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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Luftreinigung sowie einen stationären Biofilter zur Entsorgung des Waschwassers der Vorrichtung.
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Zur Zeit erfolgt der Prozess der Luftreinigung normalerweise über mechanische Filtersysteme für Staub oder über sogenannte „grüne Systeme“ für gelöste Stoffe, wie Kohlendioxid oder NO x beziehungsweise Feinstaub. Weltweit tritt in vielen Städten besonders bei Inversionswetterlagen und ungünstigen Geländebedingungen, wie Muldenlagen oder geringem Windaufkommen das Problem einer lokal erhöhten Konzentration von Stickoxiden und Kohlendioxid sowie Feinstaub auf.
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Nach Daten des Umweltbundesamtes hat es seit 1990 in Deutschland nicht in allen Bereichen der Luftverschmutzung ausreichende Fortschritte gegeben. Besonders unbefriedigend stellt sich die Entwicklung bei Ammoniak (NH3) dar. Hier hat es seit 1990 praktisch keine Verbesserung gegeben. Danach folgen NO2, Feinstaub, CO2, und VOC's (volatile organic compounds). Letztere vier Komponenten entstehen vor allem durch ein erhöhtes Verkehrsaufkommen.
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Feinstaubmessungen haben ergeben, dass die mittlere Verweilzeit der Schadstoffe an einem Ort mehr als einen Tag, also mehr als 24 Stunden, betragen kann. Schadstoffe auf der Straße akkumulieren also bei bestimmten Wetterlagen. Es muss daher davon ausgegangen werden, dass weit höhere Konzentrationen vorliegen, als sie von den Messtellen tatsächlich erfasst werden, also zum Beispiel für NO2 statt 200µg/m3 Werte im mg/m3-Bereich.
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Folglich wäre es falsch, die Stadtluft zu reinigen, nachdem sich die Schadstoffe bereits durch Verdünnung ausgebreitet haben.
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Bekannt sind bisher lediglich Reinigungsfahrzeuge für die Straßenreinigung, die Schmutz und Luft ansaugen und den Schmutz in mindestens einem Tank im Fahrzeuginneren abscheiden. Ein derartiges, mit zwei Tanks ausgestattetes Reinigungsfahrzeug geht beispielsweise aus der
DE 20 2007 013 627 U1 oder aus der
EP 0 452 979 B1 hervor.
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Die
US 4 885 817 A befasst sich ebenfalls mit einem solchen Spezialfahrzeug zur Straßenreinigung, bei dem eine Nassabscheidung von Staubpartikeln vorgesehen ist.
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Ferner beschreibt die
DE 2 836 964 A1 ein Nassfilter, das zur Reinigung von Staub- und schadgashaltiger Luft eine Waschstrecke, einen Wasserkasten und eine Wasserpumpe aufweist.
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Eine Vorrichtung zur Nassabscheidung von Partikeln aus einem Gasstrom mit einer Düseneinheit geht darüber hinaus aus der
DE 20 2017 104 076 U1 hervor.
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Aus der
DE 20 2008 009 666 U1 ist es auch bekannt, zur Luftreinigung eine flüssige Mischung aus Enzymen und Bakterien zu verwenden, die auf ein Trägermaterial aufgebracht ist.
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Die
DE 295 403 425 U1 beschreibt darüber hinaus ein Luftfilter für Fahrzeuge, der mit Pflanzen bestückt ist.
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Die Verwendung eines Biofilters mit Algen beziehungsweise Lemna wird in dem Schutzrecht
DE 20 2015 005 392 U1 beschrieben.
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Ganz allgemein ist es darüber hinaus zum Beispiel aus der
WO 2014/13152 A1 bekannt, bei Wasserlinsen-Kulturflächen zumindest einen Anteil ihres Kulturflächenbesatzes abzuernten und die geerntete Biomasse zu trocknen, um sie in einem Durchleitfilter als Filtersubstrat für Gülle einzusetzen. Dabei wird das Wasser von einer Wanne zur nächsten Wanne weitergeleitet und während dieses Prozesses gereinigt.
