Praktische Erfahrungen mit dem Eiweißabschäumer Aquaflotor® im RWE-Delfinarium des Zoo Duisburg

Zool. Garten N.F. 79 (2010) 188–199www.elsevier.de/zooga

Praktische Erfahrungen mit dem EiweißabschäumerAquaflotor® im RWE-Delfinarium des Zoo DuisburgPractical experiences with the protein skimmer Aquaflotor®in the RWE-Delfinarium at Zoo Duisburg

Achim Winkler ∗, Roland Edler, Ulf SchönfeldZoo Duisburg, Mülheimer Straße 273, D-47058 Duisburg

Eingegangen am 9. September 2010

Abstract

Traditionally the water in Zoo Duisburg’s dolphin exhibits has been treated with chlorine to gua-rantee a clean and healthy environment for the dolphins. In a pilot project in the 1990s Zoo Duisburgand the Forschungszentrum Jülich, one of the largest research institutes in Europe with a focus onphysics and supercomputing, a new purely biological filtration system on the basis of large proteinskimmers was developed to treat the water of Zoo Duisburg’s dolphin exhibit, without the need to useany additional chemicals. A total of 13 specially developed protein skimmers, so called Aquaflotoren,were incorporated into the dolphinarium’s filtration system, which resulted in a highly efficient watertreatment, constantly good water values and a substantial reduction of waste water in comparison tothe former filtration device based on the use of chlorine.

Keywords: Eiweißabschäumer; Aquaflotor; Filtertechnik; Delfinarium

Einleitung

In der Filtertechnik der Seewasseraquaristik werden seit langem so genannte Eiweiß-abschäumer zur Aufbereitung künstlichen Meerwassers eingesetzt, um vornehmlich imWasser gelöstes Eiweiß, hervorgerufen u.a. durch Futterreste und Exkremente der gehalte-nen Tiere, aus dem Wasserkreislauf zu entfernen (Sellner & Ramsch, 1999). Abschäumerder heutigen Generation sind in der Lage, neben den Proteinen auch Feststoffe im begrenz-ten Umfang in einem Flotat zu binden, um diese belastenden Stoffe aus dem Wasser zuentfernen. In Verbindung mit einer zumeist nachgeschalteten Filtertechnik erreicht man mit

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A. Winkler et al. · Praktische Erfahrungen mit dem Eiweißabschäumer 189

Abb. 1. Blick in das Delfinarium des Zoo Duisburg mit biologisch aufbereiteten Beckenwasser.Aufn.: Kuster.

diesen heutigen Hochleistungsabschäumersystemen sehr gute Wasserqualitäten über langePerioden, auch ohne regelmäßige Frischwasserzugaben oder Wasserwechsel (Overath &Rakers, 1993).

Für den Zoo Duisburg bestand bei der Planung und beim Bau des dritten Delfinariums imJahr 1992 der Wunsch, ein solches Filtersystem mit moderner, rein biologischer Abschäum-technik einzusetzen, um von der damals noch üblichen Haltung von Delfinen in chloriertemWasser auf natürlich aufbereitetes Seewasser ohne Zusatz von Chemikalien umzustellen(Abb. 1).

Aufgrund der seinerzeit erst bekannt gewordenen Forschungsergebnisse der Kernfor-schungsanlage Jülich, dem heutigen Forschungszentrum Jülich, und den dort gewonnenenpraktischen Erfahrungen mit Hochleistungsabschäumern, entschloss man sich nach ausgie-bigen Tests im Aquarium und in einem Robbenbecken des Zoo Duisburg für den Einsatzdieses Filtersystems im seinerzeit neuen Delfinarium des Zoos. Das ForschungszentrumJülich ließ die dort entwickelten Hochleistungsabschäumer patentieren und zusätzlich imJahr 1995 unter der Marke Aquaflotor® in die Zeichenrolle des Deutschen Patentamteseintragen (Abb. 2).

