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Die
Erfindung betrifft ein Filtermodul und eine Vorrichtung zur statischen
Filtration von Flüssigkeiten
unter Verwendung flächiger
Zuschnitte aus Abstandshalterschichten und dazwischen angeordneter Tiefenfilterschichten.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist verwendbar zur Entfernung von Stoffen
aus Flüssigkeiten durch
statische Filtration, insbesondere zur Klarfiltration und Sterilfiltration
in den Bereichen der Lebensmittel-, Getränke- Pharma- und Chemie-Industrie, sowie
im Bereich der Umwelttechnik. Die Entfernung der Stoffe erfolgt
vorzugsweise mit einem Filtermodul und einer Vorrichtung, mit denen
eine Vielzahl parallel verlaufender statischer Filtrationen durchführbar ist.
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Unter
Tiefenfilterschichten werden planare Schichten verstanden, die aus
faserhaltigen Filtermaterialien, aufgebaut sind und gegebenenfalls
Zusatzstoffe enthalten können.
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Filtermodule
und Vorrichtungen zur statischen Filtration von Flüssigkeiten
unter Verwendung flächiger
Zuschnitte aus Abstandshalterschichten und dazwischen angeordneter
Tiefenfilterschichten sind bekannt. Die deutsche Patentanmeldung B17034
IV/12d, ausgelegt am 15.10.53 beschreibt ein Filtermodul, dass aus
einem Stapel gepresst gehaltener Zuschnitte von Tiefenfilterschichten
oder gepresst gehaltener Zuschnitte aus Leitscheiben und dazwischen
angeordneter Tiefenfilterschichten besteht. Die Zuschnitte der Leitscheiben
oder der Tiefenfilterschichten haben Aussparungen zur Zuführung und
Aufnahme von zu filtrierender Speiseflüssigkeit und zur Aufnahme und
Abführung
von Filtrat. Nachteilig ist, dass die Zuführung von Speiseflüssigkeit
aus einem den Stapel umgebenden Ringraum über relativ kleine Durchbrechungen
im äußeren peripheren
Bereich und die Abführung
von Filtrat über relativ
kleine Durchbrechungen im inneren Umfangsbereich der jeweiligen
Aussparungen erfolgt, was zu die Filtrationsleistung vermindernden
Druckverlusten führt.
Nachteilig ist weiter, dass die Aussparungen in den Tiefenfilterschichten
die Filtrationsleistung durch Verlust an Filterfläche verringert.
Darüber
hinaus besteht ein weiterer Nachteil darin, dass bei Verwendung
von in der Speiseflüssigkeit
quellfähigen
Tiefenfilterschichten die Aussparungen durch die Quellungen des
Filtermaterials zumindest teilweise verstopfen, was bis zur Blockierung
der Filtration führen kann.
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Die
EP 1 104 331 B1 beschreibt
ein Filtermodul mit Lagen aus Tiefenfilterschichten von fasrigem Filtermaterial,
zwischen denen Abstandselemente aus drainierenden Schichten angeordnet
sind. Die drainierenden Schichten und die Tiefenfilterschichten sind
spaltfrei aufeinander gestapelt und die drainierenden Schichten
sind wechselseitig zum Filtrat-/Unfiltratraum mittels Dichtelementen
abgedichtet. Die drainierenden Schichten weisen am jeweils anderen Übergang
zum Unfiltrat-/Filtratraum Durchflusselemente auf und die Dichtelemente
und die Durchflusselemente haben Mittel zum gegenseitigen Verbinden.
Nachteilig ist, dass auch die Tiefenfilterschichten entsprechende
zum Filtratraum weisende Dichtelemente aufweisen müssen, wodurch
die Filtermodule verteuert werden. Nachteilig ist weiterhin, dass
die Durchflusselemente den Ein- und Auslass von Speiseflüssigkeit
und Filtrat behindern und zu Druckverlusten führen, sowie der komplizierte
Aufbau der Dichtelemente und Durchflusselemente mit den Mitteln,
wie Vorsprünge,
Ringe, Noppen oder dergleichen zum gegenseitigen Verbinden. Derartige
Mittel können
zu Beschädigungen
der Filterschichten und damit zu unzulässigen Durchbrüchen ungefilterter Speiseflüssigkeit
führen,
insbesondere wenn zusätzlich
zu den Tiefenfilterschichten empfindliche Filterschichten verwendet
werden.
