生物基丁二酸的产业与技术研究进展

杨圣舒 ,  雪晶 ,  鲜楠莹 ,  慕彦君

现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (4) : 1 -5.

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现代化工 ›› 2026, Vol. 46 ›› Issue (4) : 1-5. DOI: 10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.001
专论与评述

生物基丁二酸的产业与技术研究进展

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Progress in the industrialization and technology of bio-based succinic acid

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摘要

生物基丁二酸是一种兼具可再生性、高衍生性、环境友好、应用领域广的生物基平台化合物,是“双碳”目标下能源化工企业绿色低碳转型的重点产品。梳理了其全球市场格局,归纳了三类主流发酵技术路线及代表性企业实践案例。通过文献计量与关键词聚类分析方法,提炼出当前研发热点,并综述了相关研究进展。最后,提出构建高性能菌株、开发非粮原料高效利用技术、设计低能耗分离纯化工艺等方向建议,以期为生物基丁二酸产业高质量发展提供参考。

Abstract

Bio-based succinic acid is a bio-based platform compound that combines renewability,high derivability,environmental friendliness,and broad application areas.It is a key product for the green and low-carbon transformation of energy and chemical companies under the “dual carbon” goals.This paper reviews the global market landscape,summarizes three mainstream fermentation technology routes,and presents representative corporate practice cases.Through bibliometric and keyword clustering analysis methods,it identifies current research hotspots and reviews related research progress.Finally,recommendations were made to construct high-performance strains,develop technologies for the efficient utilization of non-grain raw materials,and design low-energy separation and purification processes,with the aim of providing reference for the high-quality development of the bio-based succinic acid industry.

Graphical abstract

关键词

丁二酸 / 非粮生物质 / 代谢过程 / 菌株 / 发酵

Key words

succinic acid / non-food biomass / metabolic processes / strains / fermentation

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杨圣舒,雪晶,鲜楠莹,慕彦君. 生物基丁二酸的产业与技术研究进展[J]. , 2026, 46(4): 1-5 DOI:10.16606/j.cnki.issn0253-4320.2026.04.001

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生物基丁二酸(Succinic Acid,SA,亦称琥珀酸)是一种可再生、可衍生的绿色化学品,被美国能源部列为重点发展的生物基平台化合物,并已纳入我国《工业战略性新兴产业分类目录(2023年)》[1],在推动化工行业绿色低碳转型中具有重要战略意义。其分子结构含有两个羧基,可通过酯化、聚合等反应衍生出聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、1,4-丁二醇(BDO)、四氢呋喃(THF)等多种高附加值化合物,广泛应用于可降解塑料、医药、农药、食品添加剂等领域。
生物基丁二酸的生产主要采用生物发酵法,即以葡萄糖、木糖、甘油等可再生资源为碳源,通过特定微生物的代谢作用合成目标产物。与传统化学法(如电解、顺酐加氢等)相比,该路线反应条件温和、碳排放低,且原料可再生,不依赖石化资源,能够有效降低能耗和环境污染,更契合“双碳”目标下的可持续发展要求[2]。本文围绕生物基丁二酸,分析其全球市场格局、技术与产业化进展以及研究热点,旨在为其高效生产与规模化应用提供参考。

1 市场现状

1.1 生产现状

截至2024年,全球生物基丁二酸总产能约为11.9万t/a(表1),其中中国产能为10.8万t/a,占比90.8%,处于主导地位。欧美早期代表性企业中,Reverdia、Myriant和BioAmber装置均已停产,国际产能萎缩。相较之下,中国企业(如华恒生物、兰典生物)通过菌株改造与工艺优化,不断提升生物基丁二酸的发酵效率,推动了其产业化进程。

