JP4306859B2 - １，２−ジオール類及びその等価体類の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素の陰極還元により生成した過酸化水素により駆動されるバナジウム系レドックス・メディエーターを用いる陰極酸化方法、及びこれを用いるオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類、エポキシド類及び／又はハロヒドリン類の電解製造方法に関する。１，２−ジオール類、エポキシド類およびハロヒドリン類は容易に相互変換が可能な、いわゆる１，２−ジオール等価体であり、いずれも化学工業をはじめ各種の産業分野で利用されている有用な化合物である。
【０００２】
【従来の技術】
１，２−ジオール等価体は、主として相当するオレフィン類の酸化により製造されているが、現行の化学酸化法では使用した酸化剤の処理問題、あるいは過激な反応条件を使用する場合には、不安定な出発オレフィンあるいは生成１，２−ジオール等価体に適用できないことなどの諸問題があった。これらの問題を克服するため、電解法が試行された。すなわち、オレフィン類を無隔膜セル中で相当するエポキシド類に陽極酸化するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえ理論的に最大である１００％の電流効率でエポキシド類が生成したとしても、電解プロセス個有のコスト高を補償するまでには至っていないという問題点があった。そのため、現在までに試行されてきたエチレンやプロピレンなどの単純な分子構造のオレフィンからの相当するエポキシドの電解製造法でさえ、化学法に勝ることができず、３０年にわたる開発研究にもかかわらす実用化されていないという問題点もあった。
本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題としているものであり、経済性から見て実用化可能な１，２−ジオール等価体の電解製造法を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前述のエポキシド類の３０年にわたる電解製造技術の開発研究の成果を吟味すると、技術的諸問題のほとんどが解決され、基本的には経済性の問題だけが残っていると見て差しつかえない。これを解決する最も有効な手段は、一般的には電流効率の向上である。しかし、例えば、プロピレンオキシドの電解合成では、すでに８０％以上の電流効率が達成されており、仮に理論的に可能な最大値である１００％にまで電流効率を向上させたとしても、これから生じる経済的利得（電力原単位の低下）の余地は小さく、実用化に至るとは考え難い。
【０００５】
通常の電解合成方法では、陰極還元および陽極酸化の電流効率は各々最大１００％であるが、陰極酸化法を開発し、これと通常の陽極酸化を組み合わせ、両極で同一の出発原料（例えば、オレフィン類）を酸化して同一の酸化生成物（例えば、１，２−ジオール等価体）を得るという型のペアード電解合成が実現できれば、電流効率２００％（最大）の電解合成が可能となる。
本発明は、上記のペアード電解合成を実現して、オレフィン類から１，２−ジオール等価体の実用可能な製造法を提供するものである。なお、バナジウム系以外のレドックス・メディエーターでは本発明の目的は達成できない。
【０００６】
すなわち、本発明は、次の構成からなるものである。
（１）電解液に陽極と陰極が配置されて通電し、反応原料であるオレフィン類の酸化を行う電解系において、陰極反応においても該物質の酸化を行うために、陰極側に酸素の陰極還元により生成した過酸化水素により駆動されるバナジウム系レドックス・メディエーターを用いることを特徴とする陰極酸化方法。
（２）前記（１）に記載の陰極酸化方法を用いることを特徴とするオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類及び／又はその等価体類の製造方法。
（３）前記（１）に記載の陰極酸化方法とオレフィン類の陽極酸化方法とから構成されることを特徴とするペアード電解合成方法。
