Vật liệu bền vững thế hệ tiếp theo: Cơ hội tăng trưởng chính và hiểu biết về thị trường

Phân tích khoảng trắng là báo cáo chi tiết về các thị trường hiện có. Họ xác định trạng thái của thị trường, bao gồm những sản phẩm, dịch vụ và công nghệ nào đang tồn tại, sản phẩm nào đang thành công, sản phẩm nào đang gặp khó khăn và những khoảng trống thị trường tiềm năng cho sự đổi mới và khởi nghiệp trong tương lai. Bản phân tích chi tiết về khoảng trắng này của ngành công nghiệp vật liệu thay thế động vật “thế hệ tiếp theo” được hình thành để tiếp nối báo cáo hiện trạng ngành vào tháng 6 năm 2021 của Sáng kiến ​​Đổi mới Vật liệu. MII là tổ chức tư vấn về đổi mới và khoa học vật liệu thế hệ tiếp theo. Trong báo cáo này, họ hợp tác với The Mills Fabrica, một nhà đầu tư nổi tiếng trong ngành vật liệu thế hệ tiếp theo.

Các vật liệu thế hệ tiếp theo là sự thay thế trực tiếp cho các vật liệu làm từ động vật như da, lụa, len, lông thú và lông tơ (hoặc “vật liệu hiện tại”). Các nhà đổi mới sử dụng “mô phỏng sinh học” để sao chép hình dáng, cảm giác và tính hiệu quả của các sản phẩm động vật được thay thế. Tuy nhiên, các vật liệu thế hệ tiếp theo không giống với các vật liệu thay thế động vật “thế hệ hiện tại” như polyester, acrylic và da tổng hợp làm từ hóa dầu như polyurethane. Các vật liệu thế hệ tiếp theo có xu hướng sử dụng các thành phần “dựa trên sinh học” - không phải nhựa - để giảm thiểu lượng khí thải carbon của chúng. Vật liệu dựa trên sinh học bao gồm vi khuẩn, thực vật và nấm. Mặc dù không phải mọi bộ phận của quá trình sản xuất vật liệu thế hệ tiếp theo đều hoàn toàn dựa trên sinh học nhưng ngành này đang nỗ lực hướng tới sự đổi mới bền vững thông qua các công nghệ hóa học xanh mới nổi.

Phân tích khoảng trắng xác định bảy cơ hội chính để đổi mới trong ngành vật liệu thế hệ tiếp theo.

