CO₂-Biotechnologie als Baustein der Chemiewende

Die chemische Industrie steht vor einem grundlegenden Wandel: Noch immer basieren die meisten Produkte, von Kunststoffen bis zu Medikamenten, auf Kohlenstoff aus Erdöl und Erdgas. Gleichzeitig wächst der Druck, diese fossilen Grundlagen zu ersetzen, um die Erderwärmung und wirtschaftliche Abhängigkeiten zu verringern. Doch auch in einer klimaneutralen Zukunft wird Kohlenstoff weiterhin benötigt. Woher soll er dann kommen?

Eine mögliche Antwort ist die Nutzung des Treibhausgases Kohlenstoffdioxid (CO₂) als Rohstoff. Mithilfe von Biotechnologie und elektrochemischen Verfahren können Mikroorganismen und künstliche Systeme diese einfachen Moleküle in komplexe chemische Produkte umwandeln. Das eröffnet eine neue Perspektive für eine zirkuläre und potenziell klimaneutrale Chemieindustrie. Dieses Dossier beleuchtet Schlüsselwege und Herausforderungen zwischen Laborforschung und beginnender industrieller Anwendung. 

Von Kunststoffen über Waschmittel bis hin zu Arzneimitteln – viele Produkte des Alltags beruhen auf Kohlenstoff. Nach Angaben des Verbands der Chemischen Industrie kommen rund 85 % der Rohstoffe der organischen Chemie aus fossilen Quellen. Erdöl ist dabei nicht nur Energieträger, sondern vor allem die zentrale Kohlenstoffquelle der gesamten Industrie.

Doch dieses System steht unter Druck. Fossile Ressourcen sind endlich und ihre Nutzung verursacht erhebliche CO₂-Emissionen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Selbst bei steigender Energieeffizienz und grünem Strom bleibt ein grundlegendes Problem bestehen: Für unsere Alltags- und Spezialprodukte braucht die Chemieindustrie Kohlenstoff. Die entscheidende Frage lautet daher, woher der Kohlenstoff künftig kommt.

Recycling kann diese Lücke nur teilweise schließen. Selbst optimistische Szenarien sehen eine Deckung von nur etwa 10–15 % des Kohlenstoffbedarfs durch Recycling. Auch Biomasse ist begrenzt und steht in Konkurrenz zu Nahrung und anderen Nutzungen. Damit rückt Kohlenstoffdioxid selbst als neuer Rohstoff in den Fokus.

Die Grundidee der Bioökonomie ist, Kohlenstoff mit biobasierten Technologien im Kreislauf zu führen. Das Treibhausgas CO₂ wir damit zum Rohstoff, aus dem immer wieder neue Produkte entstehen. Die Natur macht dies seit Milliarden Jahren vor: Pflanzen und manche Mikroorganismen nutzen CO₂ zum Aufbau ihrer Biomasse. Für industrielle Anwendungen ist dieser natürliche Weg jedoch meist zu langsam und zu wenig effizient. Daher rückt die direkte industrielle Nutzung von CO₂ in den Fokus, etwa aus Abgasen der Stahl- und Zementindustrie, aus Müllverbrennungs- oder Biogasanlagen oder aus der Luft. Dadurch lassen sich Prozesse gezielt für industrielle Anwendungen optimieren. Klimabilanziell ist dieser Ansatz sinnvoll, wenn die nötige Energie aus erneuerbaren Quellen stammt. 

CO₂ kann dabei direkt genutzt oder zunächst in andere einfache Moleküle umgewandelt werden. Diese sogenannten C1-Verbindungen enthalten ebenfalls nur ein Kohlenstoffatom und umfassen neben CO₂ beispielsweise Methan (CH₄), Methanol (CH₃OH) oder Ameisensäure (HCOOH). Mithilfe biotechnologischer Verfahren lassen sich diese einfachen C1-Verbindungen zu höherwertigen Stoffen veredeln, etwa zu Alkoholen, organischen Säuren oder Vorstufen für Kunststoffe und andere chemische Materialien.