（４）前記（３）に記載のペアード電解合成方法を用いることを特徴とするオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類、その等価体類、エポキシド類及び／又はハロヒドリン類の製造方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明に係わる陰極酸化方法は、まず陰極で酸素が過酸化水素に還元され、次いでこの過酸化水素によってバナジウム系レドックス・メディエーターの還元体を酸化体に酸化し、生成した該酸化体により出発オレフィン類を１，２−ジオール等価体に酸化し、還元体に戻るという直列する反応ステップからなる。陰極材料、電解方式および電解条件は、これらの反応ステップが不適切に干渉しないように選定されること以外の特段のものはない。ただ、敢えて付言すれば、電解条件としては電解液の組成、ｐＨ、温度、電流密度、陰極電位、通電量、出発原料濃度、レドックス・メディエーター濃度などが主要な因子である。
【０００８】
最適の陰極材料、電解方式および電解条件は、出発原料オレフィンの種類に依存して大巾に変わるので一意的に特定はできないが、出発原料オレフィンの種類ごとに実験的に特定される。バナジウム系レドックス・メディエーターとしては、電解液中に溶存あるいは陰極表面に固定化されたＶＯ（ａｃａｃ）2 + ／ＶＯ（ａｃａｃ）2 ＯＯＨおよび、たとえばＶＯ4 3+／ＶＯ5 3+などのこれに等価なバナジウム系レドックスも用いられる。
【０００９】
本発明に係わる陽極酸化方法は、本質的には特段のものである必要はないが、ハゲロン系レドックス・メディエーターを用いる間接電解酸化法が賞用される。ただし、陽極材料、電解方式および電解条件の最適化は、出発原料オレフィン類に依存するので、特定はされない。なお、電解液の組成、ｐＨ、温度、電流密度、陽極電位、通電量、出発原料濃度、レドックス・メディエーター濃度などが主要電解条件因子である。
【００１０】
本発明に係わるペアード電解合成方法では、電極材料、電解方式および電解条件の最適化は、陰極酸化と陽極酸化方法並びにこれらの各反応ステップが複雑に相互干渉するので、出発原料オレフィンの種類ごとに実験時に特定される。なお、電解液の組成、ｐＨ、温度、電流密度、陰陽極電位、通電量、出発原料濃度、レドックス・メディエーター濃度などが主要電解条件因子である。
【００１１】
上記のように、前記ペアード電解合成方法を構成する陰極酸化方法および陽極酸化方法には多くの反応ステップが含まれ、これらの方法およびステップは複雑に連携していることのみならず、各々に対する最適化は独立に出発原料オレフィン類の種類に依存するので、方法全体としては出発原料オレフィンごとに特定される。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明による１，２−ジオール等価体類の製造方法の実施例を説明するが、これらの実施例は本発明の内容を限定するものではない。
【００１３】
実施例１
陽イオン交換膜（ナフィオン（登録商標））で陰陽極室に仕切られたＨ型セルの陰極室に、グラファイト板（１２ｃｍ2 ）を陰極として挿入し、０．１Ｍ Ｎａ2 ＨＰＯ4 −０．０５Ｍ ＶＯ（ａｃａｃ）2 −０．０１６Ｍマレイン酸からなる溶液を陰極液として注入し、酸素ガスを５０ｃｍ2 ／ｍｉｎの流速で通気した。一方、陽極室にはＲｕＯ2 で被覆したチタン板（１ｃｍ2 ）を陽極として挿入し、０．１Ｍ Ｎａ2 ＨＰＯ4 −０．０５Ｍ ＮａＢｒ−０．０１６Ｍマレイン酸から成る溶液を陽極液とに注入した。両極室液を５０℃に保ち、１２ｍＡの電流で２Ｆ／ｍｏｌの電気量を通電した後、ＨＰＬＣ（Ｓｉ−Ｃ18カラム）で生成した１，２−ジオール等価体を分析した。その結果、陰極液中ではマレイン酸エポキシドが６４％の電流効率で、また、陽極液中ではマレイン酸ブロモヒドリンが８１％の電流効率で生成した。すなわち、両極液中におけるペアード電解合成方法によるマレイン酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１４５％に達した。
【００１４】
上記のマレイン酸からの１，２−ジオール等価体類の製造方法における反応式を、下記に列記する。
陰極反応：過酸化水素の生成
Ｏ2 ＋２Ｈ2 Ｏ＋２ｅ→Ｈ2 Ｏ2 ＋２ＯＨ-