Funktionsbeschreibung und Besonderheiten derAquaflotor-Filtertechnik

Aquaflotoren sind Hochleistungseiweißabschäumer, die in der Wasserfiltertechnik Ein-satz finden, um Eiweißstoffe und im gewissen Umfang auch Schwebstoffe durch Flotationaus dem zu reinigendem Beckenwasser zu entfernen (Overath & Rakers, 1993). Zentra-les Element des Aquaflotors ist ein Reaktionsrohr mit einem inneren Steigrohr, dessentrichterförmige Verlängerung unten in einer Reaktionskammer mündet (Abb. 3). Das zureinigende Beckenwasser wird von einer Pumpe tangential in die Reaktionskammer ein-geleitet. Daneben wird über einen Injektor ein Gasgemisch aus Luft und Ozon angesaugt

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Abb. 2. Mannshoher Aquaflotor im Technikbereich des Duisburger Delfinariums. Aufn.: Kiesel-bach.

und anschließend mit dem eingepumpten Beckenwasser feinstblasig in der Reaktionskam-mer vermischt. Ozon bietet hierbei insofern den Vorteil gegenüber einer reinen Luftzufuhr,als einzelne Ballaststoffe im Wasser vom Ozon zersetzt und ungeladene Eiweiße statischaufgeladen werden, so dass diese ebenfalls im System abgeschäumt werden können.

Der tangentiale Eintritt des Beckenwassers und des Luft-Gas-Gemisches in die Reakti-onskammer versetzt die im Reaktionsrohr gebildete Wassersäule in eine kräftige Rotationbei entsprechender intensiver Vermischung mit den feinen Gasblasen. Spezifisch leichtereEiweißstoffe strömen nach der Verwirbelung im Reaktionsrohr mit dem Volumenstrom desWassers im Steigrohr nach oben. Hierbei lagern sich im Wasser gegebene Feststoffe biszu einer Partikelgröße im cm-Bereich an die eiweißbeladenen Gasblasen und werden nachoben getragen.

In einem konzentrisch um das Steigrohr angeordneten Trennrohr werden die oben ange-langten Gasblasen wieder bis zu einem Entspannungskonus nach unten geleitet, bevor sie


Abb. 3. Schematische Darstellung eines Aquaflotors.

dann erneut in der Wassersäule des Reaktionsrohres nach oben steigen. Aufgrund diesergleichzeitigen Auf- und Abwärtsbewegung der Gasblasen im Aquaflotor sowie einer starkverlangsamten Wasserströmung am breiten Entspannungskonus wird die durch die Verwir-belung bedingte lange Kontaktzeit der Gasblasen mit dem belasteten Wasser verlängert,so dass sich besonders viele Eiweiße an den Gasblasen anlagern können. Die auf dieseWeise belasteten Gasblasen bilden einen hochkonzentrierten Schaum, der in einem spezi-ellen Auffangraum im oberen Teil des Aquaflotors, einem Auffangbecher, gesammelt wird,aus dem dieser Schaum als Flotat ausgespült werden kann (Abb. 4).

Die Weiterleitung des auf diese Weise aufbereiteten Beckenwassers aus dem Aquaflotorin das weitere Filtersystem erfolgt über ein seitliches Ablaufrohr unterhalb des Schaum-


Abb. 4. Schaumbildung und Flotat im oberen Auffangraum eines Aquaflotors. Aufn.: Kieselbach.

auffangbechers. Die anfallende und nicht verbrauchte ozonhaltige Luft des injiziertenLuft-Ozon-Gemisches wird durch eine Aktivkohleschicht in einen Ozonvernichter gedrückt,in dem das Ozon katalytisch zerfällt.

Das im Aquaflotor vorgereinigte Wasser gelangt über das Ablaufrohr in einen üblichenbio-mechanischen Sandfilter, in dem die restlichen Schmutzpartikel mit Hilfe nitrifizieren-der Bakterien aus dem Wasser entfernt werden, bevor das Wasser anschließend über großeAktivkohlefilter zurück ins Becken geleitet wird (Abb. 5). Die Belastung der Sandfilter istdurch die hohe Effektivität der vorgeschalteten Aquaflotoren relativ gering. Ist beim Einsatzkonventioneller Abschäumer die Reinigung der Biofilter durch Rückspülung z.T. mehrmalswöchentlich erforderlich, so ist dieses, wie die Erfahrungen im Duisburger Delfinariumgezeigt haben, beim Einsatz des Aquaflotor-Prinzips allenfalls in Intervallen von einigenWochen nötig.


Abb. 5. Schematische Darstellung des Filterkreislaufes im Delfinarium des Zoo Duisburg.