1.2 需求现状

2024年,全球生物基丁二酸市场需求量约为1.2万t,未来有望持续增长。预计到2030年,年均复合增长率(CAGR)将达到10%~12%。从区域分布来看,欧洲、北美和中国是当前的主要消费市场。从应用结构来看,生物基丁二酸主要用于化工、食品、医药和农药等领域。其中,化工用途占比最高,主要用于制备生物可降解塑料(PBS)、1,4-丁二醇(BDO)和四氢呋喃(THF)等基础化工原料;其余部分则应用于食品、医药和农药领域,分别作为酸味剂与乳化剂、利尿剂与解毒剂,以及植物生长调节剂和杀菌剂等功能性助剂。
未来生物基丁二酸的市场增长将主要来自两个方向:一是PBS市场的持续扩容。随着碳中和政策推进及相关工艺的不断成熟,生物基PBS的市场渗透率有望持续提升,从而拉动生物基丁二酸市场需求的增长。二是BDO生产路径逐步向生物法转型。作为重要的化工中间体,BDO市场规模较大。传统生产方式主要依赖石化路线,属于典型的“高污染,高能耗,高碳排放”三高产业。生物基BDO作为可持续替代方案,合成方法之一为先发酵合成丁二酸,再经加氢催化制得BDO,此法有望进一步拉动生物基丁二酸的需求。

2 技术现状

近年来,国内外企业围绕生物发酵法制备丁二酸持续开展技术研发与产业化探索。表2汇总了全球主要生产企业及其技术特点。按原料类型,生物发酵法主要包含3条技术路线:一是糖基发酵,该路线以葡萄糖、蔗糖、木糖和淀粉水解液等单一类型糖源为原料,具有工艺成熟、转化效率高的特点,是当前主流的产业化方式,其代表企业包括Reverdia、山东兰典和华恒生物等;二是混糖发酵,此路线以木质纤维素等非粮原料为基础,侧重对混合糖(C6+C5)组分的协同利用,有利于提升非粮原料利用率,但面临原料适应性差、纤维素糖化率低等技术瓶颈,代表企业为聚维元创;三是甘油发酵,该路线以粗甘油(生物柴油副产物)为原料,与糖类原料相比具备还原性强、碳收率高等优势,但因粗甘油含盐量高需使用耐盐工程菌株,其代表企业为Succinity。基于上述不同的原料路径,本文选取代表性企业进行具体分析。

2.1 糖基发酵

Reverdia公司由荷兰帝斯曼(DSM)与法国罗盖特(Roquette)合资设立,是全球较早实现生物基丁二酸商业化生产的企业之一。公司采用以玉米淀粉为原料的糖基发酵路线,利用工程化酵母菌株在低pH条件(pH=3~4)下直接合成丁二酸,发酵过程中无需碱调节,产品以游离酸形式积累,有效减少副产物盐的生成,简化了后续提取流程[3]。下游提取采用过滤、浓缩与结晶相结合的工艺,产品纯度可达99.5%以上。与传统化学法相比,该工艺在生命周期内的碳足迹可降低约53%。2012年,公司在意大利Cassano Spinola建成约1万t/a的生产装置,产品以BiosucciniumTM品牌投放市场,主要应用于可降解材料和聚酯等领域。尽管Reverdia在2010—2015年间率先实现商业化生产,但目前相关产线已停止运营。2022年,DSM将BiosucciniumTM技术出售给Technip Energies,转由其负责后续的全球技术许可与推广。
山东兰典生物科技股份有限公司是国内较早实现生物基丁二酸产业化的企业之一。公司依托中国科学院天津工业生物技术研究所的专利技术[4],以大肠杆菌为底盘构建高产工程菌株,开发了以玉米淀粉为原料的糖基发酵工艺(图1)。该工艺采用Fed-batch(补料分批)发酵方式,发酵过程中通过NaOH或Na2CO3控制pH于6.0~7.0区间,糖酸转化率达102%,较DSM工艺提升约16%[5]。下游通过膜分离、离子交换和冷却结晶提取丁二酸,产品纯度达99%。公司自主研发的新型提取工艺使产品整体收率由82%提高至97%。目前已建成4.4万t/a产能装置,并推进20 t/a扩产计划,产品售价接近石油基顺酐水平,约为1万元/t。
华恒合成生物科技有限公司为安徽华恒生物科技股份有限公司全资子公司,是目前产能规模最大的糖基发酵法生产企业。公司以玉米淀粉为发酵原料,采用欧合生物研发的大肠杆菌工程菌株HB333,在厌氧条件下发酵,糖酸转化率为90%[6]。经工程化的HB333菌株,减少了发酵液中乳酸、乙酸、甲酸、乙醇等副产物的生成,减轻了下游纯化压力。此外,HB333具备抗噬菌体特性,适用于大规模工业化生产。公司目前已建成产能5万t/a的生产装置,并计划扩产。