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Die
EP 1 112 114 B1 beschreibt
ein Filtermodul mit Sammler-Nerteilerschichten für Filtrat und Unfiltrat, zwischen
denen jeweils mindestens eine Filterschicht aus Tiefenfiltermaterial
angeordnet ist. Die Filterschichten und die Sammler-Nerteilerschichten sind
spaltfrei aufeinander geschichtet, und sie sollen aus demselben
Basismaterial gefertigt sein, unterschiedliche Durchlässigkeit
und/oder Abscheidegrade aufweisen und wechselseitig zu dem Filtrat-/Unfiltratraum
mittels Dichtelementen abgedichtet sein. Die Dichtelemente sind
aus derjenigen Filterschicht mit dem höchsten Abscheidegrad oder aus
mit Harz getränkter
Filterschicht gefertigt oder sie stellen Formteile dar, die Mittel
zum gegenseitigen Verbinden aufweisen. Nachteilig ist, dass wertvolle
Filterschichten für
die Fertigung der Dichtelemente verwendet werden, wodurch auch Filterfläche verloren geht
oder das zusätzliche
Formteile als Dichtelemente verwendet werden, die darüber hinaus
noch Mittel zum gegenseitigen Verbinden aufweisen müssen, was
zu einer kostenaufwendigen Fertigung der Filtermodule führt.
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In
der WO 01/83077 A1 wird ein Filtermodul beschrieben, mit Lagen aus
Tiefenfilterschichten zwischen Stützschichten, wobei zwischen
den Tiefenfilterschichten und den Stützschichten benachbart zum Auslass
für Filtrat
eine erste Dichtung vorhanden ist und zwischen den Tiefenfilterschichten
und den Stützschichten
benachbart zum Einlass für
Speiseflüssigkeit
eine zweite Dichtung vorhanden ist. Die Dichtung wird erzeugt, in
dem eine auf den Stützschichten
angebrachte, spitz umlaufende Dachwulst (englisch: knife) in die
benachbarte Tiefenfilterschicht gepresst wird. Nachteilig ist, dass
das Filtermaterial beim unsachgemäßen Einpressen der Wulst zerstört werden
kann, das Totvolumen des Moduls erhöht wird und die Stützschichten
mit den Dachwülsten kostenaufwendig
hergestellt werden müssen.
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Filtermodul und
eine Vorrichtung zur statischen Filtration von Flüssigkeiten
unter Verwendung von Tiefenfilterschichten bereitzustellen, welche
aus einfachen und wenigen Bauteilen bestehen, sowie eine hohe Filtrationssicherheit
gewährleisten.
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Die
Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen definiert.
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Das
erfindungsgemäße Filtermodul
besteht aus zwei über
Verbindungsmittel miteinander verbundenen Endkappen und aus einem
dazwischen gepresst angeordneten Stapel kongruenter flächiger Zuschnitte
mit mindestens einem im Inneren des Filtermoduls angeordneten Kanal,
der durch entsprechende Öffnungen
in den Zuschnitten und in mindestens einer der Endkappen gebildet
ist. Die Zuschnitte bestehen aus mindestens einer Abfolge drainierender
Abstandshalterschichten mit dazwischen angeordneten Tiefenfilterschichten.
Die Abstandshalterschichten verfügen randseitig über für Flüssigkeiten undurchlässige Dichtmittel,
welche alternierend am äußeren Umfang
oder am inneren Umfang zu dem mindestens einen Kanal hin vorhanden
sind. Erfindungswesentlich ist, dass sich die Dichtmittel in den Ebenen
der Abstandshalterschichten und über
eine Breite erstrecken, die mindestens der Höhe des Zuschnittes der benachbarten
Tiefenfilterschicht entspricht. Dadurch ist nämlich gewährleistet, dass die zu filtrierende
Speiseflüssigkeit über die
gesamte Fläche
der Tiefenfilterschichten hinweg mindestens einen Weg durch die
Tiefenfilterschicht zurücklegen muß, welcher
der Dicke der Tiefenfilterschicht im fertigen Filtermodul entspricht
und keine Kurzschlüsse im
Bereich der Kanten auftreten können,
was zu einem Durchbrechen der abzutrennenden Stoffe führen würde. Bei
der herrschenden Druckdifferenz zwischen dem äußeren Raum um das Filtermodul
herum für
Speiseflüssigkeit
und dem Filtratraum für
Filtrat dringt die Speiseflüssigkeit überwiegend
in die offene drainierende Abstandshalterschicht ein, passiert die Tiefenfilterschichten
und wird über
die drainierende Abstandshalterschicht in den Filtratraum geleitet
und über
den Auslaß für Filtrat
aus dem Gehäuse
der Filtervonichtung abgeleitet.
