Biomat

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Plate Forme Technologique dEVREUX
Groupement dintérêt Public Innovation et
Transfert de Technologies (GIP ITT) Spécialisé
dans la Sécurité Sanitaire et Environnementale Co
mposé de Membres publics et privés
Moyens Humains Plus de 30 ingénieurs et
docteurs des secteurs publics privés aux
compétences variées et complémentaires
2
Equipements
Culture cellulaire
Microbiologie
Biologie Moléculaire
Physico-Chimie
Génie des matériaux
Laboratoires
Caractérisation des surfaces

• Pharmaceutique
• Zone ultra propre
• Département galénique
• Département pâteux et cosmétique
• Pilotes lyophilisation et production dampoules

• Agroalimentaire
• Enceinte multi applications
• Tube à passage de courant (TPC)
• Salle danalyse sensorielle

Halles technologiques expérimentales
Pilotes de lumière pulsée

• Conditionnement
• Laboratoire dessais dureté,
  traction/compression, vieillissement
• Tables de découpe et rainage
• Conditionnement liquide, visqueux et pâteux,
• Blisters, gélules, comprimés, barqueuteuse,
  ensacheuse

Animalerie
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NOS RESEAUX
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BIODEGRADATIONBIOMATERIAUX
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Biomatériaux et Biodégradation

• Introduction
• La place des matériaux polymères dans notre
  vie
• La gestion des déchets polymères
• La biodégradation
• Définitions
• Mécanismes
• Paramètres affectant cette biodégradation
• Tests et normes relatifs à la biodégradation
• Les matériaux polymères biodégradables
• Classification
• Production industrielle
• Le marché des matériaux biodégradables
• Les domaines dapplications
• Conclusion

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Biomatériaux et Biodégradation

• Introduction
• La place des matériaux polymères dans notre
  vie
• La gestion des déchets polymères
• La biodégradation
• Définitions
• Mécanismes
• Paramètres affectant cette biodégradation
• Tests et normes relatifs à la biodégradation
• Les matériaux polymères biodégradables
• Classification
• Production industrielle
• Le marché des matériaux biodégradables
• Les domaines dapplications
• Conclusion

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Biomatériaux et Biodégradation

• Les matériaux polymères conventionnels (PS, PE,
  PP, PVC, PET) sont produits en quantité massive
  150MT/an.
• 4 des ressources pétrochimiques.
• Avantages de ces matériauxmise en œuvre facile,
  coût faible, légèreté, longue durée de vie.

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Biomatériaux et Biodégradation

• Inconvénient lélimination de ces matériaux
  après usage en particulier pour ceux ayant des
  applications à courte durée de vie comme
  lemballage.

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Biomatériaux et Biodégradation

• La mise en décharge
• Solution la plus simple mais la plus polluante au
  niveau des sols et des eaux souterraines.
• Cest un mode de gestion (stockage) mais non de
  traitement des déchets.
• Depuis 2002 la législation autorise seulement la
  mise en décharge des déchets ultimes.
• Le traitement des composés polymères est donc
  devenu un souci environnemental majeur.

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Biomatériaux et Biodégradation

• Lincinération
• Intéressante lorsquelle est combinée à une
  valorisation énergétique.
• Mais engendre lémission de composés gazeux
  toxiques non complètement maîtrisés (dioxine, gaz
  acides).
• Amène un apport supplémentaire en CO2 contribuant
  à leffet de serre.

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Biomatériaux et Biodégradation

• Le recyclage mécanique
• Intéressant pour le verre et les métaux il pose
  problème pour les polymères de synthèse car le
  mélange de polymères conduit à des matériaux aux
  qualités inférieures au produit initial et donc
  aux propriétés insuffisantes pour une
  réutilisation.
• Le tri doit donc être extrêmement rigoureux ce
  qui entraîne une augmentation importante du coût.

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Biomatériaux et Biodégradation

• Le recyclage chimique
• Dépolymérisation thermique ou chimiolyse
  obtention des monomères dorigine.
• Craquage chimique (thermolyse ou pyrolyse)
  obtention dintermédiaires chimiques.
• Gazéification obtention de gaz de synthèse (CO2
  / H2).
• Solutions de valorisation mais très spécifiques
  et peu rentables.