1. Có một số vật liệu thế hệ tiếp theo với sự đổi mới hạn chế. Một lượng không cân xứng (khoảng 2/3) các nhà đổi mới trong ngành tham gia vào sản xuất da thế hệ tiếp theo. Điều này khiến len, lụa, lông tơ, lông thú và da ngoại thế hệ tiếp theo không được đầu tư và đổi mới kém, tạo ra nhiều cơ hội phát triển trong tương lai. So với ngành da, những vật liệu thế hệ tiếp theo này sẽ dẫn đến khối lượng sản xuất thấp hơn nhưng có tiềm năng mang lại lợi nhuận cao hơn trên mỗi đơn vị.
2. Báo cáo nhấn mạnh những thách thức trong việc tạo ra hệ sinh thái thế hệ tiếp theo bền vững 100%. Mặc dù ngành này kết hợp “nguyên liệu thô” như chất thải nông nghiệp và các sản phẩm vi sinh, nhưng việc tạo ra hàng dệt may thế hệ tiếp theo thường vẫn cần đến dầu mỏ và các vật liệu nguy hiểm. Mối quan tâm đặc biệt là polyvinyl clorua và các polyme gốc vinyl khác, thường được tìm thấy trong da tổng hợp. Mặc dù có độ bền cao nhưng nó vẫn là một trong những loại nhựa gây hại nhất do phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giải phóng các hợp chất nguy hiểm, sử dụng chất hóa dẻo có hại và tỷ lệ tái chế thấp. Polyurethane gốc sinh học cung cấp một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn nhưng vẫn đang được phát triển. Các tác giả đề xuất rằng các nhà đổi mới và nhà đầu tư phải phát triển và thương mại hóa các phiên bản dựa trên sinh học, có khả năng phân hủy sinh học của chất kết dính, chất phủ, thuốc nhuộm, chất phụ gia và chất hoàn thiện.
3. Họ khuyến khích các nhà đổi mới thế hệ tiếp theo tạo ra sợi tổng hợp 100% dựa trên sinh học để hạn chế việc sử dụng polyester. Hiện nay, polyester chiếm 55% tổng lượng nguyên liệu dệt được sản xuất hàng năm. Vì có nguồn gốc từ dầu mỏ nên nó được coi là “kẻ thù chung số một” trong ngành thời trang bền vững . Polyester là một chất liệu phức tạp ở chỗ nó hiện có chức năng thay thế “thế hệ hiện tại” cho các chất liệu như lụa và lông tơ. Tuy nhiên, nó cũng là một rủi ro về môi trường vì nó có thể thải ra các sợi nhỏ ra môi trường. Báo cáo ủng hộ những cải tiến bền vững cho các chiến lược thế hệ hiện tại thông qua việc phát triển sợi polyester sinh học. Những cải tiến hiện nay đang trong quá trình tạo ra polyester có thể tái chế, nhưng vấn đề về khả năng phân hủy sinh học khi hết vòng đời vẫn là mối lo ngại.
4. Các tác giả khuyến khích các nhà đầu tư và nhà đổi mới kết hợp nguyên liệu sinh học mới vào các vật liệu thế hệ tiếp theo. Nói cách khác, họ kêu gọi những khám phá và công nghệ mới về sợi tự nhiên và sợi bán tổng hợp (cellulose). Sợi thực vật như bông và cây gai dầu chiếm ~ 30% sản lượng sợi toàn cầu. Trong khi đó, chất liệu bán tổng hợp như rayon chiếm ~6%. Mặc dù được lấy từ thực vật nhưng những sợi này vẫn gây ra những lo ngại về tính bền vững. Ví dụ, bông sử dụng 2,5% diện tích đất trồng trọt trên thế giới nhưng lại sử dụng 10% tổng lượng hóa chất nông nghiệp. Phế phẩm nông nghiệp, chẳng hạn như bã gạo và cọ dầu, là những lựa chọn khả thi để tái chế thành sợi có thể sử dụng được. Tảo, loại bỏ CO2 khỏi khí quyển hiệu quả gấp 400 lần so với cây xanh, cũng có tiềm năng trở thành nguồn nguyên liệu sinh học mới.
5. Phân tích kêu gọi tăng tính linh hoạt trong các lựa chọn cuối đời của sản phẩm thế hệ tiếp theo. Theo các tác giả, các nhà cung cấp, nhà thiết kế và nhà sản xuất thế hệ tiếp theo có trách nhiệm tìm hiểu cách lựa chọn nguyên liệu tác động đến số phận sản phẩm của họ. Lên đến 30% ô nhiễm vi nhựa có thể bắt nguồn từ hàng dệt may, vốn có nhiều tình huống hết hạn sử dụng khác nhau. Chúng có thể được đổ vào bãi rác, đốt để lấy năng lượng hoặc thải ra môi trường. Các lựa chọn hứa hẹn hơn bao gồm tái chế/nâng cấp và phân hủy sinh học. Các nhà đổi mới nên hướng tới một “nền kinh tế tuần hoàn”, trong đó việc sản xuất, sử dụng và thải bỏ vật liệu có mối quan hệ tương hỗ, giảm thiểu chất thải tổng thể. vật liệu phải có khả năng tái chế hoặc phân hủy sinh học, giảm thiểu gánh nặng cho người tiêu dùng. Một nhân tố tiềm năng trong lĩnh vực này là axit polylactic (PLA), một dẫn xuất tinh bột lên men, hiện được sử dụng để sản xuất nhựa phân hủy. Hàng may mặc 100% PLA có thể sẽ có mặt trong tương lai.
6. Các tác giả kêu gọi các nhóm nghiên cứu và phát triển (R&D) nâng cao chuyên môn về các nguyên tắc cốt lõi của khoa học vật liệu. Đặc biệt, các nhà nghiên cứu và phát triển thế hệ tiếp theo phải hiểu mối quan hệ giữa cấu trúc và thuộc tính. Nắm vững mối quan hệ này sẽ cho phép các nhóm R&D đánh giá cách các đặc tính vật liệu cụ thể ảnh hưởng đến hiệu suất của vật liệu và cách tinh chỉnh thành phần, cấu trúc và quy trình xử lý vật liệu để đạt được hiệu suất mong muốn. Làm như vậy có thể giúp các nhóm R&D chuyển từ cách tiếp cận “từ trên xuống” sang thiết kế vật liệu nhằm nhấn mạnh giao diện của một sản phẩm mới. Thay vào đó, mô phỏng sinh học có thể hoạt động như một cách tiếp cận “từ dưới lên” đối với thiết kế vật liệu, xem xét tính bền vững và độ bền bên cạnh tính thẩm mỹ của vật liệu thế hệ tiếp theo. Một lựa chọn là sử dụng phương pháp tổng hợp protein tái tổ hợp - sử dụng tế bào động vật được nuôi trong phòng thí nghiệm để phát triển “da” mà không cần chính động vật đó. Ví dụ: “da” được nuôi trong phòng thí nghiệm có thể được xử lý và thuộc da như da có nguồn gốc động vật.
7. Nó kêu gọi các nhà đổi mới mở rộng quy mô sử dụng công nghệ sinh học, đặc biệt là trong lĩnh vực kỹ thuật tế bào. Nhiều vật liệu thế hệ tiếp theo dựa vào các phương pháp công nghệ sinh học, chẳng hạn như da được nuôi cấy trong phòng thí nghiệm nói trên được làm từ tế bào nuôi cấy. Các tác giả nhấn mạnh rằng khi công nghệ sinh học tiến bộ trong việc tạo ra vật liệu thế hệ tiếp theo, các nhà đổi mới nên lưu ý đến năm cân nhắc trong quy trình: sinh vật sản xuất được chọn, cách cung cấp chất dinh dưỡng cho sinh vật, cách giữ cho tế bào “vui vẻ” để phát triển tối đa, cách để thu hoạch/chuyển đổi thành sản phẩm mong muốn và mở rộng quy mô. Mở rộng quy mô hoặc khả năng cung cấp số lượng lớn sản phẩm với chi phí hợp lý là chìa khóa để dự đoán thành công thương mại của vật liệu thế hệ tiếp theo. Làm như vậy có thể khó khăn và tốn kém trong không gian thế hệ tiếp theo. May mắn thay, có sẵn một số cơ chế tăng tốc và vườn ươm để hỗ trợ các nhà đổi mới.