Weltweit wird mit Hochdruck an neuen biologischen, technischen und hybriden Lösungen geforscht, um CO₂ und andere einfache Kohlenstoffverbindungen als alternative Rohstoffquelle in die industrielle Anwendung zu bringen. Mikroorganismen werden dabei in der Industrie schon lange genutzt, um hochwertige Stoffe herzustellen. Ob Aminosäuren, Enzyme, Antibiotika oder Biokunststoffe: viele dieser Produkte entstehen in großen Bioreaktoren mithilfe von Bakterien oder Hefezellen. Bisher dienen meist Zucker oder andere pflanzliche Rohstoffe als Energie- und Kohlenstoffquelle. Um unabhängig von Biomasse zu werden, wird zunehmend daran gearbeitet, Mikroorganismen CO₂ oder andere C1-Verbindungen als Ausgangsstoff nutzen zu lassen.

Ein Ansatz besteht darin, natürliche CO₂-fixierende Mikroorganismen für industrielle Produktionen zu optimieren. Dazu gehören beispielsweise Cyanobakterien, Algen oder bestimmte „Knallgasbakterien“, die CO₂ natürlicherweise als Kohlenstoffquelle verwenden. Diese Organismen werden gezielt angepasst, um schneller zu wachsen, stabiler zu arbeiten oder höhere Produktausbeuten zu erreichen.

Ein zweiter Weg folgt einer anderen Logik und nutzt Mikroorganismen, die ursprünglich keinen C1-Stoffwechsel besitzen, aber für die industrielle Produktion interessant sind. Diese Mikroorganismen werden so verändert, dass sie C1-Verbindungen nutzen können. Beispiele hierfür sind modifizierte Stämme von Escherichia coli oder Hefen, die durch synthetische Stoffwechselwege die neuen Fähigkeiten erhalten. Dadurch entstehen flexible Produktionssysteme mit industriell etablierten Mikroorganismen, die sich gezielt auf bestimmte Chemikalien ausrichten lassen.

Neben Bakterien und Hefen gewinnen auch zellfreie Systeme an Bedeutung. Dabei werden Enzyme, also biologische Katalysatoren, in künstlichen Umgebungen eingesetzt, um bestimmte Reaktionen sehr gezielt ablaufen zu lassen. Diese Systeme kommen ohne lebende Zellen aus und können dadurch flexibler gesteuert werden, sind aber auch technisch anspruchsvoll und fragil. Die benötigte Energie wird oft durch Wasserstoff oder elektrischen Strom zugeführt. In solchen Systemen verschmelzen Elektrochemie und Biokatalyse zunehmend zu hybriden Produktionsplattformen, in denen CO₂ zunächst aktiviert und anschließend weiterverarbeitet wird.

Im Zentrum biotechnologischer Prozesse stehen Enzyme, unabhängig davon, ob lebende Mikroorganismen oder zellfreie Systeme eingesetzt werden. Sie sind die eigentlichen Arbeitseinheiten biologischer Umwandlung: oft hochspezifisch und in der Lage, chemische Reaktionen unter milden Bedingungen zu katalysieren. Gerade bei der Nutzung von CO₂ oder anderen C1-Verbindungen stoßen natürliche Enzyme jedoch häufig an ihre Grenzen. Deshalb werden sie zunehmend neu entwickelt und gezielt verändert, um ganz neue Reaktionen zu ermöglichen oder bessere Eigenschaften zu erreichen, etwa höhere Aktivität, neue Substratspezifität oder höhere Stabilität unter industriellen Bedingungen.

Dieser Entwicklungsprozess ist komplex und zeitaufwendig, wird aber durch neue Technologien deutlich beschleunigt. Künstliche Intelligenz und Vorhersagemodelle helfen dabei, vielversprechende Enzymstrukturen zu identifizieren und zu optimieren. Gleichzeitig ermöglichen sogenannte Hochdurchsatz-Methoden und evolutionsbasierte Selektionsverfahren, Milliarden Varianten parallel zu testen und die besten Kandidaten herauszufiltern. So werden im Zusammenspiel aus Biologie, Technik und Datenwissenschaft Enzyme gezielt entworfen als zentrale Bausteine einer industriellen Nutzung von CO₂ und C1-Verbindungen.