2.2 混糖发酵

苏州聚维元创生物科技有限公司是清华苏州环境创新研究院孵化的产业化平台,专注于非粮资源高效利用及生物基化学品的规模化制备。公司以工程化大肠杆菌[7]、东方伊萨酵母[8]等为底盘菌株,开发了以玉米秸秆为原料的混糖发酵工艺,打破传统粮源发酵路径,构建了“秸秆预处理-纤维糖化-工程菌发酵”一体化技术路线。在原料处理环节,公司采用木质纤维素三组分清洁分离技术,实现对秸秆中纤维素、半纤维素和木质素的高效分离;并结合AI优化的酶解工艺,使纤维糖化率提升至90%以上,糖化成本较传统工艺降低30%以上。预处理系统适配性强,可灵活处理稻草、小麦秸等多类秸秆原料。在发酵环节,通过底盘菌株和代谢路径调控,实现丁二酸等高值化合物的定向合成,产品纯度可达99.5%,满足聚合级应用需求。目前,公司已建成1.2万t/a的丁二酸生产装置,并与金发生物签署年度采购协议,计划采购不少于1万t秸秆基丁二酸。

2.3 甘油发酵

Succinity GmbH是由德国巴斯夫(BASF)与荷兰科碧恩-普拉克(Corbion Purac)合资设立的企业,基于BASF耐盐菌株制备技术,开发了以甘油为主要原料的生物发酵工艺[9]。发酵过程中通过 Mg(OH)2控制pH稳定,发酵液经过滤、阳离子交换、浓缩与结晶等步骤提纯,丁二酸产率约为78%,产品纯度可达99.5%。目前,公司已建成年产1万t/a的商业化生产装置,产品主要用于PBS、聚氨酯、生物添加剂及基础化工原料等领域。

3 研发热点与进展

本节基于Web of Science核心数据库检索结果,采用文献计量与聚类分析方法,提炼生物基丁二酸领域的研发热点并综述相关进展。文献统计发现(图2),该领域2013年起全球发文量稳步增长,2020年后进入快速增长期,近三年年均发文量超100篇。目前,已有81个国家开展相关研究,中国发文量居首。研发高频关键词包括发酵、酵母、大肠杆菌、产琥珀酸放线杆菌、葡萄糖、回收利用、预处理、优化、生物质、生物炼制等。聚类分析结果显示,研究热点集中在菌株改造与发酵优化、低值原料高效利用、高效分离纯化技术开发及协同发酵平台构建。

3.1 菌株改造与发酵条件优化

工程化菌株的构建是提升丁二酸产量和底物转化率的关键环节,可通过代谢工程手段阻断竞争代谢通路、增强目标产物通量,并提高耐酸性或耐受抑制物的能力。山东大学祁庆生团队构建了一套适用于低pH(pH=3.28)环境的丁二酸发酵体系[10]。该体系以工程化解脂耶氏酵母为核心,通过过表达谷胱甘肽合成酶基因,提高了菌株对木质纤维素水解液中抑制物(如呋喃类、酚类)的耐受能力。在5 L反应器中,丁二酸产量达45.34 g/L,混糖转化率为0.71 g/g。在此基础上,研究团队进一步在线粒体中重构了还原型合成通路,提升NADH供应。在 50 L中试条件下,产酸量提高至111.9 g/L,葡萄糖转化率达0.79 g/g[11]。伊利诺伊大学香槟分校赵惠民团队则构建了适用于低pH(pH=3)条件的东方伊萨酵母工程菌株[12]。通过敲除副产物通路、增强底物转运和拓展碳源利用,菌株在葡萄糖-甘油底物体系中丁二酸产量达109.5 g/L;以甘蔗汁为底物时产量为104.6 g/L,表现出良好的底物适应性与环境耐受性。
发酵条件的优化是提升丁二酸产量和转化率的另一个关键环节,主要包括底物类型、溶氧水平和pH控制等工艺参数的调节。江南大学刘立明团队构建了工程菌株E.coli FW-17,并系统研究了氮源类型、pH控制方式及厌氧阶段碳源浓度对产酸性能的影响。在5 L发酵罐中,选用适宜浓度的玉米浆作为氮源,采用碳酸镁与碳酸钠协同调节pH,并优化厌氧阶段葡萄糖浓度,使丁二酸产量达144.36 g/L,生产强度为1.99 g/(L·h)。进一步在1 000 L反应器中放大验证,仍保持良好的产率和稳定性,产量达143.58 g/L,生产强度维持在1.99 g/(L·h),展现出良好的工业化潜力[13-14]