Ngoài bảy khoảng trắng đã được thảo luận, các tác giả khuyến nghị ngành công nghiệp vật liệu thế hệ tiếp theo nên học những bài học từ ngành công nghiệp protein thay thế. Điều này là do sự tương đồng của hai ngành về mục đích và công nghệ. Ví dụ, các nhà đổi mới thế hệ tiếp theo có thể xem xét sự phát triển của sợi nấm (công nghệ dựa trên nấm). Ngành công nghiệp protein thay thế sử dụng sự phát triển của sợi nấm để làm thực phẩm và lên men chính xác. Tuy nhiên, do cấu trúc và đặc tính độc đáo của sợi nấm nên nó là một lựa chọn thay thế đầy hứa hẹn cho da. Ngành công nghiệp vật liệu thế hệ tiếp theo, giống như ngành công nghiệp protein thay thế, cũng phải tập trung vào việc tạo ra nhu cầu của người tiêu dùng. Một cách để làm như vậy là thông qua các thương hiệu thời trang nổi tiếng sử dụng chất liệu không chứa động vật.

Nhìn chung, ngành công nghiệp vật liệu thế hệ tiếp theo đầy hứa hẹn. Một cuộc khảo sát cho thấy 94% số người được hỏi sẵn sàng mua chúng. Các tác giả lạc quan rằng doanh số bán các vật liệu thay thế trực tiếp thế hệ tiếp theo cho vật liệu làm từ động vật sẽ tăng tới 80% hàng năm trong 5 năm tới. Khi vật liệu thế hệ tiếp theo phù hợp với khả năng chi trả và hiệu quả của vật liệu thế hệ hiện tại, ngành công nghiệp có thể dẫn đầu hướng tới một tương lai bền vững hơn.