Ein anschauliches Beispiel für die wachsende Bedeutung einzelner Schlüsselenzyme ist die Formiat-Dehydrogenase (FDH). Sie katalysiert die Umwandlung zwischen Kohlenstoffdioxid und Ameisensäure und gilt damit als eine Art biochemischer „Einstiegspunkt“ in die C1-Verwertung. In vielen Prozessketten übernimmt sie einen ersten Schritt der CO₂-Aktivierung, bevor weitere biotechnologische Systeme den Kohlenstoff in komplexere und höherwertige Produkte überführen. Wie stark solche Enzyme in den Fokus rücken, zeigt sich auch bei den Patentaktivitäten, einem wichtigen Indikator für wirtschaftliches Interesse. In einem Übersichtsartikel von 2025 beschreiben Forschende ein deutlicher Anstieg von Patentanmeldungen im Bereich der C1-Biotechnologie, einschließlich FDH-naher Enzymsysteme. Diese Entwicklung unterstreicht, dass sich die Forschung zunehmend aus dem akademischen Raum heraus in Richtung wirtschaftliches Interesse bewegt.

Ein zentrales Innovationsfeld der letzten Jahre ist die Entwicklung neuer enzymatischer Reaktionswege zur Nutzung von CO₂ und anderen C1-Verbindungen. Ziel dieser Ansätze ist es, Kohlenstoff effizienter in Produkte einzubinden, als dies mit natürlichen Prozessen wie der Photosynthese möglich ist. Dazu werden künstliche Stoffwechselwege entwickelt, die in der Natur nicht vorkommen und sowohl in lebenden Mikroorganismen als auch in zellfreien Systemen eingesetzt werden können. Einer der Pioniere auf dem Feld ist Prof. Tobias Erb vom Max-Planck-Institut für terrestrische Mikrobiologie. „Mit synthetischer Biologie können wir Organismen so programmieren, dass CO₂ direkt in Chemikalien, Kraftstoffe oder Materialbausteine fließt, die unsere Industrie wirklich braucht, ohne den Umweg über ganze Pflanzen und komplexe Aufarbeitungsprozesse“,  beschreibt Erb die Vision hinter seiner Forschung.

Mithilfe der synthetischen Biologie und „Design-Enzymen“ wurden bereits verschiedene Kohlenstoff-Fixierungswege optimiert und neu entwickelt. Der sogenannte reduktive Glycin-Weg (rGlyP) gilt dabei als einer der aussichtsreichsten C1-Stoffwechselwege. Es ist ein natürlich vorkommender Weg, der in der modernen Biotechnologie als synthetisches Modul angepasst und in neue, für die Forschung oder Industrie relevante Bakterien eingebracht wurde. Zu den künstlichen Wegen gehören der THETA-Zyklus, der erfolgreich in lebende Zellen eingebracht wurde, sowie der CETCH- und der daraus weiterentwickelte HOPAC-Zyklus, die in zellfreien Systemen demonstriert wurden. Große Aufmerksamkeit erhielt zudem der „Artificial Starch Anabolic Pathway“ als es Forschenden gelang, in einem zellfreien System Stärke aus CO₂ mit einer rechnerisch höheren Kohlenstoffeffizienz als die natürliche Photosynthese herzustellen.

Diese synthetischen Systeme konnten bereits zeigen, dass sich Kohlenstoffdioxid, Methanol oder Ameisensäure gezielt in Biomasse oder chemische Zwischenprodukte überführen lassen. Trotz dieser Erfolge bewegen sich die meisten künstlichen Stoffwechselwege derzeit noch auf niedrigen Technologiereifegraden. Die technische Machbarkeit wurde vielfach gezeigt, industrielle Anwendungen stehen jedoch meist noch aus.

