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Bezeichnung: Verfahren zur Gewinnung einer
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von Nitraten freien Lösung aus einer Nitrate enthaltenden Produktlösung
VERFAHREN
ZUR GEWINNUNG EINER VON NITRATEN FREIEN LÖSUNG AUS EINER NITRATE ENTHALTENDEN PRODUKTLÖSUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung einer von Nitraten, Nitriten
und Ammoniumverbindungen im wesentlichen freien Ziellösung aus einer durch Auswaschen
von TabakDflanzenteilen als Tabakextrakt gewonnenen, wässrigen Produktlösung durch
Eliminieren der Nitrate, Nitrite und Ammoniumverbindungen mit durch Mikroorganismen
hervorgerufener, metabolischer, aerober Assimilation unter weitgehend schonender
Überführung der übrigen Lösungsbestandteile der Produktlösung in die Ziellösung.
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Nitrate, die in Tabak enthalten sind, fUhren in manchen Fällen durch
Umsetzung zu fur den menschlichen Genuß unerwünschten Substanzen, zum Beispiel Stickoxyden
im Tabakrauch. Dies kann man vermeiden, wenn man die Nitrate entzieht, ehe sie ihre
unerwtinschtc Wirkung entfalten können. Zu diesem Zweck werden die unerwünschten
Verbindungen ausgewaschen und in der wässrigen Produktlösung eliminiert. Die beim
Auswaschen mit in die wässricre Lösung ilbergehenden wasserlöslichen Substanzen
kann man dann, nachdem die Nitrate nicht mehr in der wässrigen Lösung enthalten
sind, wieder den ausgewaschenen Ausgangssubstanzen zusetzen. Der Entzug der Nitrate
soll dabei möglichst vollständig erfolgen.
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Was für nitrate gilt, gilt weitgehend auch für Nitrite und Ammoniumverbindungen,
und deshalb ist es wünschenswert, daß neben den Nitraten auch die Nitrite und Ammoniumverbindungen
entf(rnt werden. Demgegenüber sollen aber andere in der wässrigen Produktlösung
enthaltene Stoffe möglichst nicht abgebaut oder umgebaut werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so auszugestalten, daß es unter diesen Bedingungen wirtschaPtlich - insbesondere
mit möglichst geringem Verbrauch an Zusätzen und Energie - großtechnisch zu betreiben
ist.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine vorbestimmte Arbeitsmischungsportion
einer aus Produktlösung und Zusätzen gewonnenen und mit den Mikroorganismen versetzten
Arbeitsmischung in einen Nitrat, Nitrit und Ammoniumverbindungen abbauenden Assimilationszustand
gehalten wird, indem diese Arbeitsmischungsportion mit einer aus der auf eine Nitratkonzentration
von 3 bis 7,5 g . 1-1 (Gramm Nitrat pro Liter Zusatzlösung), eine Phosphatkonzentration
von 1,0 bis 10 g . 1-1 (Gramm Phosphat pro Liter Zusatzlösung) sowie eine Kohlenstoffquelle
in einer Konzentration von je16,5 - 10 assimilierbaren Kohlenstoffatomen auf je
ein Nitratmolekül eingestellten aus der Produktlösung und Zusätzen gewonnenen Zusatzlösung
laufend unter Einhaltung einer Verdiinnungsrate von 0,1 bis 0,35 1 1 1-1 . h-1 (Liter
Zusatzlösung pro Liter Arbeitsmischungsportion pro Stunde) beschickt und dabei im
Belüftungsbereich von 0,8 bis 2,5 l . l 1 . min. 1 (Liter Luft pro Liter Arbeitsmischungsportion
pro Minute), im pH-Bereich von 3,5 bis 6 und im Temperaturbereich von 250C (Grad
Celsius) bis 370C jeweils auf einem Wertetripel gehalten wird, das hinsichtliFh
eines großen Verhältnisses von abgebautem Nitrat zu eingesetztem Kohlenstoff günstig
ist, und indem laufend behandelte Mischung aus der Arbeitn'ischungsportion abgenommen
wird mit einer solchen nbnahlner@te, daf>. bis Volumen der Arbeitsmischungsportion
konstant bleibt; und daß die Ziellösung durch Abziehen der Biomasse aus der abgenommenen,
behandelten Mischung gewonnen wird.