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Der Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, eine Möglichkeit der effizienten Luftreinigung zu schaffen, die unmittelbar dort erfolgt, wo die Verunreinigung entsteht. Darüber hinaus sollte die Entsorgung der Schadstoffe möglichst auf biologischem Wege und nachhaltig gewährleistet sein.
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Die Erfindung löst diese Problemstellung mit den Merkmalen der unabhängigen Schutzansprüche 1 und 11.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der sich jeweils anschließenden Unteransprüche.
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Aus der verhältnismäßig langen Verweilzeit verunreinigter Luft an einem Ort, die, wie bereits ausgeführt wurde, mehr als 24 Stunden betragen kann, ergibt sich der allgemeine, erfindungsgemäße Lösungsansatz, ein mobiles System einzusetzen, das beispielsweise Bestandteil eines am Straßenverkehr teilnehmenden Fahrzeugs ist. Das System nutzt dabei die Fotosynthese, bei der die Elemente C und N in Biomasse umgesetzt werden. Dies geschieht mit erhöhter, nachprüfbarer Effizienz, in dem die schadstoffreiche Luft in das System aufgenommen wird, wobei der Volumenstrom messbar und einstellbar ist.
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In zwei weiteren Stufen wird zunächst die Luft in dem System gewaschen, indem die gelösten Schadstoffe in das Waschwasser überführt werden. Das Waschwasser wird in einem Tank gesammelt, angereichert und abschließend in einem stationären Biofilter in Biomasse überführt. Die dadurch erzeugte Biomasse ist hochwertig und kann beispielsweise als Futtermittel verwertet werden.
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Ein erfindungsgemäßes Fahrzeug zur Luftreinigung weist dementsprechend einen Lufteinlass für die verunreinigte Luft auf. Der Eintritt der Luft erfolgt insbesondere, jedoch nicht zwangsläufig ausschließlich, durch den Fahrtwind in einen Luftkanal. Dieser Luftkanal ist bevorzugt trichterförmig ausgeführt, wobei der Öffnungsquerschnitt über die größten Abmessungen verfügt und sich der Luftkanal, in Strömungsrichtung betrachtet, verjüngt. An seinem dem Einlass gegenüberliegenden Ende weist der Luftkanal zudem einen Kompressor oder Ventilator auf. Dieser wirkt unterstützend für den Staudruck der zugeführten Luft. Im Anschluss an die Lufteinleitung in den Luftkanal erfolgt die Führung der Luft durch mehrere Wäscher, die in Reihe, einander folgend oder parallel zueinander angeordnet sein können. Die Wäscher enthalten mit Mikroalgen versetztes Wasser, das so bezeichnete „Waschwasser“. In den Wäschern wird dieses Waschwasser beispielsweise über feine Kegeldüsen innerhalb eines Kreislaufes umgepumpt.
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Letztlich wird das Waschwasser in einen Tank oder Vorratstank überführt, aus dem das Waschwasser an die Wäscher zurückgeführt wird, sodass es in einem Kreislauf geführt ist. Am Ende des Reinigungsprozesses erfolgt die Abgabe der gereinigten Luft („Reinluft“) an die Umgebung.
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Sämtliche Komponenten sind dabei aus transparentem Material gefertigt, um die im Waschwasser enthaltenen Mikroalgen bei der Fotosynthese zu unterstützen. Alternativ hierzu kann auch eine Beleuchtung in den Wäschern vorgesehen werden, die diese Fotosynthese fördert, die also insbesondere ausreichend UV-Anteile aufweist.
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Die Wäscher sind zudem bevorzugt als Leichtbaukonstruktion ausgeführt, um Gewicht zu sparen.
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Für das Fahrzeug ist sinnvollerweise ein Elektroantrieb vorgesehen.
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Bei einem pH-Wert <6,0 gilt das Waschwasser im Tank als gesättigt und wird in ein offenes Becken entleert, das mit Wasserpflanzen bestückt ist und erntefähige Biomasse aus den Schadstoffen Kohlenstoff und Stickstoff erzeugt. Das Becken oder Depot kann dabei ein Fassungsvermögen von beispielsweise >100 m3 Volumen aufweisen. Zum Beispiel können in dem Becken Wasserlinsen (Lemna) zum Einsatz kommen, die eine weitere Nährstoffverwertung gewährleisten. Die Wasserlinsen können zusammen mit Mikroalgen, die an den Wurzeln der Wasserlinsen andocken, mechanisch geerntet und einer hochwertigen Verwendung zugeführt werden. Mit der Erfindung ist auf diese Weise insgesamt eine Nachhaltigkeit gewährleistet.