Der wesentliche Vorteil des Aquaflotors gegenüber herkömmlichen Abschäumern sinddie deutlich längere Kontaktzeit der im System gebildeten Gasblasen mit den im zu reini-genden Wasser gelösten bzw. suspendierenden Verschmutzungen, die kompakten äußerenAbmessungen der Aquaflotoren sowie ein geringerer Energiebedarf (Overath & Rakers,1993). Lange Gasblasen-Kontaktzeiten ermöglichen sowohl einen entsprechend höherenWirkungsgrad als auch eine hohe Ansprechempfindlichkeit für die bei der Flotation wichti-gen Grenzflächenkontakte der Gasblasen mit dem umgebenden Medium. Diese besonderenMerkmale waren entscheidende Kriterien, Aquaflotoren im Delfinarium des Zoo Duisburgunter den dort gegebenen technischen und räumlichen Gegebenheiten einzusetzen.

Einsatzmöglichkeiten der Aquaflotoren

Im Zoo Duisburg werden die Aquaflotoren überwiegend zur Aufbereitung des Becken-wassers im Delfinarium (Beckenvolumen ca. 3.600 m3) eingesetzt, bei dem es sich umkünstlich hergestelltes Seewasser mit einem Salzgehalt zwischen 2.8% und 3.0% handelt(Abb. 6).

Weitere Aquaflotoren sind im Zoo Duisburg bei der Anlage der Seelöwen (Beckenvo-lumen ca. 300 m3) und an einem Hai-Becken im Aquarium (Wasservolumen ca. 10 m3),beide ebenfalls mit künstlichem Salzwasser betrieben, seit langer Zeit ebenfalls erfolgreichim Einsatz.

Im regionalen Umfeld setzt z.B. auch der Düsseldorfer Aquazoo Aquaflotoren zur Was-seraufbereitung eines großen Hai-Tanks (Wasservolumen ca. 240 m3) erfolgreich ein,ebenso wie im Tierpark Bochum ein Becken für Robben (Wasservolumen ca. 565 m3)über Aquaflotoren gereinigt wird.

In allen Anwendungsfällen sind die Aquaflotoren als erste Reinigungsstufe installiert. Dienachfolgenden Reinigungsschritte bestehen in der Regel aus herkömmlichen Sandfiltern.Diese Anordnung hat den großen Vorteil, dass im Aquaflotor neben dem abgeschäumten


Abb. 6. Große Tümmler im biologisch aufbereiteten Seewasser des Duisburger Delfinariums.Aufn.: Edler.

Eiweiß bereits ein Großteil der im Wasser gegebenen Feststoffe abgeschieden wird unddamit die Belastung der nachgestellten Sandfilter erheblich reduziert werden kann. Diesesspart insbesondere Zeit-, Wasser- und Energieaufwand für die erforderliche Pflege undWartung der Sandfilter.

Historie der Entwicklung der Filtertechnik im Zoo Duisburg

Die ersten Kontakte zwischen dem Forschungszentrum Jülich, wo Aquaflotorenursprünglich für eigene Hälterungsanlagen von empfindlichen Meeresorganismen (z.B.Pfeilschwanzkrebse und Tintenfische) entwickelt wurden, und dem Zoo Duisburg entstan-den im Jahr 1992. Basierend auf den Überlegungen, Aquaflotoren als Pionierprojekt zurWasseraufbereitung im Delfinarium des Zoo Duisburg einzusetzen, führten Wissenschaft-ler des Forschungszentrums zunächst Tests an einem stark belasteten kleineren Hai-Beckenmit einem Wasservolumen von ca. 10 m3 im Aquarium des Zoo Duisburg durch.

Da in diesem Versuch bereits binnen sehr kurzer Zeit mit einem relativ kleinen und kaumoptimierten Versuchs-Aquaflotor eine sehr gute Wasserqualität erreicht wurde, konnte schonim Frühjahr 1993 im Duisburger Delfinarium ein erster, damals recht riskant anmutenderGroßversuch gestartet werden, das Beckenwasser der Delfine mit dieser neuartigen Fil-tertechnik zu reinigen. Das Wasser des Ruhebeckens im damaligen alten Delfinarium miteinem Volumen von ca. 400 m3, besetzt mit Delfinen und Seebären, wurde versuchsweisemit einem Aquaflotor aufbereitet. Die Ergebnisse dieses Versuches waren erneut so über-zeugend, dass das seinerzeit im Bau befindliche neue Delfinarium des Zoo Duisburg durcheinen Lizenznehmer des Forschungszentrums Jülich und unter wissenschaftlicher Beglei-tung durch die Verfahrensentwickler des Forschungszentrums sowie die Mitarbeiter desZoos komplett mit Aquaflotoren ausgerüstet werden konnte.

