle zu nutzen. Diese hauptsächlich aus Zellulose, Hemizellulose und Lignin bestehenden Materialien fallen in hohen Mengen an und sind billig. Ideal wäre dabei ein Verfahren, in dem in sogenannten Bioraffinerien die Zellulose und Hemizellulose in vergärbare Zucker umgewandelt und von den Hefen direkt in Ethanol vergoren werden. Das Lignin könnte als Brennstoff zum Antreiben des Prozesses benutzt werden. Allerdings verhindern zur Zeit noch einige technische Schwierigkeiten den Einsatz dieses Verfahrens. Zum einen ist der Abbau von Zellulose und Hemizellulose zu vergärbaren Zuckern aufgrund der komplexen Struktur dieser Verbindungen im Gegensatz zur Verzuckerung von Stärke schwierig und langsam. Zum anderen können die meisten der zur Ethanolproduktion verwendeten Mikroorganismen nicht alle aus der Hemizellulose freigesetzten Zuckerarten vergären. Für einen wirtschaftlich ausgereiften Prozess ist dies jedoch eine wichtige Voraussetzung. Einen großen Fortschritt in dieser Richtung haben Forscher der Goethe-Universität Frankfurt gemacht, die eine neue Hefe konstruiert haben, die in der Lage ist, nahezu alle in Pflanzenabfällen vorhandenen Zuckerarten,​ die Hexosen und die Pentosen, zu Ethanol zu vergären.
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 +===== Energiebilanz =====
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 +Die Nettoenergiebilanz der Alkoholerzeugung war nicht immer eindeutig positiv, aber die Industrie konnte innerhalb der letzten 10 Jahre einige entscheidende Durchbrüche erzielen. Am „Institute For Brewing and Distilling“ in Lexington (Kentucky) gelang beispielsweise die natürliche Selektion einer extrem thermostabilen Hefe, die eine Gärung bei weit höheren Temperaturen als bisher üblich erlaubt und unter Laborbedingungen Alkoholgehalte bis zu 23 % in der Vergärung von Mais erreicht; ein deutlicher Schritt gegenüber den sonst üblichen 13 bis 14 %. Die hohe Gärungstemperatur bedeutet eine erhebliche Energieersparnis bei der Kühlung und hinsichtlich der Dauer des Gärvorgangs. Sie ermöglicht eine vollständigere Vergärung der Maische. Auch die Enzyme, die den Rohstoffen zugesetzt werden, um Stärke aufzuschließen und Glukose freizusetzen (-Amylasen,​ Glucoamylasen),​ haben eine Revolution erlebt. Die Wiederentdeckung des jahrtausend alten Verfahrens der Trockenfermentation (Koji) bringt leistungsfähigere und temperaturtolerante Enzymkomplexe hervor, die nicht nur Stärke und Zucker, sondern auch Zellulosen und Hemizellulosen aufschließen. Aber nicht nur die biologische Seite der Fermentation,​ sondern auch die Anlagentechnik hat bedeutende Fortschritte erfahren. Der Wasserverbrauch wurde deutlich reduziert, durch neues Hygienemanagement sind Infektionen des Systems vermeidbar und durch Wasserentziehung mittels Molekularsieben (Zeolithe) ist nahezu reines Ethanol nach der Destillation zu erzielen. Die Sorge um eine negative Energiebilanz ist begründet, kann aber durch neue Technologien überholt werden und die ökonomischen Herausforderungen sind durch die Betrachtungen des Gesamtkonzeptes einer „Fermentation von Getreide“ bezwingbar.
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 +Mit Blick auf die Bilanzen zu Energie, Treibhausgas und Wirtschaftlichkeit schneidet Getreide bei kalkulatorischer Berücksichtigung des Futterwertes der Nachprodukte am Besten ab. **Die vielfach aufgeworfene Frage, ob angesichts des ungelösten Hungerproblems in der Welt die Nutzung von Nahrungsmittelpflanzen zum Betrieb von Autos ethisch zu rechtfertigen ist, bleibt davon unberührt, ebenso die Frage, ob der hohe und wachsende Beschaffungsdruck sich auf die Ertragsfähigkeit der Böden nicht schon relativ schnell negativ auswirken könnte. Bzw. solche Flächen durch Rodung erst geschaffen werden...** ​
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 +Siehe die Problemdarstellung bei [[Biokraftstoffe]].
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 +====== Links ======
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 +  * http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Ethanol#​Ethanol_als_Kraftstoff
 +  * http://​de.wikipedia.org/​wiki/​Kategorie:​Alternative_Antriebstechnik
 +  * [[http://​www.regenwald.org/​regenwaldreport.php?​artid=181|Keine Natur in den Tank!]]
bioethanol.txt · Zuletzt geändert: 2006/09/23 22:21 (Externe Bearbeitung)