3.2 低值原料的高效利用

为降低成本并实现可持续发展,木质纤维素类生物质(如秸秆)被视为有潜力的发酵原料。当前研究重点主要包括三方面:一是高效预处理方法的开发;二是预处理后抑制物的去除与耐受;三是葡萄糖与木糖的共利用。
预处理旨在破坏木质素结构、降低纤维素结晶度和聚合度,提升糖化效率[15]。常用方法包括物理法(如机械粉碎)、化学法(如酸碱处理)和生物法(如微生物降解),其中化学法应用最广,但存在副产物积累风险。联合策略如蒸汽爆破-碱处理、氨纤维爆破等可协同提升处理效率并减少抑制物生成[16]。近年来,低共熔溶剂(DES)作为新型绿色溶剂在生物质组分分离中表现出色。青岛农业大学杨建明团队提出的DES-碳酸氢钠复合体系可实现玉米秸秆中木质素高效脱除(效率90.03%),显著提升酶解产糖率(葡萄糖97.47%,木糖92.93%)[17]
预处理副产物(如糠醛、香草醛、乙酸等)会抑制微生物活性,影响发酵效率。主要应对策略包括:一是生物脱毒,利用外源微生物降解抑制物。南京工业大学姜岷团队构建的红球菌N1-S可协同降解酚类与呋喃类,处理后大肠杆菌产酸量提升6.5倍[18];二是构建耐受菌株,增强其在复杂底物环境中的适应性。清华大学张建安团队通过常压室温等离子体诱变获得耐抑制物突变株,丁二酸产量提升113%[19]
此外,提高葡萄糖(六碳糖)和木糖(五碳糖)的共利用能力是提升原料利用率的关键。香港城市大学Lin团队利用酿酒酵母在甘蔗渣水解液中实现混糖协同发酵,丁二酸产量达33.2 g/L[20]。南京理工大学金明杰团队通过抑制副产物相关基因表达并过表达转运蛋白基因,构建出高耐受性的解脂耶氏酵母菌株,在未经脱毒的玉米秸秆水解液中实现葡萄糖与木糖的同步高效利用,丁二酸产量达105.42 g/L,显著提升了混糖转化效率[21]

3.3 高效分离纯化技术开发

在生物法制备丁二酸过程中,发酵液中常伴有乙酸、甲酸、蛋白质和无机盐等副产物,这些杂质会影响产品纯度并增加后续加工成本。因此,开发高效、环保的分离纯化技术成为提升产品质量、降低生产成本的关键。目前,相关研究主要集中于膜分离、离子交换和结晶等工艺,以实现流程简化、能耗降低和纯度提升等多重目标[22]
Luthfi等[23]采用多阶段结晶策略,将结晶时间由6 h延长至9 h,使丁二酸晶体回收率提高了17%。通过三阶段连续结晶并结合四倍浓缩处理,总回收率由55.0%提升至84.8%。Thuy等[24]以水滑石为吸附剂处理丁二酸水溶液,在12个循环周期内实现了平均吸附量0.4 mol/kg、回收率达98%。Schöwe等[25]建立了错流微滤、纳滤与结晶相结合的工艺流程,其中错流微滤有效延缓了膜通量衰减,纳滤可去除蛋白质和多价离子,去除率分别为95.61%和97.7%。最终,经结晶与冷水洗涤后,丁二酸晶体纯度达99.18%,验证了膜-结晶耦合工艺在高纯度产品制备中的可行性。