Nach den erfolgreichen Testversuchen kamen im neuen Delfinarium, das im Jahr1995 eröffnet wurde, zunächst acht Aquaflotoren in Kombination mit nachgeschalteten


Abb. 7. Acht nebeneinander geschaltete Aquaflotoren im Technikraum des Duisburger Delfinari-ums. Aufn.: Kieselbach.

biologischen Sandfiltern zum Einsatz zur Reinigung des insgesamt ca. 2.400 m3 Wasserumfassenden neuen Beckens (Abb. 7).

Aufgrund der auch in diesem neuen Delfinarium erzielten ausgezeichneten Wasserquali-täten erfolgte im Jahr 1996 eine Anbindung des neuen Delfinariums an das noch bestehendeund nun für Zuchtzwecke vorgesehene, unmittelbar angrenzende alte Delfinarium aus demJahr 1969 und damit eine Erweiterung des Wasservolumens um weitere ca. 1.200 m3

auf insgesamt ca. 3.600 m3. Für diese Erweiterung kamen zusätzliche fünf Aquaflotorenzum Einsatz, ebenfalls in Verbindung mit nachgeschalteten bio-mechanischen Filterstufen(Abb. 8).

So befinden sich heute insgesamt 13 Aquaflotoren im Delfinariumkomplex im Einsatz,die das gesamte Beckenvolumen von 3,6 Millionen Litern ca. alle 7 Stunden umwälzen.


Abb. 8. Fünf zusätzliche Aquaflotoren im alten Techniktrakt des Delfinariums. Aufn: Swatek.

Erfahrungen mit Aquaflotoren im Zoo Duisburg

Die Umstellung von der in früheren Jahren üblichen Filtration des Beckenwassers mitChlor und mechanischen Filtern auf eine rein biologische Filtration mit Aquaflotoren undnachgeschalteten biologischen Sandfiltern ohne Zusatz jeglicher Chemikalien, fand im ZooDuisburg mit der Eröffnung des neuen Delfinariums im Jahr 1995 statt (Edler, 1995).Die Delfine wurden bei der Umsiedlung in das neuartig aufbereitete Wasser während dergesamten Anfangszeit u.a. durch regelmäßige Blutproben intensiv veterinärmedizinischüberwacht, da man befürchtete, dass das mit den Aquaflotoren aufbereitete Wasser einhöheres Bakterienaufkommen aufweisen könnte als beim Einsatz der herkömmlichen undüber viele Jahre erprobten Chlorbehandlung und somit ein mögliches Gesundheitsrisikofür die Delfine bestehen könnte. Erfreulicherweise wurde das Gefahrenpotenzial bei derUmsiedlung deutlich überschätzt. Keiner der Delfine hatte weder während dieser als äußerstkritisch eingeschätzten Anfangszeit noch in der Zeit danach irgendwelche gesundheitlichenProbleme mit dem biologisch aufbereiteten Seewasser.


Abb. 9. Großer Tümmler im Delfinarium des Zoo Duisburg. Aufn.: Kieselbach.

Im Gegenteil, so sah z.B. die Haut der Delfine bereits nach wenigen Tagen im biologischenWasser deutlich besser, d.h. dunkler und kräftiger gefärbt aus und die Delfine zeigten wäh-rend der gesamten Umstellungszeit und auch danach ein sichtbares Wohlbefinden (Abb. 9).

Für die Bedienung, Überwachung und Wartung der Wasseraufbereitungsanlagen im Del-finarium des Zoo Duisburg sind die dort zuständigen Tierpfleger verantwortlich. Speziellfür die Betreuung des neuartigen Systems des Aquaflotors bedurfte es einer gründlichenSchulung und Einarbeitung in alle wasserchemischen, physikalischen und biologischenAspekte der Wasseraufbereitung sowie in die technischen Belange der Filteranlage, die vonqualifizierten Fachkräften des Forschungszentrums Jülich über eine hinreichend lange Zeitintensiv begleitet wurde.