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Für den Aufbau
eines erfindungsgemäßen Filtermoduls
sind somit lediglich zwei Arten von Zuschnitten erforderlich, Zuschnitte
an Tiefenfilterschichten und Zuschnitte an Abstandshalterschichten,
wobei letztere mit einem Dichtmittel entweder am äußeren Umfang
oder am inneren Umfang zu dem mindestens einen Kanal hin ausgestattet
sind. Dadurch, dass die Dichtmittel in der Ebene der Abstandshalterschichten
liegen, sind Verletzungen der benachbarter Tiefenfilterschichten
oder anderer Filterschichten, wie z.B. Membranfilterschichten ausgeschlossen.
Durch die Dichtmittel wird kein oder kein wesentliches zusätzliches
Totvolumen hervorgerufen.
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Überraschenderweise
wurde gefunden, dass im Bereich der Kanten der Tiefenfilterschicht
dann kein Kurzschlussweg für
die zu filtrierende Speiseflüssigkeit
entsteht, und diese einen kürzeren
Weg als die Höhe
der Tiefenfilterschicht in ihr zurücklegt, wenn in den Abstandshaltern
die Dichtmittel eine Breite aufweisen, die der Höhe der Tiefenfilterschicht entspricht.
Das hat seine Ursache offenbar darin, daß zum Einen die Druckdifferenz
mit der Länge
des Einströmkanals
in der Abstandshalterschicht in Richtung Filtratraum abnimmt und
der Filtrationswiderstand in der Tiefenfilterschicht in den Kantenbereichen
so hoch ist, dass er durch bei der an diesen Orten herrschenden
Druckdifferenz durch die Speiseflüssigkeit nicht mehr überwunden
werden kann und zum Anderen die Filterschicht benachbart zu den
Dichtmitteln durch das Zusammenpressen der Tiefenfilterschichten
und gegebenenfalls durch das Quellen der Tiefenfilterschichten in
der Speiseflüssigkeit
so weit verdichtet ist, dass kein Filtrat über die dem Filtratraum benachbarte
Kante der Tiefenfilterschicht in diesen übertreten kann, sondern zwangsweise über den
Abstandshalter in den Filtratraum eintreten muß, wobei die Speiseflüssigkeit
einen Weg zurücklegt,
der nicht kürzer
ist als die Höhe
der Tiefenfilterschicht.
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Vorzugsweise
haben die Dichtmittel die gleiche Höhe wie die Abstandshalterschichten.
Die Dichtmittel können
aber auch in den Ebenen der Abstandshalterschichten höher sein
als die Abstandshalterschicht, vorzugsweise wenigstens 10 µm. Das ist
insbesondere dann zweckmäßig, wenn
die Tiefenfilterschichten über
raue Oberflächen
verfügen
oder wenn stark partikelhaltige Speiseflüssigkeiten zu filtrieren sind.
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Die
Dichtmittel bestehen aus einem dauerelastischen Material. Sie werden
separat vor dem Zusammenfügen
des Filtermoduls in dem Fachmann geläufiger Weise in flüssiger Form
in die Abstandshalterschichten eingebracht und ausgehärtet. Vorzugsweise
besteht das dauerelastische Material aus einem Silikon- oder aus
einem Polyurethankunststoff. Die Abstandshalterschichten bestehen
aus durch Fasern oder Drähte
gebildeten Zuschnitten, wobei die Zuschnitte als Gewebe, Gewirke,
Gitter, Vliese bestehen. Die Fasern und Drähte bestehen vorzugsweise aus
Polymermaterialien. Oft, insbesondere bei der Filtration partikelhaltiger
Speiseflüssigkeiten kann
es günstig
sein, auf der Anströmseite
für die Speiseflüssigkeit
Zuschnitte zu verwenden aus gröberen
Fasern oder Drähten
und mit größeren Abständen zwischen
den Fasern oder Drähten
als auf der Abströmseite
für Filtrat.