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Die Erfindung betrifft allgemein ein mobiles Reinigungssystem, das in ein straßentaugliches Fahrzeug integrierbar ist. Ein mobiles System hat den Vorteil, dass es energetisch günstiger ist, als rein stationäre Anlagen, weil die verunreinigte Luft dort „abgeholt“ wird, wo sie entsteht oder „steht“. Das System erfasst dabei sowohl Teilchen (Feinstaub, Staub), als auch gelöste Stoffe und chemische verbindungen der eingangs genannten Art. Zudem erzeugt die Verwendung des Waschwassers eine als angenehm empfundene Feuchtigkeit in der gereinigten Luft. Das Grundprinzip der Erfindung besteht folglich darin, aus Schadstoffen, wie NO2 oder CO2, Nährstoffe zu erzeugen.
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Als Beispiel für den Einlass der Luft am Fahrzeug kann beispielsweise eine Fläche von A = 1 m2 vorgesehen werden. Die Luftgeschwindigkeit kann v = 10 m/s betragen, sodass dV/dt = 10 m3/s beträgt.
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Bei einer Sammelfläche an der Fahrzeugfront von 2m2 und einer Geschwindigkeit von 36 km/h =10m/s werden unter Mitwirkung des Staudrucks 20m3/s oder 72000m3/h Schmutzluft eingesogen.
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Messungen an einem Wäscherprototypen haben folgende Wirkungsgrade für die einzelnen Komponenten ergeben:
| Für CO2: | -60% |
| Für NOx: | -50% |
| Für Feinstaub: | -60% |
| Für VOC: | -80% |
| Für NH3: | -50%. |
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Diese Werte wurden mit reinem Wasser als Waschwasser erzielt. Gezielte Zusätze von Mikroalgen führen zu verbesserten Werten. Obige Zahlen beziehen sich auf einstufige Wäscher im Gegenstromverfahren. Sollten höhere Reinigungswerte erwünscht sein, können zwei- oder mehrstufige Wäscher zum Einsatz kommen, mit denen zum Beispiel bei CO2 Werte von -84% erreichbar sind.
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Das aufkonzentrierte Waschwasser stellt im Prinzip ein stark belastetes Regenwasser dar, wie es nach langen Trockenperioden auftritt. Es enthält wichtige Nährstoffe für Pflanzen, wie NO3, NH4, HCO3, die Elemente N und C. Diese Elemente beziehungsweise chemischen Verbindungen sind auch essentielle Bestandteile von Pflanzendüngern und stellen für ein Klärwerk kein Problem dar. Das Waschwasser wird dem Symbiofilter zugeführt. Dieser stellt eine Art technisch kompaktes Pflanzenklärwerk dar. Die stationären Biofilter könnten beispielsweise in Klärwerken oder auf Bauernhöfen, Tierställen (Quellen für NH3) betrieben werden und die ursprünglichen Schadstoffe aus der Stadtluft zum Beispiel in Futtermittel einbringen.
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NO2 ist ein giftiges, bräunlich gefärbtes Gas, das bei Verbrennungsprozessen bei hohen Temperaturen entsteht. Bei niedriger Temperatur neigt es zur Dimerisation unter Bildung von N2O4. Letzteres geht bei -11° C in einen festen Aggregatzustand über.
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Um die Effizienz des Wäschers zu steigern, kann daher in Strömungsrichtung betrachtet, vor dem Wäscher eine Kühlfalle installiert werden, bei der sich festes N2O4 aus dem Gasstrom an der Kühlfläche (<-11° C) abscheidet. Dieser Feststoff wird nach einer Fahrt mechanisch abgesammelt und einer chemischen Verarbeitung mit Hilfe von AdBlue (Harnstoff) oder Ammoniak zugeführt. Dies geschieht bei höheren Temperaturen, aber nun bei kleinen Gasmengen. Das ist ein energetischer Vorteil gegenüber der direkten Anwendung auf die verunreinigte Stadtluft mit Konzentrationen im Bereich ppb oder µg/m3. in diesem Fall würde man eine riesige Gasmenge in der Größenordnung von 100 m3 auf die hohe Temperatur bringen müssen und überwiegend Abwärme produzieren.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Die gezeigten Ausführungsbeispiele stellen dabei keine Einschränkung auf die dargestellten Varianten dar, sondern dienen lediglich der Erläuterung eines Prinzips der Erfindung.