Mit der Aquaflotor-Filtertechnik sollte eine Beckenwasserreinigung im Delfinariumgänzlich ohne den Zusatz chemischer Stoffe, wie z.B. Chlor, erfolgen. Obschon die Becken-wasserreinigung mit Chlor ein sehr effizientes und einfaches System darstellte, das seit denAnfängen der Delfinhaltung in Duisburg Anwendung fand und grundsätzlich sehr gute Was-serwerte aufwies (Dudok van Heel, 1983; Gewalt, 1985, 1990; Manton 1986), war es dasBestreben des Zoos, eine naturnahe, rein biologische Filtertechnik zu erproben, bei der aufden Zusatz jeglicher Chemikalien verzichtet werden kann.

Im Gegensatz zu der traditionell angewandten Chlorfiltration, die als ein sehr einfachfunktionierendes und sehr schnell reagierendes System gilt (Dudok van Heel, 1983; Vander Toorn, 1987), ist die biologische Wasseraufbereitung mit Aquaflotoren als ein eher lang-sames, behutsames und empfindliches System zu sehen. Anders als bei der Chlorfilterungändern sich die biologisch entscheidenden Wasserwerte bei einer Aquaflotoren-Filtrationdeutlich langsamer. Während sich die Wasserwerte im Beckenwasser durch Chlorzugabeinnerhalb weniger Minuten verändern und verbessern und Schadstoffe effizient beseitigtwerden, muss bei der Einstellung aller Parameter der Aquaflotoren in kleinen und behut-samen Schritten vorgegangen werden, denen jeweils längere Beobachtungsphasen folgenmüssen.


Abb. 10. Großer Tümmler beim Spiel im biologisch aufbereiteten Beckenwasser. Aufn.: Kieselbach.

Dennoch waren schon nach kurzer Zeit die Aquaflotoren derart gut eingefahren, bei ent-sprechend guten Wasserwerten, so dass spätere Einstellungsänderungen oder -anpassungennur sehr selten erforderlich waren und sind. Hierbei wird die Leistung der Geräte ausschließ-lich über die Regulierung des Luft-Ozongemisches eingestellt, so dass die Aquaflotoren zumZeitpunkt der größten Wasserbelastung, unmittelbar nach einer Fütterung der gehaltenenTiere, mit optimaler Abschäumleistung, d.h. mit größtmöglichem Schaumanfall arbeiten.Dieses bedeutet, dass in den Zeiten zwischen den Fütterungen, bei entsprechend geringemProteinanfall im Beckenwasser, nur wenig Schaum gebildet wird.

Allerdings hat sich gezeigt, dass die neue biologische Wasserbehandlung zunächst nichtin allen Details die gewünschten theoretischen Ideal-Wasserwerte erzielen konnte. Anre-gungen der Tierpfleger, die sich aus dem intensiven praktischen Umgang mit der neuenAnlage ergaben, führten zu Nachbesserungen an verschiedenen Details der Anlage undzu einer letztendlich optimalen Einstellung der Geräte. Diese Anpassungen betrafen ins-besondere eine Optimierung der Aktivkohlefilter zur Nachozonisierung, eine Anhebungder ursprünglich kalkulierten Redoxwerte sowie eine Anpassung der Rückspülraten dernachgeschalteten biologischen Filter.

Insgesamt gesehen arbeitet die Gesamtanlage der Aquaflotoren seit gut 15 Jahren nahezustörungsfrei bei im Schnitt sehr guten optischen, chemischen und biologischen Wasserwer-ten und nicht zuletzt einem sichtlichem Wohlbefinden der Delfine (Abb. 10).

Zusammenfassung

Die gesamte biologische Wasseraufbereitung im Duisburger Delfinarium mit Aquafloto-ren und biologischen Sandfiltern funktioniert auch im Langzeitbetrieb effektiv, sicher, sehrstörungsarm und bei einer jährlichen Reinigung des Schaumbechers sowie der Filtersiebeder Luftansaugung mit verhältnismäßig geringem Wartungsaufwand.