バナジウム系メディエーターの酸化
Ｈ2 Ｏ2 ＋ＶＯ（ａｃａｃ）2 →ＶＯ（ａｃａｃ）2 ＯＯＨ＋Ｈ+
マレイン酸エポキシドへの酸化とメディエーターの還元
【００１５】
【化１】
【００１６】
メディエーターの酸化還元
〔ＶＯ（ａｃａｃ）2 〕+ ＋Ｈ2 Ｏ2 →ＶＯ（ａｃａｃ）2 ＯＯＨ＋Ｈ+ 陽極反応：マレイン酸ブロモヒドリンへの酸化
ＨＯＯＣ−ＣＨ＝ＣＨ−ＣＯＯＨ＋Ｂｒ- ＋Ｈ2 Ｏ
→ ＨＯＯＣ−ＣＨＯＨ−ＣＨＢｒ−ＣＯＯＨ＋２ｅ＋Ｈ+
【００１７】
実施例２
実施例１におけるマレイン酸をフマル酸に代えたこと以外は実施例１と同様の手順を繰り返して、陰極液中でフマル酸エポキシドが５７％の電流効率で、また、陽極液中ではフマル酸ブロモヒドリンが７９％の電流効率で生成した。すなわち、両極液中におけるペアード電解合成方法によるフマル酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１３６％に達した。
【００１８】
実施例３
実施例１におけるマレイン酸をクロトン酸に代えたこと以外は実施例１と同様の手順を繰り返して、陰極液中でクロトン酸エポキシドが６４％の電流効率で、また、陽極液中ではクロトン酸ブロモヒドリンが８０％の電流効率で生成した。すなわち、両電解液中におけるペアード電解合成方法によるクロトン酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１４４％に達した。
【００１９】
実施例４
実施例１における陽イオン交換膜（ナフィオン）を半融ガラス板（Ｇ４）に、マレイン酸をスチレンに、ＮａＢｒをＮａＣｌに、陰極液と陽極液をいずれもｔ−ブチルアルコール５０％含有溶液に、電解温度を４０℃に変えたこと以外は実施例１と同様の手順を繰り返して、陰極液中でスチレン−１，２−ジオールが３４％の電流効率で、また、陽極液中ではスチレンクロロヒドリンが８５％の電流効率で生成した。すなわち、両電解液中におけるペアード電解合成プロセスによるスチレン−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１１９％に達した。
【００２０】
比較例１
陽イオン交換膜（ナフィオン）を用いない無隔膜セルを使用した以外は実施例１と同様の手順を繰り返したペアード電解合成方法では、マレイン酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１０％に過ぎなかった。
【００２１】
以上の実施例と比較例から、本発明によるペアード電解合成方法では、陰極酸化方法と陽極酸化方法の反目的的相互干渉の防止がいかに重要か分かる。隔膜の使用効果は一例であり、他の電解方式や電解条件の最適化も一意的には行ない難く、出発オレフィン類および目的生成１，２−ジオール等価体の種類により複雑になり、個別的に実験により決定されるものであることの証左でもある。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によるペアード電解合成では、陰陽両極酸化方法を用いてオレフィン類の相当する１，２−ジオール等価体への酸化が１００％以上の電流効率で実施できる。これにより、１，２−ジオール等価体類の製造電力原単位を大幅に低下し、主として経済性の事由から実用化が停滞していた１，２−ジオール等価体類の電解製造法の実用化が達成され、化学工業はもとより各種産業分野への多大の貢献がなされる。
【発明の属する技術分野】
本発明は、酸素の陰極還元により生成した過酸化水素により駆動されるバナジウム系レドックス・メディエーターを用いる陰極酸化方法、及びこれを用いるオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類、エポキシド類及び／又はハロヒドリン類の電解製造方法に関する。１，２−ジオール類、エポキシド類およびハロヒドリン類は容易に相互変換が可能な、いわゆる１，２−ジオール等価体であり、いずれも化学工業をはじめ各種の産業分野で利用されている有用な化合物である。
【０００２】
【従来の技術】