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Biomatériaux et Biodégradation

• Conclusion
• Mise en décharge interdiction
• Incinération pollution
• Recyclage coûteux et limité dans le temps
  puisque le polymère perd ses propriétés au fur et
  à mesure des traitements (solution dattente?)
• Quelle solution?

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Biomatériaux et Biodégradation

• Le recyclage biologique ou biodégradation
• Fondée sur des phénomènes délimination
  naturelle.
• Nécessite lutilisation dun matériau
  biodégradable.
• Voie économiquement intéressante uniquement si
  une valorisation du matériau après usage est
  envisagée.
• Essentiellement marché de produits à courte durée
  de vie emballages, objets jetables.

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Biomatériaux et Biodégradation

• Introduction
• La place des matériaux polymères dans notre
  vie
• La gestion des déchets polymères
• La biodégradation
• Définitions
• Mécanismes
• Paramètres affectant cette biodégradation
• Tests et normes relatifs à la biodégradation
• Les matériaux polymères biodégradables
• Classification
• Production industrielle
• Le marché des matériaux biodégradables
• Les domaines dapplications
• Conclusion

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Biomatériaux et Biodégradation

• Propositions de définitions du CEN (Comité
  Européen de Normalisation)
• Dégradation
• Processus irréversible conduisant à des
  changements de structure dun matériau
  caractérisés par une perte de propriétés
  (structure, résistance mécanique) et/ou une
  fragmentation.
• Dégradabilité
• Un matériau est dit dégradable si il subit une
  dégradation déterminée dans un temps donné,
  mesurée par la méthode standard adaptée.

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Biomatériaux et Biodégradation

• Biodégradation
• Dégradation causée par une activité biologique,
  particulièrement par action enzymatique.
• Compost
• Amendement de sol organique obtenu par
  biodégradation dun mélange de matières
  organiques.
• Compostabilité
• Capacité dun matériau à être biodégradé dans un
  processus de compostage. Cette capacité doit être
  prouvé par des méthodes danalyses standardisées.

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Biomatériaux et Biodégradation
Brandl et coll.,1995
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Biomatériaux et Biodégradation

• Proposition dune nomenclature relative à la
  biodégradabilité des
• polymères dans lenvironnement
• Délitement sans altération des macromolécules
• Par voie physique fragmentable
• Par voie biologique biofragmentable
• Délitement avec dégradation des macromolécules
• Et formation de molécules dont le devenir nest
  pas établi
• Par voie chimique dégradable
• Par voie biologique biodégradable
• Et formation de molécules assimilées par les
  cellules bioassimilable

Vert et Guerin, 1992
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Biomatériaux et Biodégradation
Lobjectif est donc de créer un  cycle 
écologique sans production de déchets. Exemple
dun produits biodégradable Biolice de la
société LIMAGRAIN
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Biomatériaux et Biodégradation

• La biodégradabilité, signifie, pour les matériaux
  exposés à un environnement naturel, la perte des
  propriétés mécaniques et des modifications
  chimiques.
• Deux modes de dégradation
• Abiotique (dégradation due à loxygène, leau, le
  soleil)
• Biotique (due aux microorganismes)
• Ces deux mécanismes coexistent dans la nature et
  il est difficile de différencier le rôle de
  chaque type.
• Mais au sens strict du terme la biodégradation
  est le résultat des réactions biochimiques
  catalysées par les enzymes produites par des
  micro-organismes en aérobiose ou anaérobiose

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Biomatériaux et Biodégradation

• Au niveau moléculaire, deux modes daction
• Soit la rupture se produit  au hasard  le long
  de la chaîne du polymère sous laction
  dendoenzymes.

polymère
Diminution rapide et régulière de la masse
molaire du polymère
oligomères
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Biomatériaux et Biodégradation

• Soit la rupture se produit de manière spécifique
  en fin de chaîne sous laction dexo-enzymes
  libérant des monomères, dimères ou trimères qui
  nengendrent quune diminution lente et faible
  de la masse molaire du polymère