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Die
Tiefenfilterschichten bestehen aus fasrigem Tiefenfiltermaterial.
Vorzugsweise werden solche verwendet, die unterschiedliche Abscheidegrade besitzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind mehrere Tiefenfilterschichten mit gleichen oder
unterschiedlichen Abscheidegraden aufeinander in Reihe zur Bildung
von Stufenfiltern gestapelt. Die Tiefenfilterschichten können aus
Fasern bestehen, welche chromatographische Eigenschaften gegenüber bestimmten
Stoffen aufweisen. Die Fasern können
chemisch modifiziert sein. Die Tiefenfilterschichten können in
einer alternativen Ausführung auch
partikuläre
Teilchen, wie zum Beispiel Aktivkohlepartikel, enthalten, die ihrerseits
chromatographische Eigenschaften gegenüber bestimmten Stoffen in der
Speiseflüssigkeit
aufweisen. Unter chromatographischen Eigenschaften sollen solche
verstanden werden, die mit abzutrennenden Stoffen in Wechselwirkung
treten. Die Wechselwirkungen können
durch Adsorptionen, chemische Bindungen oder elektrostatische Kräfte hervorgerufen
werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung weisen die Tiefenfilterschichten einen Abscheidegradienten
auf. Der Abscheidegradient wird durch sich mit der Dicke der Tiefenfilterschicht
verändernde Faserdurchmesser
und/oder Packungsdichten der Fasern hervorgerufen.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung bestehen die Filterschichten aus einem Verbund einer
Tiefenfilterschicht und einer Filtermembranschicht. Dazu ist die
Filtermembranschicht mindestens an dem Umfang der Tiefenfilterschicht
randseitig fluiddicht mit der Tiefenfilterschicht verbunden, der
dem Filtratabfluß benachbart
ist. Die Verbindung zwischen Filtermembran und Tiefenfilter kann
durch Aufsiegeln der Membran unter Anwendung von Temperatur und
Druck erzeugt worden sein. Die Verwendung von Filterschichten als
Verbund zwischen Tiefenfilterschicht und Filtermembranschicht wird
erst durch die erfindungsgemäße Verwendung
des Dichtmittels möglich,
das über
keinerlei Vorsprünge,
Ringe, Noppen, Wülste
und dergleichen aufweist, womit sichergestellt wird, dass die empfindliche
Filtermembranschicht unter dem Pressdruck im Filtermodul nicht zerstört wird.
Die Filtermembranschicht in dem Verbund erhöht zum einen die Filtrationssicherheit
und gestattet zum anderen ein größeres Spektrum
in der Abscheidung von Stoffen. So können Filtermembranschichten
im Mikrofiltrationsbereich eingesetzt werden, deren Porendurchmesser
ein sicheres Zurückhalten
von Mikroorganismen, wie Bakterien erlauben, oder es können bestimmte
Stoffe, wie beispielsweise Proteine zurückgehalten werden durch Verwendung
von Filtermembranschichten im Ultrafiltrationsbereich, oder es können gezielt
Wertstoffe oder Toxine zurückgehalten
werden, in dem spezifisch wirkende Filtermembranschichten aus Membranadsorbern
in dem Verbund verwendet werden. Die Endkappen mit dem dazwischen
angeordneten Stapel aus flächigen
Zuschnitten sind durch Verbindungsmittel zu dem Filtermodul verbunden.
In einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung durchsetzt ein für
Flüssigkeiten
durchlässigen
Rohr den mindestens einen Kanal im Filtermodul. Erfindungsgemäß können die
Verbindungsmittel zum Verbinden der Endkappen über mindestens eine Zugstange
verfügen.
Diese Zugstangen sind beispielsweise am äußeren Umfang mit den Endkappen
verbunden. Vorzugsweise sind die Endkappen dafür größer ausgebildet als die Zuschnitte.