１，２−ジオール等価体は、主として相当するオレフィン類の酸化により製造されているが、現行の化学酸化法では使用した酸化剤の処理問題、あるいは過激な反応条件を使用する場合には、不安定な出発オレフィンあるいは生成１，２−ジオール等価体に適用できないことなどの諸問題があった。これらの問題を克服するため、電解法が試行された。すなわち、オレフィン類を無隔膜セル中で相当するエポキシド類に陽極酸化するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、たとえ理論的に最大である１００％の電流効率でエポキシド類が生成したとしても、電解プロセス個有のコスト高を補償するまでには至っていないという問題点があった。そのため、現在までに試行されてきたエチレンやプロピレンなどの単純な分子構造のオレフィンからの相当するエポキシドの電解製造法でさえ、化学法に勝ることができず、３０年にわたる開発研究にもかかわらす実用化されていないという問題点もあった。
本発明は、このような従来の問題点を解決することを課題としているものであり、経済性から見て実用化可能な１，２−ジオール等価体の電解製造法を提供することを課題とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
前述のエポキシド類の３０年にわたる電解製造技術の開発研究の成果を吟味すると、技術的諸問題のほとんどが解決され、基本的には経済性の問題だけが残っていると見て差しつかえない。これを解決する最も有効な手段は、一般的には電流効率の向上である。しかし、例えば、プロピレンオキシドの電解合成では、すでに８０％以上の電流効率が達成されており、仮に理論的に可能な最大値である１００％にまで電流効率を向上させたとしても、これから生じる経済的利得（電力原単位の低下）の余地は小さく、実用化に至るとは考え難い。
【０００５】
通常の電解合成方法では、陰極還元および陽極酸化の電流効率は各々最大１００％であるが、陰極酸化法を開発し、これと通常の陽極酸化を組み合わせ、両極で同一の出発原料（例えば、オレフィン類）を酸化して同一の酸化生成物（例えば、１，２−ジオール等価体）を得るという型のペアード電解合成が実現できれば、電流効率２００％（最大）の電解合成が可能となる。
本発明は、上記のペアード電解合成を実現して、オレフィン類から１，２−ジオール等価体の実用可能な製造法を提供するものである。なお、バナジウム系以外のレドックス・メディエーターでは本発明の目的は達成できない。
【０００６】
すなわち、本発明は、次の構成からなるものである。
（１）電解液に陽極と陰極が配置されて通電し、反応原料であるオレフィン類の酸化を行う電解系において、陰極反応においても該物質の酸化を行うために、陰極側に酸素の陰極還元により生成した過酸化水素により駆動されるバナジウム系レドックス・メディエーターを用いることを特徴とする陰極酸化方法。
（２）前記（１）に記載の陰極酸化方法を用いることを特徴とするオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類及び／又はその等価体類の製造方法。
（３）前記（１）に記載の陰極酸化方法とオレフィン類の陽極酸化方法とから構成されることを特徴とするペアード電解合成方法。
（４）前記（３）に記載のペアード電解合成方法を用いることを特徴とするオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類、その等価体類、エポキシド類及び／又はハロヒドリン類の製造方法。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に本発明を詳細に説明する。
本発明に係わる陰極酸化方法は、まず陰極で酸素が過酸化水素に還元され、次いでこの過酸化水素によってバナジウム系レドックス・メディエーターの還元体を酸化体に酸化し、生成した該酸化体により出発オレフィン類を１，２−ジオール等価体に酸化し、還元体に戻るという直列する反応ステップからなる。陰極材料、電解方式および電解条件は、これらの反応ステップが不適切に干渉しないように選定されること以外の特段のものはない。ただ、敢えて付言すれば、電解条件としては電解液の組成、ｐＨ、温度、電流密度、陰極電位、通電量、出発原料濃度、レドックス・メディエーター濃度などが主要な因子である。