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Wenn bei dem Wertetripel zwei Größen optimiert sind, ist man erfahrungsgemäß
mit der dritten Größe sehr variabel. So kann man zum Beispiel bei einer Belüftung
mit 1,5 1 . 1 5 . min. 1 und einem pH-Wert von 5,5 die Temperatur zwischen 260C
und 37°C wählen und man kann zum Beispiel bei einer Belüftung von 1>5 1 . 1-1
. min. 1 und einer Temperatur von 300C den pH-Wert zwischen 3,9 und 5,5 wählen und
man kann als weiteres Beispiel bei einem pH-Wert von 5,5 und einer Temperatur von
300C die Belüftung im Bereich 0,5 bis 1,0 1 . l 1 . min. -1 wählen und befindet
sich immer noch im Bereich sehr günstiger Betriebsbedingungen.
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Die Erfindung gelangt zu einem kontinuierlichen Verfahren und nur
das ermöglicht es (abgesehen von der einmaligen Anlaufphase, deren Produkte man
gegebenenfalls verwerfen kann) ständig innerhalb gewisser Toleranz grenzen die für
die angestrebte Wirkung als optimal erkannten Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten
und gegebenenfalls nachzuregulieren. Im Gegensatz dazu werden bei einem diskontinuierlichen,
chargenweisen, sogenannten Batchverfahren die verschiedensten Behandlungsstadien
durchlaufen und man mun die ganze Charge verwerfen, wenn dabei ein Fehler unterläuft.
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Beim Batchverfahren muß man für jeden Batch die Assimilationsbedingungen
neu herbeiführen und das erstreckt sich über Stunden.
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Dadurch wird der Durchsatz begrenzt und es wird höherer Aufwand an
Investition und Personal erforderlich als beim erfinderischen Verfahren.
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Die vorgeschriebene Nitratkonzentration wird, wenn sie in der Produktiösung
nicht von vornherein vorhanden ist, durch inengen oder Verdünnen derselben eingestellt.
Kohlenstoff und Phosphat wird in der erforderlichen Menge zugesetzt. Sollte in der
Produnktlösung eine höhere Konzentration von Phosphat und/oder Kohlenstoff von vornherein
vorhanden sein, kann dies unschäd-1. ic h hingenommen werden. Die Konzentrationen
sind so aufeinander abgestimmt, daß der Kohlenstoff und das Phosphat bei der Assimilation
des Nitrats von den Mikroorganismen aufgebraucht werden, ^ (I'. möglichst keinc
Reste dieser Zusätze in die Ziellösung gelangen.
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Der pH-Wert wird vorzugsweise mit Orthophosphorsäure beziehungsweise
Kaliumhydroxyd eingestellt.
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Da es sich bei den zu behandelnden Produktlösungen um aus Naturprodukten
gewonnene Lösungen handelt, deren weitere Lösungsbestandteile von Fall zu Fall unterschiedlich
sind, sind auch die optimalen Betriebsbedingungen nicht unter allen Umständen immer
die gleichen, liegen aber imRahmen der angegebenen Spannen.
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Die Erfindung ist vorzugsweise anwendbar auf Tabak, sie ist aber nicht
auf diese Anwendung beschränkt. Es sind auch Lebensmittel und andere Genußmittel
bekannt, die Nitrate, Nitrite und/oder Ammoniumverbindungen enthalten, die durch
Umsetzung zu für den menschlichen Genuß unerwünschten Substanzen, zum Beispiel Nitrosaminen,
führen. Dem kann man, entsprechend wie beim Tabak, entgegenwirken, indem man die
unerwünschten Verbindungen eliminiert. Wcnn diese von vornherein in wässriger Lösung
vorlienen, benutzt man diese wässrige Lösung als Produktlösung, andernfalls gelangt
man entsprechend wie beim Tabak durch Auswaschen zu einer Produktiösung, in der
man die unerwünschten Verbindungen eliminiert und die man dann anschließend dem
Ausgangsprodukt wieder zusetzen kann.
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Beim Tabak kann man sich hinsichtlich der Betriebsbedingungen an der
Nitratkonzentration der Produktlösung orientieren, weil der Prozentsatz der die
Nitrate begleitenden Nitrite und Ammoniumverbindungen in den wesentlichen Tabaksorten
im Rahmen der hier erforderlichen Genauigkeit etwa der gleiche ist. Das ist bei
leb nsmitteln und anderen Genußmitteln durchaus nicht der Fall.