3.4 协同发酵平台构建

构建以丁二酸为核心的协同发酵平台,实现其与乙醇、乳酸、蛋氨酸、戊二胺等生物基产物的联产,是推动底物高效转化与多元产品协同合成的重要方向。郑州大学徐敬亮团队采用共发酵策略,充分利用甘蔗渣水解液中的葡萄糖与木糖,实现了乙醇与丁二酸的联合生产,两者浓度分别达22.0 g/L和22.1 g/L[26]。韩国全南国立大学Bae团队以竹子为原料,通过温和预处理与多步发酵相结合的工艺,不仅将木聚糖高效转化为木寡糖(转化率83.9%),还实现了乳酸与丁二酸的协同生产。在兼性厌氧条件下,菌株对丁二酸和乳酸理论产率分别达到63.2%与91.3%[27]。浙江工业大学郑裕国团队构建了高效生产O-琥珀酰-L-高丝氨酸(OSH)的工程菌体系,在50 L发酵罐中OSH浓度达到121.7 g/L[28]。基于此,该团队建立了联产系统,成功实现L-蛋氨酸与丁二酸的同步生产,浓度分别为80.1 g/L和63.4 g/L。南工大欧阳平凯院士团队提出了一种基于动态调控策略的戊二胺与丁二酸联产工艺。通过温控启动子调节L-赖氨酸脱羧酶表达,同时敲除ldhA与ackA基因以优化碳流分配,提升目标产物合成效率[29]。在5 L发酵罐中,戊二胺产量为55.58 g/L,糖转化率为0.38 g/g,琥珀酸为产量28.39 g/L,糖转化率为0.19 g/g。

4 结论

生物基丁二酸作为重要的生物基平台化合物,已在全球形成较为完整的研发体系和初步产业化格局。目前,全球产能正稳步扩张,其中中国企业增速尤为显著。在PBS、BDO等下游需求增长及“双碳”政策推动下,市场规模有望进一步扩大。现阶段,产业化仍以糖基发酵为主,混糖发酵和甘油发酵形成有益补充。未来生物基丁二酸研发的重点方向主要包括4个方面:一是通过菌株改造与发酵条件优化来提升丁二酸产量和转化率;二是推动低值尤其是非粮原料的高效、规模化利用,以降低生产成本;三是开发低能耗、可循环的高效分离纯化工艺;四是构建协同发酵与联产平台,提高原料利用率并增加产品附加值。

参考文献

[1]

钟驭涛, 尚长宇, 王言东, . 利用酵母细胞工厂合成丁二酸的研究进展[J]. 生物工程学报, 2024, 40(8):2644-2665.

[2]

孙海萍, 李博抒, 王文怡. “双碳”目标下中国化工行业低碳转型路径研究[J]. 现代化工, 2025, 45(6):1-8.

[3]

Jansen M L A, Verwaal R. Succinic acid production by fermentation at low pH:EP 2297297B1[P].2017-02-08.

[4]

张学礼, 徐洪涛, 李清艳. 生产丁二酸的大肠杆菌基因工程菌及其构建方法与应用:CN 102174455A[P].2011-09-07.

[5]

张乐红, 高金龙. 一种用木薯原料生物转化制备丁二酸成品的工艺:CN 103361385B[P].2015-03-11.

[6]

郑华宝, 姚臻豪. 一种产琥珀酸的大肠杆菌及其构建方法和应用:CN 117143777A[P].2023-12-01.

[7]

姜睿康, 薛怡芸, 李承, . 一种丁二酸的生产方法:CN 116479061A[P].2023-07-25.

[8]

李承, 薛怡芸, 姜睿康, . 一种耐酸东方伊萨酵母及其应用:CN 116656514A[P].2023-08-29.

[9]

Schroder H, Haefner S, Abendroth G V, et al. Microbial succinic acid producers and purification of succinic acid:US 9932612B2[P].2018-04-03.

[10]

Zhong Y T, Gu J H, Shang C Y, et al. Sustainable succinic acid production from lignocellulosic hydrolysates by engineered strains of Yarrowia lipolytica at low pH[J]. Bioresource Technology,2024:408.