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Gleiche oder gleichartige Bauteile werden stets mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Um die erfindungsgemäße Funktionsweise veranschaulichen zu können, sind in den Figuren nur stark vereinfachte Prinzipdarstellungen gezeigt, bei denen auf die für die Erfindung nicht wesentlichen Bauteile verzichtet wurde. Dies bedeutet jedoch nicht, dass derartige Bauteile bei einer erfindungsgemäßen Lösung nicht vorhanden sind.
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Es zeigt:
- 1: ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Luftreinigung,
- 2: ein Prinzipschaltbild der Funktionsweise einer ersten Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Luftreinigung
und
- 3: ein Prinzipschaltbild der Funktionsweise einer weiteren Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Luftreinigung.
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In der Darstellung der 1 wird ein Fahrzeug 1 mit einer Vorrichtung zur Luftreinigung 2 gezeigt, die frontseitig des Fahrzeugs 1 einen Lufteinlass 4 aufweist, sodass die schadstoffreiche Luft 5 während der Vorwärtsbewegung des Fahrzeugs 1 über den Lufteinlass 4 in einen sich hieran anschließenden Luftkanal 3 eindringt und von diesem durch mehrere Wäscher 9 geführt wird. Der Luftkanal 3 ist dabei trichterförmig ausgeführt, was bedeutet, dass der Öffnungsquerschnitt des Lufteinlasses 4 die größten Abmessungen aufweist und sich der Luftkanal 3, in Strömungsrichtung der einströmenden Luft 5 betrachtet, verjüngt. Bei der Ausführungsvariante in 1 sind die Wäscher 9 in einer Reihe, also einander folgend angeordnet. Das Waschwasser 8 in den Wäschern 9 enthält hier Mikroalgen, die in der Lage sind, die schadstoffhaltige Luft 5 zu reinigen. Nach dem Durchlaufen sämtlicher Wäscher 9 wird das Waschwasser 8 in einen Tank 10 überführt, wobei die Wäscher 9 und der Tank 10 einen Kreislauf bilden, sodass das Waschwasser 8 von dem Tank 10 in mindestens einen, bevorzugt in den ersten der vorhandenen Wäscher 9, zurückgepumpt wird. Das Reinigungsverfahren ist abgeschlossen, wenn keine Schadstoffe mehr in der ursprünglich schadstoffreichen Luft 5 vorhanden sind, sodass gereinigte Luft 11 an die Umgebung abgegeben werden kann. Die gesamte Vorrichtung zur Luftreinigung ist bei dem in 1 gezeigten Beispiel auf einem Lkw installiert und befindet sich überwiegend unmittelbar hinter dem Fahrerhaus. Damit steht das für die Beladung des Lkw erforderliche Chassis 14 weiterhin nahezu uneingeschränkt zur Verfügung.