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Deshalb geht man bei Betriebsbedingungen statt von einer Nitratkonzentration
von der Konzentration der insgesamt zu eliminierenden Verbindungen, also der Konzentration
der Swnme aus Nitraten, Nitriten und Ammoniumverbindungen, aus, die in der Zusatlösung
3 bis 7,5 g . 1-1 betragen sollten. Alle andere ren Paralletel können die gleichen
sein wie bei der Tabakbehand-Ilinn .
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Die nachfolgenden Ausführungen beziehen sich auf die Anwendung der
Erfindung auf Tabak, sind aber mit den eben gemachten Einschränkungen analog anwendbar
auf die Behandlung von einschlägigen Lebensmitteln und anderen Genußmitteln.
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Die beim Ansetzen hervorgerufene Assimilation erfolgt vorzugsweise
unter Anwendung eines Inoculum von 30 bis 100 g . 1-1 (Gramm Xulturvolumen pro Liter
Arbeitsmischungsportion). Die Assimilation wird vorzugsweise durchgeführt unter
anwendung einer Mikroorganismenkultur aus den nachfolgend aufgeführten Standardstämmen:
Candida utilis NCYC 707; Candida Berthetii CBS 5452; Candida utilis NCYC 321; Candida
utilis NCYC 359, entspricht DSM 70167; Enterobacter aerogenes ATCC 13048, entspricht
DSM 30053.
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Diese Stämme sind an den durch die Abkürzungen bezeichneten Hinterlegungsstellen
in der für patentrechtliche Offenbarung erforderlichen Form unter der angegebenen
Nummer erhältlich.
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Die Abkürzungen bedeuten: NCYC National Collection of Yeast Cultures,
Brewing Industry Research Foundation; CBS Centraal Bureau voor Schimmelcultures;
ATCC American Type Culture Collection; DSM Deutsche Sammlung von Mikroorganismen.
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Die Beschreibung der Stämme ergibt sich aus den nachfolgenden Aufstellungen
I, II und III. In diesen Aufstellungen bedeutet: "+" gut; "~ " schwach; "-" abwesend.
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AUFSTELLUNG I: Charakterisierung von Candida Hefen Plasmodium oder
Pseudoplasmodium -; bewegliche Zellen -; Ballistosporen -; monopolare Sprossung
-; bipolare Sprossung -; Sprossen auf Stengel -; dreiecksförmige Zellen -; mondförmige
Zellen -; kurzlebige Zellen mit langsamem Wachstum auf Malzagar und starker Essigsäureproduktion
-; Bildung eines echten Mycelius -; Bildung von Pseudomycelien +; Kulturen Rot oder
orange -.
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AUFSTELLUNG II: Charakterisierung von Candida utilis NCYC 707, NCYC
359 und CBS 321 durch die Zeichen vor dem Schrägstrich und Candida berthetii CBS
5452 durch die Zeichen hinter dem Schrägstrich.
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Fermentation: Glukose +/+; Galaktose -/-; Sucrose +/-; Maltose -/-;
Cellobiose -/-; Trehalose -/-; Lactose -/-; Melibiose -/-; Raffinose +/-; Melezitose
-/-; Inulin -/-.
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Assimilation: Glukose +/+; Galaktose -/-; L-Sorbose -/-; Sucrose +/-;
Maltose +/-; Cellobiose +/+; Trehalose +,-/-; Lactose -/-; Melibiose -/-; Raffinose+/-;
Melezitose +/-; Inulin +/-; lösliche Stärke -/-; D-Xylose +,-/-; L-Arabinose -/-;
D-Arabinose -/-; D-Ribose -/-; L-Rhamnose -/-; Aethanol +,-/+; Glycerin +/+; Erythrol
-/-; Ribitol -/-; Galactitol -/-; D-Mannitol +,-,-/-; D-Glucitol -/-; i -Methyl-D-Glucosid
+.~/-; Salicin +/+; DL-Lactat +/-; Succinat +,-/+,-; Citrat +/+,; Inositol -/-;
Assimilation von Kaliumnitrat +/+; Wachstum in vitaminfreiem Medium +,/+; wachstumsfördernde
Vitamine Thiamin/fehlt; NaCl-Toleranz %(W/V) 6-8/6-7; maximale Wachstums temperatur
in °C 39-43/40-41.