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Die
Aufgabe der Erfindung wird weiter gelöst durch eine Vorrichtung zur
statischen Filtration von Flüssigkeiten
bestehend aus einem Gehäuse
mit mindestens einem Einlaß für zu filtrierende
Speiseflüssigkeit
und mit mindestens einem Auslaß für Filtrat
und mindestens einem dazwischen angeordneten Filtermodul. Das Filtermodul
besteht aus zwei über Verbindungsmittel
miteinander verbundenen Endkappen und aus einem dazwischen gepresst
angeordneten Stapel kongruenter flächiger Zuschnitte mit mindestens
einem im Inneren des Filtermoduls angeordneten Kanal, der durch
entsprechende Öffnungen in
den Zuschnitten und mindestens einer der Endkappen gebildet ist.
Die Zuschnitte bestehen aus Abfolgen drainierender Abstandshalterschichten
mit dazwischen angeordneten Tiefenfilterschichten und die Abstandshalterschichten
verfügen
randseitig über
für Flüssigkeiten
undurchlässige
Dichtmittel, welche alternierend am äußeren Umfang oder am inneren
Umfang zu dem mindestens einen Kanal hin vorhanden sind. Die Dichtmittel
erstrecken sich dabei erfindungsgemäß in den Ebenen der Abstandshalterschichten
und über
eine Breite, die mindestens der Höhe des Zuschnittes der unmittelbar
benachbarten Filterschicht entspricht.
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Die
Erfindung soll nun an Hand der 1 bis 3 erläutert werden. Dabei zeigen 1 ein erfindungsgemäßes Filtermodul
in Explosionsdarstellung,
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2 schematisch einen Längsschnitt
durch ein Filtermodul mit Tiefenfilterschicht und drainierenden
Abstandshalterschichten und
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3 schematisch einen Längsschnitt
durch ein Filtermodul mit Tiefenfilterschicht in Kombination mit
einer Filtermembranschicht.
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Gemäß 1 sind in dem erfindungsgemäßen Filtermodul 1 zur
statischen Filtration von Flüssigkeiten
die beiden Endkappen 3, 3' über ein Verbindungsmittel 2 miteinander verbundenen.
Das Verbindungsmittel 2 besteht in der gezeigten Ausführungsform
aus einem für
Flüssigkeiten
durchlässigen
Rohr 20, welches an seinen Enden mit den Endkappen beispielsweise
verschweißt
ist. Zwischen den Endkappen 3, 3' ist ein Stapel kongruenter flächiger Zuschnitte 4 gepresst
angeordnet. Im Inneren des Filtermoduls 1 ist ein Kanal 5 ausgebildet,
der durch entsprechende Öffnungen
in den Zuschnitten und in der Endkappe 3' gebildet ist. Die Zuschnitte bestehen aus
Abfolgen drainierender Abstandshalterschichten 8, 8' mit dazwischen
angeordneten Tiefenfilterschichten 9. Die Abstandshalterschichten 8, 8' verfügen randseitig über für Flüssigkeiten
undurchlässige Dichtmittel 10, 10', welche alternierend
am äußeren Umfang
(10) oder am inneren Umfang (10') zu dem Kanal 5 hin vorhanden
sind. Die Dichtmittel 10, 10' erstrecken sich in den Ebenen
der Abstandshalterschichten 8, 8' und über eine Breite 11,
die der Höhe der
benachbarten Filterschicht 12 entspricht (2). In den in den 1 bis 3 gezeigten
Ausführungsformen
der Erfindung ist die Höhe
des Dichtmittels 10, 10' gleich der Höhe der Abstandshalterschicht 8, 8'. Die Dichtmittel 10, 10' bestehen aus
einem dauerelastischen Material 13, welches vorzugsweise
ein Silikonkunststoff ist.
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Die
Abstandshalterschichten 8, 8' bestehen aus von Fasern oder Drähten gebildeten
Zuschnitten. Dabei kann es sich um Gewebe, Gewirke, Gitteroder Vliese
handeln. Die Tiefenfilterschicht 9 besteht aus fasrigem
Tiefenfiltermaterial, welches auch chromatographische Eigenschaften
aufweisen kann. Alternativ sind, wie in der 2 angedeutet, partikuläre Teilchen 22 mit
chromatographischen Eigenschaften in der Tiefenfilterschicht 9 eingelagert.