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Biomatériaux et Biodégradation
Au niveau cellulaire
Clivage enzymatique extracellulaire
oligomères monomères
Métabolisme intracellulaire
CO2 H2O Biomasse
polymère
O2
Les enzymes endocellulaires nagissent que sur
des molécules ayant pénétré dans la cellule
petites molécules ou longues molécules
hydrosolubles.
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Biomatériaux et Biodégradation

• Les paramètres physicochimiques du milieu de
  dégradation
• Température
• pH (fixé à 7 dans les tests de dégradation, le
  milieu sacidifie au cours de la dégradation)
• Teneur en eau (humidité suffisante qui de plus
  favorise lhydrolyse chimique du matériau)
• Teneur en oxygène (aérobiose, teneur en O2gt6,
  sinon la flore microbienne est modifiée)
• Présence dinhibiteurs (exemple des métaux lourds)

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Biomatériaux et Biodégradation

• Les paramètres microbiologiques du milieu de
  dégradation
• Présence ou non du micro-organismes
• Adaptation de celui-ci au polymère
• Association de plusieurs micro-organismes
• Taux de colonisation microbienne de la surface du
  biomatériau
• Age des cellules

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Biomatériaux et Biodégradation

• Structure et propriétés des polymères constituant
  le matériau
• Une faible masse molaire facilite la
  biodégradation
• Caractère hydrophile ou hydrophobe du polymère.
  Les polymères hydrophiles subissent une
  dégradation plus rapide.
• Porosité du polymère
• Type de monomère lirrégularité monomériques
  des polymères naturels facilite la biodégradation
  par rapport aux polymères de synthèse très
  régulier.
• Présence de liaisons facilement hydrolysables de
  type ester ou amide

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Biomatériaux et Biodégradation

• Procédé de fabrication du matériau
• Procédé de fabrication proprement dit (extrusion,
  injection, thermoformage)
• Conditions de mise en œuvre (température,
  pression, additifs, plastifiants)
• Surface spécifique du polymère (la rugosité
  augmente la capacité à la biodégradabilité)
• Présence dadditifs inhibant les micro-organismes
• Présence de charges biodégradables favorisant la
  biodégradation

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Biomatériaux et Biodégradation

• Les tests de laboratoires, in vitro
• Dégradation en milieu liquide (test de Sturm). Le
  principe consiste à exposer le matériau à une
  source de micro-organismes et à mesurer le
  dégagement de CO2
• Méthodes enzymatiques (mesure par perte de poids
  et modification des caractéristiques mécaniques
• Tests en milieu gélosé (observation de la
  croissance bactérienne à la surface dune gélose
  contenant comme seul source de carbone le
  matériau à tester.

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Biomatériaux et Biodégradation
Les tests de laboratoires, in vitro
(suite) Dégradation en milieu solide simulant
les conditions in-situtest de compostage
standard (ASTM D-5338-92 et ISO/CEN 14855) basé
sur la mesure du CO2 produit à partir de
léchantillon par les micro-organismes apportés
par un compost mature (vieux de 2 à 4 mois). Les
tests in-situ (de terrain) Les échantillons sont
enfouis selon un protocole précis en milieu
solide ou liquide. Après un temps déterminé,
changements visuels et massiques sont notés.
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Biomatériaux et Biodégradation
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Biomatériaux et Biodégradation

• La seule norme qui fait référence actuellement
  est la norme NF EN 13342. Elle arrête 4 critères
  dacceptation
• Composition taux maximal de solides volatils et
  métaux lourds
• Biodégradabilité gt 90 du taux de la substance
  de référence menée simultanément, celle-ci devant
  montrer une biodégradation gt70 en 45 jours
• Durée de lessai limité à 6 mois
• Désintégration moins de 10 de résidus de taille
  gt2mm en 3 mois
• Qualité du compost final performance gt90 du
  témoin

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Biomatériaux et Biodégradation
Exemple AIB-Vinçotte délivre 3 labels Matériau
biodégradable dans un environnement naturel
spécifique Matériau compostable dans une
installation industrielle ou dans un compost
privé
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Biomatériaux et Biodégradation