Die Idee, CO₂ oder andere einfache Kohlenstoffverbindungen als Rohstoff zu nutzen, ist nicht neu. Neu ist jedoch die Geschwindigkeit, mit der sich das Feld in den vergangenen Jahren entwickelt hat. Lange dominierten Grundlagenforschung und Laborexperimente. Heute existieren erste industrielle Anlagen, neue Produktionsplattformen und eine wachsende Zahl von Unternehmen setzt auf C1-Technologien. Viele Ansätze haben die wissenschaftliche Machbarkeit bereits bewiesen, der Weg zur breiten industriellen Anwendung ist jedoch noch nicht abgeschlossen.

Den höchsten Technologiereifegrad innerhalb der C1-Biotechnologie besitzt derzeit die Gasfermentation. Hier werden Kohlenmonoxid, CO₂ oder Synthesegase direkt als Rohstoff genutzt. Eines der bekanntesten Beispiele ist das Unternehmen LanzaTech, das spezielle Mikroorganismen einsetzt, um kohlenstoffhaltige Industrieabgase in Ethanol umzuwandeln. Weltweit verfügen sechs kommerziellen Anlagen zusammen über eine Kapazität von rund 300.000 Tonnen Ethanol pro Jahr aus Industrieabgasen. Die Technologie erreicht heute Reifegrade von TRL 8 bis 9 und zählt damit zu den wenigen vollständig kommerzialisierten C1-Verfahren. Parallel werden die Produktportfolios erweitert. Neben Ethanol wurden inzwischen auch Verfahren für Aceton, Isopropanol und weitere Plattformchemikalien demonstriert. 

Auch bei den sogenannten Knallgasbakterien wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Diese Mikroorganismen beziehen ihre Energie aus Wasserstoff und können teilweise auch CO₂ für den Aufbau von Zellmasse oder Produkten nutzen. Durch gezielte Optimierung lassen sie sich für die Herstellung unterschiedlicher Produkte einsetzen. Das finnische Unternehmen Solar Foods setzt solche Systeme bereits industriell ein und produziert mit Solein® ein Proteinpulver, das durch Mikroorganismen aus CO₂, Wasserstoff und weiteren Nährstoffen hergestellt wird.

Interessant ist zudem das Bakterium Basfia succiniciproducens, das ursprünglich aus dem Pansen eines Rinds isoliert wurde und CO₂ in seinen Stoffwechsel einbindet.  Natürlicherweise produziert es Bernsteinsäure (Succinat), eine wichtige Plattformchemikalie für Kunststoffe und industrielle Anwendungen. Aktuelle Forschungsarbeiten zielen darauf ab, Ausbeute, Prozessstabilität und das Produktspektrum des Organismus weiter zu verbessern.

Eine besondere Rolle spielen fotosynthetisch aktive Mikroorganismen. Sie nutzen Lichtenergie, um CO₂ direkt aus ihrer Umgebung zu fixieren. Die auch als Blaualgen bekannten Cyanobakterien sind wegen ihrer hohen Wachstumsraten für die Industrie interessant. Bereits heute werden sie kommerziell genutzt, etwa für Nahrungsergänzungsmittel auf Basis von Spirulina oder für die Herstellung von L-Milchsäure. Auch verschiedene komplexere Mikroalgen werden seit Jahren industriell kultiviert, beispielsweise zur Produktion des Naturfarbstoffs Astaxanthin. Für günstig und in großen Mengen herzustellende Basischemikalien sind solche Systeme bislang jedoch meist nicht wirtschaftlich genug. 

Gerade bei der direkten Nutzung von CO₂ aus der Atmosphäre sehen Forschende dennoch Vorteile natürlicher photosynthetischer Organismen. Prof. Dirk Tischler von der Ruhr-Universität Bochum, Mitautor eines Übersichtsartikels zur C1-Biotechnologie, erläutert: „Wenn ich CO₂ direkt aus der Luft nehmen möchte, würde ich auf Algen setzen. Für die Herstellung von Massenchemikalien aus CO₂-reichen Abgasen eher auf synthetische Organismen mit künstlichen Stoffwechselwegen.“ Damit deutet sich eine mögliche Arbeitsteilung an: Algen und Cyanobakterien für die Nutzung stark verdünnter CO₂-Quellen, synthetische Produktionsorganismen für industrielle Abgasströme.