[11]

Cui Z Y, Zhong Y T, Sun Z J, et al. Reconfiguration of the reductive TCA cycle enables high-level succinic acid production by Yarrowia lipolytica[J]. Nature Communications, 2023, 14(1):8480.

[12]

Tran V G, Mishra S, Bhagwat S S, et al. Author correction:An end-to-end pipeline for succinic acid production at an industrially relevant scale using Issatchenkia orientalis[J]. Nature Communications, 2024, 15(1):1161.

[13]

王学明. 代谢工程改造大肠杆菌生产琥珀酸[D]. 无锡: 江南大学, 2023.

[14]

王学明, 潘静宇, 吴静, . 调控大肠杆菌胞内ATP和NADH水平促进琥珀酸生产[J]. 生物工程学报, 2023, 39(8):3236-3252.

[15]

曹玉连, 庄伟, 唐成伦, . 木质纤维素预处理实现组分综合利用[J]. 生物加工过程, 2024, 22(2):119-130.

[16]

Dharmaraja J, Shobana S, Arvindnarayan S, et al. Lignocellulosic biomass conversion via greener pretreatment methods towards biorefinery applications[J]. Bioresource Technology,2023:369.

[17]

Wang Z B, Zhou J, Yin Y T, et al. A novel green biorefinery strategy for corn stover by pretreatment with weak alkali-assisted deep eutectic solvents[J]. Green Chemistry, 2024, 26(4):2300-2312.

[18]

Jiang W K, Lei Z X, Gao H Y, et al. Biodetoxification of lignocellulose hydrolysate for direct use in succinic acid production[J]. BioDesign Research, 2024, 6:0044.

[19]

Wu J, Li Y L, Yin J B, et al. Mutation breeding of high-stress resistant strains for succinic acid production from corn straw[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2024, 108(1):278.

[20]

Ong K L, Li C, Li X T, et al. Co-fermentation of glucose and xylose from sugarcane bagasse into succinic acid by Yarrowia lipolytica[J]. Biochemical Engineering Journal, 2019, 148:108-115.

[21]

Ge M S, Sha Y Y, Lu M R, et al. Construction and optimization of efficient glucose-xylose co-fermenting yeast Yarrowia lipolytica for green and sustainable succinic acid production from lignocellulosic biomass[J]. Green Chemistry, 2024, 27(2):450-463.

[22]

鄢凌, 傅宏鑫, 王旭东, . 生物基有机酸提取分离技术研究进展[J]. 过程工程学报, 2018, 18(1):1-10.

[23]

Luthfi A A I, Tan J P, Isa N F A M, et al. Multiple crystallization as a potential strategy for efficient recovery of succinic acid following fermentation with immobilized cells[J]. Bioprocess and Biosystems Engineering, 2020, 43(7):1153-1169.

[24]

Thuy N T H, Boontawan A. Production of very-high purity succinic acid from fermentation broth using microfiltration and nanofiltration-assisted crystallization[J]. Journal of Membrane Science, 2017, 524:470-481.

[25]

Schöwe N, Bretz K, Hennig T, et al. Succinic acid removal and recovery from aqueous solution using hydrotalcite granules:Experiments and modeling[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2015, 54(3):1123-1130.

[26]

Xu C, Alam M A, Wang Z M, et al. Co-fermentation of succinic acid and ethanol from sugarcane bagasse based on full hexose and pentose utilization and carbon dioxide reduction[J]. Bioresource Technology, 2021, 339:125578.

[27]

Song Y H, Lee Y G, Ahn Y S, et al. Utilization of bamboo as biorefinery feedstock:Co-production of xylo-oligosaccharide with succinic acid and lactic acid[J]. Bioresource Technology, 2023, 372:128694.

[28]

Tang X L, Liu Y L, Zhao K, et al. Construction of an efficient O-succinyl-L-homoserine producing cell factory and its application for coupling production of L-methionine and succinic acid[J]. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2025, 73(3):2068-2076.

[29]

Gao S Y, Lu J C, Wang T T, et al. A novel co-production of cadaverine and succinic acid based on a thermal switch system in recombinant Escherichia coli[J]. Microbial Cell Factories, 2022, 21(1):248.

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