• Introduction
• La place des matériaux polymères dans notre
  vie
• La gestion des déchets polymères
• La biodégradation
• Définitions
• Mécanismes
• Paramètres affectant cette biodégradation
• Tests et normes relatifs à la biodégradation
• Les matériaux polymères biodégradables
• Classification
• Production industrielle
• Le marché des matériaux biodégradables
• Les domaines dapplications
• Conclusion

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Biomatériaux et Biodégradation

• Un biopolymère est une substance synthétisé par
  des processus biologiques ou chimiques à partir
  de monomères naturels (ou identiques à ceux-ci)
• Trois voies sont possibles pour fabriquer ces
  biopolymères
• Polymère dorigine microbienne
• Polymère dorigine chimique
• Polymère dorigine agricole

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Biomatériaux et Biodégradation

• Polymère dorigine microbienne
• Les polyesters
• Polyhydroxyalcanoates tel que le
• polyhydroxybutyrate (PHB) et le
• Polyhydroxybutyrate-co-hydroxyvalérate (PHBV)
• obtenu par
• fermentation des
• sucres par
• Alcaligenes eutrophus
• Exemple du biopol de MONSANTO

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Biomatériaux et Biodégradation

• Polymère dorigine microbienne
• Les polylactides
• Les monomères dacide lactique ou glycolique sont
  obtenus par
• fermentation.
• Le polymère est synthétisé
• par voie chimique PLA
• EcoPla, Heplon ,Laced , Lacty

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Biomatériaux et Biodégradation

• Polymère dorigine microbienne
• Les polyosides
• Pullulane Pullulan
• Gommes xanthane et Gellane
• Chitosanes
• Tous ces polymères sont très hydophiles La
  difficulté de la mise
• en oeuvre limite leurs applications.

Chitosane
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Biomatériaux et Biodégradation
Polymère dorigine chimique Voie la plus
compliquée à mettre en œuvre basée sur
lincorporation de liaisons labiles tels
quester ou amide dans la chaîne
principale. Polyesters aliphatiques comme le
polycaprolactone (Tone, CAPA,celgreen)
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Biomatériaux et Biodégradation
Polymère dorigine chimique Polyesters amides
Ils sont principalement connus sous lappellation
commerciale BAK produit par Bayer mais dont
la production a été stoppée en raison dun coût
trop élevé. Copolyeters aliphatiques et
aromatiques (Ecoflex, EastarBio, Skygreen) Pol
ymères vinyliques PVAL (polyalcool de vinyl)
obtenu par hydrolyse du PVAC (polyacétate de
vinyl) (Vinex, Aquafilm)
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Biomatériaux et Biodégradation

• Polymère dorigine agricole
• Ce sont essentiellement des polyosides
• La cellulose
• Il sagit de dérivés de la cellulose dont
  certains
• groupements hydroxyles ont été substitués par
• des groupes plus volumineux entraînant une
• solubilisation de la molécule et un
• assouplissement du polymère par diminution des
• forces intermoléculaires nitrates de cellulose,
• esters et ethers de cellulose)
• Ultraphan, Bioceta

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Biomatériaux et Biodégradation

• Polymère dorigine agricole
• 2. Lamidon
• Amylose
• Amylopectine

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Biomatériaux et Biodégradation

• Polymère dorigine agricole
• Sous sa forme granulaire (amidon natif) en
  mélange avec un polymère chimique, il se comporte
  comme une charge biodégradable au sein de la
  matrice. Les teneurs faibles en amidon (10)
  classe ses matériaux comme biofragmentables et
  non biodégradables (EcoStar, Amyplast)
• Amidon déstructuré ou gélatinisé, obtenu par
  traitement thermique en excès deau, incorporé
  jusquà 50 ou 60 associé avec un polymère
  synthétique. Ces matériaux sont très souvent
  considérés comme biodégradables mais la partie
  non biodégradée peut contaminer les sols
  (MaterBi, Bioflex, Novon).