Klassische Industrieorganismen wie Colibakterien (E. coli) oder Hefen sind fest in industriellen Produktionsprozessen etabliert. Sie werden zur Herstellung von Arzneimitteln, Enzymen, Biopolymeren sowie Fein- und Spezialchemikalien eingesetzt. In den vergangenen Jahren wurden diese bewährten Produktionsplattformen zunehmend so verändert, dass sie neben Zucker auch C1-Verbindungen wie Methanol, Formiat oder sogar CO₂ als Kohlenstoffquelle nutzen können.

Besonders dynamisch entwickelt sich das Feld bei E. coli. Optimierte Stämme können inzwischen unter anderem Methanol effizient in Biomasse und Zielprodukte umwandeln und erreichen dabei Verdopplungszeiten von wenigen Stunden. Das deutsche Start-up b.fab beispielsweise nutzt umprogrammierte Bakterien, die mithilfe eines künstlich eingefügten rGlyP-Stoffwechselwegs Proteine, Aminosäuren und Biokunststoffe aus CO₂ oder Ameisensäure herstellen. Die Wacker Chemie GmbH untersucht derzeit, wie sich dieser Ansatz mit etablierten Verfahren der Aminosäureproduktion kombinieren lässt. Projektkoordinator Dr. Carsten Bornhövd beschreibt die Motivation so: „Wir haben hier ein funktionierendes industrielles System und versuchen nun, es auf eine völlig neue Kohlenstoffquelle zu übertragen und so den CO₂-Fußabdruck zu verringern.“

Auch bei der Industriehefe Saccharomyces cerevisiae wurden in den vergangenen Jahren erstmals funktionierende synthetische C1-Stoffwechselwege etabliert. Parallel zeigt die Umprogrammierung von Komagataella phaffii, dass direkte CO₂-Fixierung in industriell etablierten Produktionsstämmen grundsätzlich möglich wird.

Gerade diese Strategie gilt als besonders aussichtsreich. Statt völlig neue Produktionsorganismen etablieren zu müssen, werden bewährte industrielle Plattformen schrittweise um neue Stoffwechselfunktionen erweitert. Dadurch können bestehende Produktionsanlagen und Prozessketten weiterhin genutzt werden.

Mit der biologischen Machbarkeit allein ist es jedoch nicht getan. Viele C1-Prozesse stellen hohe Anforderungen an die Verfahrenstechnik. Gase wie CO₂, Wasserstoff oder Kohlenmonoxid lösen sich nur begrenzt in Flüssigkeiten und müssen effizient in Bioreaktoren eingetragen werden. Gleichzeitig müssen die Prozessbedingungen so eingestellt werden, dass sowohl die Aufnahme der C1-Verbindungen als auch die Bildung der gewünschten Produkte optimal ablaufen.

In den vergangenen Jahren wurden erhebliche Fortschritte bei Gasfermentern, Membranreaktoren und elektrobiotechnologischen Reaktorsystemen erzielt. Moderne Anlagen ermöglichen eine deutlich bessere Stoffübertragung und Prozesskontrolle als noch vor wenigen Jahren. Auch die Produktabtrennung wird kontinuierlich verbessert. Die Verfahrenstechnik wird damit zunehmend zum Schlüssel für den Übergang vom Labor in die industrielle Produktion.

Neben lebenden Mikroorganismen gewinnen zellfreie Systeme an Bedeutung. Hier übernehmen isolierte Enzyme die Produktionsarbeit, ohne dass eine gesamte Zelle wachsen und versorgt werden muss. Dadurch lassen sich Stoffwechselwege gezielter steuern und unerwünschte Nebenreaktionen reduzieren.