【０００８】
最適の陰極材料、電解方式および電解条件は、出発原料オレフィンの種類に依存して大巾に変わるので一意的に特定はできないが、出発原料オレフィンの種類ごとに実験的に特定される。バナジウム系レドックス・メディエーターとしては、電解液中に溶存あるいは陰極表面に固定化されたＶＯ（ａｃａｃ）2 + ／ＶＯ（ａｃａｃ）2 ＯＯＨおよび、たとえばＶＯ4 3+／ＶＯ5 3+などのこれに等価なバナジウム系レドックスも用いられる。
【０００９】
本発明に係わる陽極酸化方法は、本質的には特段のものである必要はないが、ハゲロン系レドックス・メディエーターを用いる間接電解酸化法が賞用される。ただし、陽極材料、電解方式および電解条件の最適化は、出発原料オレフィン類に依存するので、特定はされない。なお、電解液の組成、ｐＨ、温度、電流密度、陽極電位、通電量、出発原料濃度、レドックス・メディエーター濃度などが主要電解条件因子である。
【００１０】
本発明に係わるペアード電解合成方法では、電極材料、電解方式および電解条件の最適化は、陰極酸化と陽極酸化方法並びにこれらの各反応ステップが複雑に相互干渉するので、出発原料オレフィンの種類ごとに実験時に特定される。なお、電解液の組成、ｐＨ、温度、電流密度、陰陽極電位、通電量、出発原料濃度、レドックス・メディエーター濃度などが主要電解条件因子である。
【００１１】
上記のように、前記ペアード電解合成方法を構成する陰極酸化方法および陽極酸化方法には多くの反応ステップが含まれ、これらの方法およびステップは複雑に連携していることのみならず、各々に対する最適化は独立に出発原料オレフィン類の種類に依存するので、方法全体としては出発原料オレフィンごとに特定される。
【００１２】
【実施例】
以下、本発明による１，２−ジオール等価体類の製造方法の実施例を説明するが、これらの実施例は本発明の内容を限定するものではない。
【００１３】
実施例１
陽イオン交換膜（ナフィオン（登録商標））で陰陽極室に仕切られたＨ型セルの陰極室に、グラファイト板（１２ｃｍ2 ）を陰極として挿入し、０．１Ｍ Ｎａ2 ＨＰＯ4 −０．０５Ｍ ＶＯ（ａｃａｃ）2 −０．０１６Ｍマレイン酸からなる溶液を陰極液として注入し、酸素ガスを５０ｃｍ2 ／ｍｉｎの流速で通気した。一方、陽極室にはＲｕＯ2 で被覆したチタン板（１ｃｍ2 ）を陽極として挿入し、０．１Ｍ Ｎａ2 ＨＰＯ4 −０．０５Ｍ ＮａＢｒ−０．０１６Ｍマレイン酸から成る溶液を陽極液とに注入した。両極室液を５０℃に保ち、１２ｍＡの電流で２Ｆ／ｍｏｌの電気量を通電した後、ＨＰＬＣ（Ｓｉ−Ｃ18カラム）で生成した１，２−ジオール等価体を分析した。その結果、陰極液中ではマレイン酸エポキシドが６４％の電流効率で、また、陽極液中ではマレイン酸ブロモヒドリンが８１％の電流効率で生成した。すなわち、両極液中におけるペアード電解合成方法によるマレイン酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１４５％に達した。
【００１４】
上記のマレイン酸からの１，２−ジオール等価体類の製造方法における反応式を、下記に列記する。
陰極反応：過酸化水素の生成
Ｏ2 ＋２Ｈ2 Ｏ＋２ｅ→Ｈ2 Ｏ2 ＋２ＯＨ-
バナジウム系メディエーターの酸化
Ｈ2 Ｏ2 ＋ＶＯ（ａｃａｃ）2 →ＶＯ（ａｃａｃ）2 ＯＯＨ＋Ｈ+
マレイン酸エポキシドへの酸化とメディエーターの還元
【００１５】
【化１】
メディエーターの酸化還元
〔ＶＯ（ａｃａｃ）2 〕+ ＋Ｈ2 Ｏ2 →ＶＯ（ａｃａｃ）2 ＯＯＨ＋Ｈ+ 陽極反応：マレイン酸ブロモヒドリンへの酸化
ＨＯＯＣ−ＣＨ＝ＣＨ−ＣＯＯＨ＋Ｂｒ- ＋Ｈ2 Ｏ
→ ＨＯＯＣ−ＣＨＯＨ−ＣＨＢｒ−ＣＯＯＨ＋２ｅ＋Ｈ+
【００１７】
実施例２
実施例１におけるマレイン酸をフマル酸に代えたこと以外は実施例１と同様の手順を繰り返して、陰極液中でフマル酸エポキシドが５７％の電流効率で、また、陽極液中ではフマル酸ブロモヒドリンが７９％の電流効率で生成した。すなわち、両極液中におけるペアード電解合成方法によるフマル酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１３６％に達した。
【００１８】
実施例３