Gleichwohl haben die bisherigen Erfahrungen gezeigt, dass weitere Verbesserungen imSystem angebracht sind. So haben sich die Wasserumwälzzeiten der Anlage von ca. 7


Stunden nicht immer als ausreichend erwiesen, insbesondere beim Einsatz im Delfinbeckenmit entsprechend hohen Belastungen des Wassers durch Kot und Futterreste. Bei heuti-gen Anlagenkonzeptionen von Filteranlagen mit Aquaflotoren würde die Dimensionierungderart ausgelegt sein, dass Umwälzzeiten von idealerweise etwa 2 bis 3 Stunden erreichtwerden können. Durch kürzere Wasserumwälzzeiten wird somit ein Sicherheitspuffer fürdie Wasserfilterung erreicht.

Auch hat es sich gezeigt, dass die ursprünglich angestrebte Filterstandzeit von 1 bis2 Monaten nicht gehalten werden konnte. Vielmehr müssen die Sandfilter alle 14 Tagerückgespült werden, um eine bestmögliche Wasserqualität zu halten. Doch auch bei einemderartigen Rückspülintervall bedeutet dieses immer noch eine ca. 50%ige Wassereinsparungals auch eine erhebliche Einsparung von Arbeitszeit gegenüber dem früher eingesetztenChlorfiltersystem.

Neben den Sandfiltern müssen auch die Schaumbecher der Aquaflotoren regelmäßiggespült werden, bei einem entsprechenden Wasserverbrauch. Dieser Wasserverbrauchkönnte ggf. durch eine zusätzliche UV-Filtration mit einer Abtötung unerwünschter Keimesowie durch eine erneute Nutzung des Spülwassers reduziert werden.

Nachteilig gegenüber einer herkömmlichen Chlorfiltration ist die Tatsache, dass das Was-seraufbereitungssystem mittels Aquaflotoren nicht in der Lage ist, fest sitzende Algen imBecken zu bekämpfen. Lediglich frei im Beckenwasser schwimmende Algen und Schad-stoffe können von der Aquaflotor-Filtration effizient aufgenommen werden. Demzufolgemüssen fest sitzende Algen durch den Einsatz von Bürsten von Beckenwänden, -bödenund Kunstfelsen manuell gelöst werden, um anschließend als Schwebstoffe im Wasser vomFiltersystem beseitigt zu werden. In den größeren Beckentiefen müssen hierfür regelmä-ßige Taucheinsätze der zuständigen Pfleger eingeplant werden, um die fest sitzende Algenabzubürsten.

Dennoch lässt sich abschließend sagen, dass das Pilotprojekt der Filterung des Becken-wassers im Delfinarium des Zoo Duisburg mit Aquaflotoren als großer Erfolg anzusehen ist,mit sehr guten Wasserwerten und einem deutlich geringeren Wasserverbrauch, als bei derherkömmlichen Chlorfiltration. Neben dem Zoo Duisburg wird das Aquaflotoren-Systemdurch den Lizenznehmer des Forschungszentrums Jülich mittlerweile vielfach weltweit inDelfinarien und Großaquarien erfolgreich eingesetzt.

Schrifttum

Dudok van Heel, W. H. (1983). Chlorination in marine mammals pools – a reappraisal. Aquatic Mammals, 10,23–30.

Edler, R. (1995). Das neue Delphinarium im Duisburger Zoo. Arbeitsplatz Zoo, 6, 62–66.Gewalt, W. (1985). 20 Jahre Delphinarium Duisburg – Wie machen die das bloß? Zoo Duisburg, Duisburg, 64

Seiten.Gewalt, W. (1990). Ozenarien – Delphinarien. Cetaceen als ,,Zootiere“. Zool. Garten N. F., 60, 197–208.Manton, V. J. A. (1986). Water management. In M. M. Bryden, & R. J. Harrison (Eds.), Research on Dolphins.

England: Oxford.Overath, H., & Rakers, M. (1993). Flotation von eiweißhaltigen Substanzen aus Meerwasser. DATZ, 1, 40–42.Sellner, B. R., & Ramsch, B. (1999). Abschäumtechnik. DATZ, 6, 2–3.Van der Toorn, J. D. (1987). A biological approach to dolphinarium water purification: I Theoretical aspects.

Aquatic Mammals, 13, 83–92.

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