Besonders dynamisch entwickelt sich die Verbindung von Elektrochemie und Biokatalyse. CO₂ wird zunächst mithilfe von erneuerbarem Strom durch chemische Katalysatoren oder Enzyme zu energiereicheren Zwischenprodukten wie Ameisensäure oder Methanol reduziert. Diese dienen anschließend als Ausgangsstoff für weitere enzymatische oder mikrobielle Prozesse. Der Vorteil liegt darin, dass erneuerbarer Strom direkt für die Produktion genutzt werden kann. Solche Hybridverfahren gelten als vielversprechender Ansatz, um erneuerbare Energie mit der Herstellung von Chemikalien zu verbinden. Gleichzeitig zählen sie zu den technologisch anspruchsvollsten Bereichen der Biotechnologie und bewegen sich meist noch im Labor- oder frühen Pilotmaßstab, also einem Technologiereifegrad zwischen 2 und 5. 

André Pick von der CASCAT GmbH forscht selbst an Biokatalysatoren und kennt die Herausforderungen: Enzyme müssen über lange Zeiträume stabil bleiben, Cofaktoren effizient regeneriert werden und die Energiebilanz des Gesamtsystems muss stimmen. In seinen Projekten richtet das Unternehmen den Blick daher auf das Zusammenwirken der Bindeglieder. „Die Identifizierung passender Enzyme gestaltet sich häufig anspruchsvoll, da die jeweiligen Anforderungen einander widersprechen können: Hohe Stabilität und hohe Aktivität über ein breites Spektrum physikalischer Parameter lassen sich selten ohne Weiteres vereinen und erfordern daher eine breite Kandidatenbasis bei der Auswahl“, erläutert Pick. „Hybride Systeme aus Elektroden und biologischen Systemen sind super spannend“, findet auch RUB-Biotechnologe Dirk Tischler und fügt optimistisch hinzu: „Dank KI-gestützter Designer-Proteine können die Verfahren nun stabil und effizient genug werden, um die Lücke zwischen Forschung und wirtschaftlicher Konkurrenzfähigkeit endlich zu schließen.“

Die CO₂-basierte Bioproduktion hat in den letzten Jahren einen deutlichen Entwicklungsschub erlebt. Ob sich daraus ein neuer Markt entwickelt, hängt jedoch nicht nur von der technischen Reife, sondern auch von wirtschaftlichen Rahmenbedingungen und gezielter Förderung ab. 

Die Biotechnologie wird oft als Schlüsselbaustein einer klimaneutralen Industrie beschrieben, weil sie CO₂ und abgeleitete einfache Kohlenstoffverbindungen in wertvolle Produkte überführen kann. Diese Perspektive ist berechtigt, braucht aber eine wichtige Einordnung. Biologische Verfahren sind kein genereller Ersatz für bestehende chemische oder technische Prozesse. Sie sind eine zusätzliche Option im industriellen Werkzeugkasten, deren Vorteil vom jeweiligen Anwendungsfall abhängt und sich etwa aus hoher Selektivität, milden Reaktionsbedingungen, der Möglichkeit komplexe Moleküle gezielt aufzubauen oder der Nutzung bislang ungenutzter Kohlenstoffquellen ergeben kann. 

Auch der Bochumer Biotechnologe Dirk Tischler zeigt sich bei aller Begeisterung nachdenklich: „Biotechnologie ist nicht per se die umweltfreundliche Alternative.“ Zwar könne sie ein wichtiger Lösungsbaustein sein, doch sei sie nicht automatisch die ressourcenschonendste Option. Auch biologische Prozesse und begleitende Schritte wie Kühlung, Aufreinigung oder Prozessführung benötigen erhebliche Energiemengen. Biobasierte Herstellung ist daher nicht automatisch nachhaltiger, sondern verlagert den Energieeinsatz von fossilen Rohstoffen hin zu Strom und Wasserstoff. Die Prozesse sind zudem eng an eine zuverlässige und günstige Versorgung mit erneuerbarem Strom oder Wasserstoff gebunden. Ebenso spielt die Herkunft des eingesetzten Kohlenstoffs eine zentrale Rolle. Besonders gut geeignet für die Herstellung von Massenchemikalien sind konzentrierte CO₂-Quellen, etwa aus Industrieabgasen oder biogenen Prozessen. Die Nutzung von CO₂ aus der Atmosphäre ist deutlich aufwendiger und eignet sich daher eher für höherwertige Produkte.