実施例１におけるマレイン酸をクロトン酸に代えたこと以外は実施例１と同様の手順を繰り返して、陰極液中でクロトン酸エポキシドが６４％の電流効率で、また、陽極液中ではクロトン酸ブロモヒドリンが８０％の電流効率で生成した。すなわち、両電解液中におけるペアード電解合成方法によるクロトン酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１４４％に達した。
【００１９】
実施例４
実施例１における陽イオン交換膜（ナフィオン）を半融ガラス板（Ｇ４）に、マレイン酸をスチレンに、ＮａＢｒをＮａＣｌに、陰極液と陽極液をいずれもｔ−ブチルアルコール５０％含有溶液に、電解温度を４０℃に変えたこと以外は実施例１と同様の手順を繰り返して、陰極液中でスチレン−１，２−ジオールが３４％の電流効率で、また、陽極液中ではスチレンクロロヒドリンが８５％の電流効率で生成した。すなわち、両電解液中におけるペアード電解合成プロセスによるスチレン−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１１９％に達した。
【００２０】
比較例１
陽イオン交換膜（ナフィオン）を用いない無隔膜セルを使用した以外は実施例１と同様の手順を繰り返したペアード電解合成方法では、マレイン酸−１，２−ジオール等価体の生成電流効率は１０％に過ぎなかった。
【００２１】
以上の実施例と比較例から、本発明によるペアード電解合成方法では、陰極酸化方法と陽極酸化方法の反目的的相互干渉の防止がいかに重要か分かる。隔膜の使用効果は一例であり、他の電解方式や電解条件の最適化も一意的には行ない難く、出発オレフィン類および目的生成１，２−ジオール等価体の種類により複雑になり、個別的に実験により決定されるものであることの証左でもある。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によるペアード電解合成では、陰陽両極酸化方法を用いてオレフィン類の相当する１，２−ジオール等価体への酸化が１００％以上の電流効率で実施できる。これにより、１，２−ジオール等価体類の製造電力原単位を大幅に低下し、主として経済性の事由から実用化が停滞していた１，２−ジオール等価体類の電解製造法の実用化が達成され、化学工業はもとより各種産業分野への多大の貢献がなされる。
Claims (4)
- 電解液に陽極と陰極が配置されて通電し、反応原料であるオレフィン類の酸化を行う電解系において、陰極反応においても該物質の酸化を行うために、陰極側に酸素の陰極還元により生成した過酸化水素により駆動されるバナジウム系レドックス・メディエーターを用いることを特徴とする陰極酸化方法。
- 請求項１に記載の陰極酸化方法を用いることを特徴とするオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類及び／又はその等価体類の製造方法。
- 請求項１に記載の陰極酸化方法とオレフィン類の陽極酸化方法とから構成されることを特徴とするペアード電解合成方法。
- 請求項３に記載のペアード電解合成方法を用いることを特徴とするオレフィン類からの相当する１，２−ジオール類、その等価体類、エポキシド類及び／又はハロヒドリン類の製造方法。
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| JP05444799A JP4306859B2 (ja) | 1999-03-02 | 1999-03-02 | １，２−ジオール類及びその等価体類の製造方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000248394A JP2000248394A (ja) | 2000-09-12 |
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1999
- 1999-03-02 JP JP05444799A patent/JP4306859B2/ja not_active Expired - Fee Related
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