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AUFSTELLUNG III: Charakterisierung der ATCC 13048 Zellform kurze Stäbchen;
Begeißelung peritrich; Beweglichkeit +; Sporenbildung -; Pigment -; Gramreaktion
02 Verhalten aerob +; anaerob +; Catalase +; Oxidase -; Nitritbildung aus Nitrat
+; Indol -; Methylrot -; Vosges-Proskauer +; Citrat +; H2S -; Urease -; Gelatine
Lysindecarboxylase +; Arginindihydrolase -; Ornithindecarboylase +; Phenylalanindesaminase
-; Malonat +; Gas aus Glucose +; Lactose +; Saccharose +; Mannit +; Dulcit -; Salicin
+; Adonit +; Inosit +; Sorbit +; Arabinose +; Raffinose +; Rhamnose +.
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Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung und einiger
Beispiele näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt beispielsweise ein verallgemeinertes Fließschema
zum erfinderischen Verfahren. Die index Zeichnung verwendeten Bezugsziffern haben
die aus der nachfolgenden Aufstellung IV ersichtliche Bedeutung.
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AUFSTELLUNG IV: Produktvorrat 1; Wassertank 2; Vorrat für Zusätze
3; Wascher mit Trenneinrichtung 4; Mischer 5; Behandlungszweig 6; Behandlungszweig
7; Mischer 8; Dosierpumpe 9; Arbeitsbehälter 10; Zentrifuge 13; Behandlungszweig
14; Wiederzugabeeinrichtung 15; Steuereinrichtung 16; pH-Wert-Regler 17; Temperaturregler
18; Belüfter 19; Rührer 20; Antischaumzugeber 21; Rekonstitutionseinrichtung 22
und Trockner 23.
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Aus dem Produktvorrat 1 gelangt Produkt, zum Beispiel Tabakrippen,
mit Wasser aus dem Wassertank 2 in den Wascher 4. Dort werden die löslichen Bestandteile
ausgewaschen und gelangen als Produktlösung in den Behandlungszveig 6. In dem Behandlungs-Zweig
wird durch Erhitzen sterilisiert und anschließend wieder gekühlt.
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Die erforderlichen Zusätze, vornehmlich Phosphate und Glukose, gelangen
aus dem Vorrat 3 mit Wasser in den Mischer 5 und als Lösung in den Behandlungszweig
7, wo sie durch Erwärmen steriligiert und dann gekühlt werden können, In dem Mischer
8 werden dann die Lösungen aus den beiden Behandlungszweigen 6 und 7 vermischt und
gelangen nun über die Dosierpumpe 9 in den Arbeitsbehälter 10. Durch die Einrichtungen
17 bis 20 wird die im Arbeitsbehälter 10 befindliche Arbeitsmischungsportion hinsichtlich
pH-Wert und Temperatur laufend eingestellt, dosiert durchlüftet und intensiv gerührt.
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Laufend wird dosiert behandelte Arbeitsmischung aus dem Arbeitsbehalter
10 abgezogen, gegebenenfalls pasteurisiert, was in der Zeichnung nicht dargestellt
wird, und gelangt dann an die Zentrifuge 13. ort wird die Biomasse abgezogen und
weiterer Ver-
wendung zugeführt, nährend die verbleibende Flüssigkeit
als Ziellösung in den Behandlungszweig 14 gelangt, wo sie eingeengt wird. Diese
Ziellösung, die im wesentlichen alle Bestandteile der Produktlösung enthält, ausgenommen
die Nitrate, Nitrite und Ammoniumverbindung, die restlos entfernt wurden, kann nun
beliebig weiterverwendet werden, zum Beispiel entsprechend dem Fließschema dem ausgewaschenen,
in dem Trockner 23 auf den ursprünglichen Feuchtigkeitsgehalt des Produktes aus
dem Produktvorrat 1 getrockneten oder alternativ in der Rekonstitutionseinrichtung
22 dem zu tabakblattähnlichen Folienstücken rekonstituierten Produkt in der Wiederzugabeeinrichtung
15 durch Aufsprühen oder auf andere Weise zugesetzt werden.