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In
der 3 ist eine Ausführungsform
der Erfindung dargestellt, bei der die Tiefenfilterschichten 9 als
Verbund 16 mit einer Filtermembranschicht 23 ausgebildet
sind. Die Filtermembranschicht 23 ist an der Umfangsebene
der Tiefenfilterschicht 17 randseitig fluiddicht mit der
Tiefenfilterschicht 9 verbunden, die dem Filtratraum 18 benachbart
ist. Die Verbindung zwischen Tiefenfilterschicht 9 und
Filtermembranschicht 23 ist vorzugsweise eine Siegelverbindung 19.
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Zur
Durchführung
der statischen Filtration mit einer nicht dargestellten Vorrichtung
wird das erfindungsgemäße Filtermodul 1 in
ein Gehäuse
mit mindestens einem Einlaß für zu filtrierende
Speiseflüssigkeit
und mit mindestens einem Auslaß für Filtrat
eingebaut. Wie durch die Flußpfeile
in 2 angedeutet, dringt
bei der herrschenden Druckdifferenz zwischen äußeren Raum 24 der
Speiseflüssigkeit und
dem Filtratraum 18 die Speiseflüssigkeit überwiegend in die drainierende
Abstandshalterschicht 8' ein,
passiert die Tiefenfilterschicht 9 und wird über die drainierende
Abstandshalterschichten 8 in den Filtratraum 18 geleitet
und über
den Auslaß für Filtrat aus
dem Gehäuse
der Vorrichtung abgeleitet. Damit im Bereich der Kanten der Tiefenfilterschicht 9 kein Kurzschlussweg
für die
zu filtrierende Speiseflüssigkeit
entsteht und diese einen geringeren Weg als die Höhe der Tiefenfilterschicht 12 in
der Tiefenfilterschicht 9 zurücklegt, verfügen die
Abstandshalter über
eine Dichtmittelbreite 11, die der Höhe 12 der Tiefenfilterschicht
entspricht. Das soll durch die Flusspfeile 25 und 25' veranschaulicht
werden. Da die Druckdifferenz mit der Länge des Einströmkanals der
Abstandshalterschicht 8' in
Richtung Filtratraum 18 abnimmt und die Filterschicht 9 benachbart
zum Filtratraum 18 durch das Zusammenpressen der Zuschnitte
und gegebenenfalls durch das Quellenverhalten der Tiefenfilterschicht 9 verdichtet
ist, tritt das Filtrat nicht über
die dem Filtratraum 18 benachbarte Kante 26 in
diesen über,
sondern zwangsweise über den
Abstandshalter 8, wie das durch die Flusspfeile 25' veranschaulicht
ist.
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- 1
- Filtermodul
- 2
- Verbindungsmittel
- 3
- Endkappe
- 3'
- Endkappe
- 4
- Stapel
kongruenter flächiger
Zuschnitte
- 5
- Kanal
- 6
- Öffnungen
in den Zuschnitten
- 7
- Öffnung der
Endkappen
- 8
- drainierende
Abstandshalterschicht
- 8'
- drainierende
Abstandshalterschicht
- 9
- Tiefenfilterschicht
- 10
- Dichtmittel
- 10'
- Dichtmittel
- 11
- Breite
der Dichtmittel
- 12
- Höhe der unmittelbar
benachbarten Filterschicht
- 13
- dauerelastisches
Material
- 14
- Fasern
oder Drähten
- 15
- Gewebe,
Gewirke, Gitter, Vliese
- 16
- Tiefenfilterschicht
als Verbund mit einer Filtermembranschicht
- 17
- Umfangsebene
der Tiefenfilterschicht
- 18
- Filtratraum
- 19
- Siegelverbindung
- 20
- für Flüssigkeiten
durchlässigen
Rohr
- 21
- Speiseflüssigkeit
- 22
- Partikuläre Teilchen
- 23
- Filtermembranschicht
- 24
- Äußerer Raum
für Speiseflüssigkeit
- 25
- Flußpfeil
- 25'
- Flusspfeil
- 26
- Kante