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Biomatériaux et Biodégradation

• Polymère dorigine agricole
• Amidon plastifié, obtenu par traitement thermique
  et cisaillement à faible teneur en eau, alors
  utilisé seul (Paragon) ou associé avec un autre
  polymère minoritaire. Du fait de la grande
  quantité damidon quils contiennent ces
  matériaux sont facilement biodégradables
  (MaterBi, BioPlast)

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Biomatériaux et Biodégradation
Les principaux polymères biodégradables dorigine
chimique ( source ADEME)
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Biomatériaux et Biodégradation
Les polymères biodégradables issus des ressources
renouvelables (source ADEME)
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Biomatériaux et Biodégradation

• Introduction
• La place des matériaux polymères dans notre
  vie
• La gestion des déchets polymères
• La biodégradation
• Définitions
• Mécanismes
• Paramètres affectant cette biodégradation
• Tests et normes relatifs à la biodégradation
• Les matériaux polymères biodégradables
• Classification
• Production industrielle
• Le marché des matériaux biodégradables
• Les domaines dapplications
• Conclusion

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Biomatériaux et Biodégradation
Il na cessé de croitre depuis 1990, mais reste
reste très en deçà du marché des matières
plastiques ( 0,3).
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Biomatériaux et Biodégradation

• Si cette croissance continue à ce rythme la
  production devrait
• atteindre 1 000 000 de tonnes en 2010.
• Actuellement les producteurs les plus importants
  sont
• Laméricain CARGILL
• Litalien NOVAMONT
• Les allemands BASF et BIOTEC
• Dautres devraient jouer un rôle important ces
  prochaines années
• Les américains DUPONT et PROCTER and GAMBLE
• Le hollandais EASTMAN
• Langlais UCB
• En ce qui concerne la consommation de ces
  biopolymères, elle
• serait actuellement de 70 000 tonnes/an dans le
  monde

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Biomatériaux et Biodégradation

• Introduction
• La place des matériaux polymères dans notre
  vie
• La gestion des déchets polymères
• La biodégradation
• Définitions
• Mécanismes
• Paramètres affectant cette biodégradation
• Tests et normes relatifs à la biodégradation
• Les matériaux polymères biodégradables
• Classification
• Production industrielle
• Le marché des matériaux biodégradables
• Les domaines dapplications
• Conclusion

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Biomatériaux et Biodégradation
Exemple du Materbi de la société NOVAMONT
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Biomatériaux et Biodégradation

• Les secteurs visés concernent particulièrement
  les objets à usage
• unique, à courte et moyenne durée de vie.
• Les sacs de collecte
• Sacs Mater-bi commercialisés par NOVAMONT pour la
  collecte des déchets fermentiscibles
• Les sacs à sapin 100 biodégradables et 100
  compostables lancés par Handicap International
• Les sacs réutilisables

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Biomatériaux et Biodégradation

• Les emballages industriels
• Dominés par les produits de calage, ils sont
  réalisés
• essentiellement avec de lamidon extrudé ou formé
  et se
• présentent sous forme de chips et autres blocs
  destinés à
• labsorption des
• chocs.
• On trouve aussi dans ce segment de marché les
  films de
• suremballage.
• Lemballage ménager et la restauration
• Barquettes destinées aux produits frais
• Pots de yaourt
• Films pour sandwicherie, boulangerie
• Assiettes et couverts jetables

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Biomatériaux et Biodégradation

• Les films pour paillage agricole
• Avantages
• Technique (difficultés de ramassage)
• Législatif (brûlage en plein champ interdit)
• Agronomique (utilisation unique sur de courtes
  durées)
• Économique (suppression de la main dœuvre de
  ramassage)
• Les tee de golf!

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Biomatériaux et Biodégradation

• Dans le cadre du développement durable, ces
  nouveaux matériaux
•  écologiques  entrent dans une logique qui
  visent à supprimer
• les causes des pollutions au lieu de nen traiter
  que les effets.
• Le principal inconvénient de ces polymères
  biodégradables est
• leur coût (2 à 10 fois supérieurs aux polymères
  dorigine
• pétrochimique.
• Trois leviers damélioration sont à envisager
• Laugmentation des tonnages réduisant les coûts
  de recherche,
• Larrivée de nouvelles technologies en
  particulier celle qui simplifie le processus de
  fabrication,
• Une volonté politique internationale (comme par
  exemple la taxation différentes de ces produits)

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Biomatériaux et Biodégradation
Je vous remercie de votre attention.
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