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Zum Anfahren wird in den Arbeitsbehälter 10 eine Arbeitsmischungsportion
gegeben aus der Produktlösung mit den erforderlichen Zusätzen und einem Inoculum
des betreffenden Mikroorganismus. Nach etwa 8 bis 20 Stunden sind in dieser Arbeitsmischungsportion
alle Nitrate, Nitrite und Ammoniumverbindungen abgebaut und der kontinuierliche
Betrieb kann beginnen, indem nun die Dosierpumpe 9 eingeschaltet wird, entsprechend
der gewünschen Verdünnungsrate und gesteuert, so daß das Volumen der Füllung des
Arbeitsbehälters 10, also das der Arbeitsmischungsportion konstant bleibt.
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Die Behandlung in den Behandlungszweigen 6 und 7 erfolgt durch Vorwarmen
auf 1000C, Sterilisieren bei 1100C über 40 Minuten und anschließendes Kühlen auf
300C. Im Behandlungszweig 14 erfolgt Vakuumeindampfung. Die Dosierpumpe 9 hat eine
Förderleistung von 50 bis 200 1.1 1.h 1. Der Arbeitsbehälter 10 hat ein Fassungsvermögen
von 750 1 und ist bei Betrieb zu 2/3 gefüllt. l)ementsprechend beträgt das Volumen
einer Arbeitsmischungsportion 500 1.
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Die Betriebsbedingungen werden dabei, je nach den zu verarbeitenden
Produkten und eingesetzten Mikroorganismen, so eingestellt, dan die in der Produktlösung
enthaltenen Nitrate, Nitrlte und Ammoniumverbindungen restlos eliminiert werden
und die im ischr 5 zugesetzten Zusätze bei dieser Assimilation gerade *aufyebraucht
werden.
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Vorteilhafte Betriebsbedingungen ergeben sich aus den in der nachfolgenden
Aufstellung V aufgeführten Beispielen. Bei diesen Beispielen wird von Tabakrippen
ausgegangen und Candida utilis NCYC 707 als Mikroorganismus eingesetzt. Bei anderen
Tabakpflanzenteilen als Ausgangsprodukt und/oder anderen Mikroorganismen sind die
Betriebsbedingungen im Rahmen der eingangs angegebenen Angaben zu modifizieren.
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o in der Aufstellung als Konzentration bedeutet ein chemisch unter
normalen Analysebedingungen nicht mehr wahrnehmbarer Gehalt, der kleiner ist als
jeweils 10 ppm bei Kohlenstoff und Phosphat und kleiner ist als jeweils 1 ppm bei
Nitrat, Nitrit und Ammoniumverbindungen.
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AUFSTELLUNG V:
| Beispiel 1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; |
| Konzentration der Zusatzlösung in g.1-1 an: |
| Nitrat 5,0; 5,0; 5,0; 5,0; 5,0; 4,1; 4,9; 7,5; 3,0; 1,0 |
| Nitrit 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; |
| Ammoniumver- 0,08; 0,08; 0,08; 0,08; 0,08; 0,1 ; 0,1 ; 0,1
; 0,1 ; 0,1 |
| bindungen |
| Phosphat 1,25; 1,25; 10,0; 1,25; 1,25; 1,25; 1,25; 1,6; 0,75;
0,75 |
| Glukose 40; 40; 40; 40; 40; 40; 40; 60; 2,4; 0,8 |
| Betriebsbedingungen der Assimilation: |
| Temperatur(°C) 30; 30; 30; 30; 30; 37; 26; 30; 30; 30; |
| pH-Wert 5,5; 3,9; 5,5; 5,5; 5,5; 5,5; 5,5; 5,5; 5,5; 5,5 |
| Belüftungsgrad 1,5; 1,5; 1,5; 1,5; 1,5; 1,5; 1,5; 2,0; 1,0;
0,5 |
| (1.1-1.min.-1) |
| Verdünnungsrate 0,2; 0,2; 0,2;0,01;0,34; 0,2; 0,2; 0,2; 0,2;
0,2 |
| (1.1 .h |
| konzentration der Ziellösung in g.1-1 an: |
| Nitrat o; o; o; o; o; o; o; o; o; o; |
| Nitrit 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; |
| Ammoniumver- |
| 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; 0; |
| bindungen |
| Phosphat 0,1; 0,1; 8,4; 0,1; 0,1; 0,1; 0,1; o; o;0; |
| Glukose o; o; o; o; o; o; 0; 0; o; o; |