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Aus der Darstellung in 2 geht ein Prinzipschaltbild der Funktionsweise einer ersten Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Luftreinigung 2 hervor, wie sie beispielsweise auf einem Fahrzeug 1 angeordnet sein kann, dessen Aufbau im Zusammenhang mit der Beschreibung der 1 bereits erläutert wurde. Von links beginnend ist zunächst einmal ein Luftstrom 7 vorhanden, der beispielsweise durch die Fortbewegung des Fahrzeugs 1 entsteht und schadstoffreiche Luft 5 enthält. In der 2 ist dieser Luftstrom 7 durch einen Pfeil symbolisiert. Der Luftstrom 7 der schadstoffreichen Luft 5 dringt über den Lufteinlass 4 in den sich, in Strömungsrichtung des Luftstromes 7 betrachtet, verjüngenden Luftkanal 3 ein, wobei sich bei dem dargestellten Beispiel am Ende des Luftkanals 3 ein Kompressor oder Ventilator 6 befindet, um den Luftstrom 7 insgesamt zu beschleunigen und mit einem Druck zu beaufschlagen. Im Anschluss hieran wird die schadstoffreiche Luft 5 in einen ersten und anschließend durch weitere Wäscher 9 geleitet, wobei in jedem der vorhandenen Wäscher 9 mit Mikroalgen angereichertes Waschwasser 8 vorhanden ist. Durch dieses spezielle Waschwasser 8 erfolgt die stufenweise Reinigung der schadstoffreichen Luft 5. In einem Tank 10 befindet sich ebenfalls das Waschwasser 8, das durch den Reinigungsprozess in zunehmendem Maße mit Schadstoffen angereichert wird. Bei dem dargestellten Beispiel handelt es sich um einen Kreislauf, bei dem das Waschwasser 8 über die Rückführungsleitung 15 aus dem Tank 10 in den ersten der vorhandenen Wäscher 9 zurückgeführt wird. Dieser Prozess läuft so lange ab, bis die in dem Tank 10 vorhandene Messeinrichtung 13 zur Bestimmung des pH-Wertes des Waschwassers 8 einen höchstzulässigen Schwellwert anzeigt. Bei Erreichen des Schwellwertes wird eine Entsorgung des damit verbrauchten und eine Erneuerung des Waschwassers 8 erforderlich. Die Abgabe der gereinigten Luft 11 an die Umgebung ist in dem Prinzipschaltbild der 2 ebenfalls durch einen Pfeil symbolisiert.
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Die 3 zeigt schließlich ein Prinzipschaltbild der Funktionsweise einer weiteren Ausführungsvariante einer Vorrichtung zur Luftreinigung 2, bei der im Unterschied zu der Ausführung gemäß 2 die Abgase eines Fahrzeugs 1 unmittelbar in einen Wäscher 9 geleitet werden. Zur Beschleunigung der Luftströmung ist ein Kompressor 6 vorhanden. Der Wäscher 9 weist in seinem Innenraum eine Vielzahl Kegeldüsen 12 auf, über die das Waschwasser 8 ausgebracht wird und dabei die Schadstoffe aus der schadstoffreichen Luft 5 in das Waschwasser 8 überführt. Im unteren Teil des Wäschers 9 ist ein Überlauf 16 vorhanden, der dazu dient, dass angereicherte Waschwasser in den Tank 10 zu überführen. Auch hierbei weist der Tank 10 eine Messeinrichtung 13 zur Bestimmung des pH-Wertes des Waschwassers 8 auf. Mittels einer Pumpe 17 wird über die Rückführungsleitung 15 das Waschwasser im Sinne eines Kreislaufes in den Wäscher 9 zurückgepumpt. Den Abschluss des Verfahrens bildet hierbei die gereinigte Luft 11, die über die Abführungsleitung 18 an die Umgebung abgegeben wird und in der Darstellung der 3 ebenfalls durch einen Pfeil 11 symbolisiert ist. Die in der 3 gezeigte Variante einer Vorrichtung zur Luftreinigung 2 ist ebenfalls als Bestandteil eines Fahrzeugs 1 ausgeführt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeug
- 2
- Vorrichtung zur Luftreinigung
- 3
- Luftkanal
- 4
- Lufteinlass
- 5
- schadstoffreiche Luft
- 6
- Kompressor oder Ventilator
- 7
- Luftstrom
- 8
- Waschwasser
- 9
- Wäscher
- 10
- Tank
- 11
- gereinigte Luft
- 12
- Kegeldüsen
- 13
- Messeinrichtung (für pH-Wert)
- 14
- Chassis
- 15
- Rückführungsleitung
- 16
- Überlauf
- 17
- Pumpe
- 18
- Abführungsleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202007013627 U1 [0006]
- EP 0452979 B1 [0006]
- US 4885817 A [0007]
- DE 2836964 A1 [0008]
- DE 202017104076 U1 [0009]
- DE 202008009666 U1 [0010]
- DE 295403425 U1 [0011]
- DE 202015005392 U1 [0012]
- WO 2014/13152 A1 [0013]