Mehrere Wirtschaftsanalysen zur klimaneutralen Chemie, darunter das vom Bundeswirtschaftsministerium geförderte Chemistry4Climate-Szenario sowie eine Roadmap Chemie 2050 von DECHEMA und FutureCamp für den Verband der Chemischen Industrie zeigen klar auf, dass Energiepreise, die Verfügbarkeit von Wasserstoff und CO₂, Investitionssicherheit und regulatorische Rahmenbedingungen entscheidend für den Markthochlauf sind. Wichtige Beschleuniger seien CO₂-Bepreisung, Klimaschutzverträge, der rasche Ausbau von Strom- und Wasserstoffinfrastruktur sowie die stärkere Berücksichtigung von CO₂-Nutzung im Emissionshandel. Große Chemieunternehmen setzen in der Umsetzung meist auf eine schrittweise Integration neuer C1-Verfahren in bestehende Produktionsketten, oft an Standorten mit konzentrierten CO₂-Strömen aus Industrieprozessen. Kleine und mittlere Unternehmen verfolgen eher modulare, dezentrale Ansätze, während Start-ups und Forschungseinrichtungen neue Technologien vorantreiben.

Eine wichtige Rolle für die Etablierung der neuen Technologien spielen regionale Innovationsnetzwerke. In Reallaboren und Bioökonomie-Clustern arbeiten Unternehmen, Forschungseinrichtungen und Technologieanbieter gemeinsam daran, neue Verfahren unter realen Bedingungen zu testen und industrielle Stoffströme intelligent miteinander zu verknüpfen. Solche Kooperationen helfen, Entwicklungsrisiken zu senken und den Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis zu beschleunigen.

Damit aus vielversprechenden Konzepten industrielle Produktionssysteme werden, unterstützen zahlreiche Förderprogramme die Entwicklung der C1-Biotechnologie. Auf europäischer Ebene finanzieren Programme wie Horizon Europe und der Innovation Fund der EU Demonstrationsanlagen für CO₂-Nutzung, Wasserstofftechnologien und biobasierte Produktionsverfahren. In Deutschland bilden die Hightech Agenda und die Nationale Bioökonomiestrategie den übergeordneten Rahmen. Besonders gezielt wirkt die Fördermaßnahme CO₂BioTech des Bundesministeriums für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), die von Enzymentwicklung bis zu Produktionssystemen reicht.

Programme des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWE) fördern anwendungsbezogene Bioökonomie-, CCU- und Biotechnologieprojekte. Dazu gehören unter anderem die Förderlinien für industrielle Biotechnologie sowie Klimaschutzverträge, die die Wirtschaftlichkeit neuer Verfahren in der Hochlaufphase absichern sollen. Da viele C1-Prozesse auf grünen Wasserstoff angewiesen sind, ergänzt die Nationale Wasserstoffstrategie diesen Rahmen.

Auf regionaler Ebene entstehen und wachsen Bioökonomie- und Innovationscluster, etwa in Baden-Württemberg, Nordrhein-Westfalen oder Sachsen-Anhalt. Diese bündeln Industrie, Start-ups und Forschungseinrichtungen und ermöglichen Reallabore, in denen CO₂ aus Industriequellen direkt in neue Produkte überführt wird. Ein Beispiel ist das regionale Großprojekt RECO2NWert, das neue Wertschöpfungsketten für industrielles Kohlenstoffdioxid entwickelt und Unternehmen entlang der gesamten Prozesskette vernetzt.

CO₂ galt lange ausschließlich als Abfallprodukt und Klimaproblem. Die C1-Biotechnologie eröffnet nun einen neuen Ansatz, in dem Kohlenstoff im Kreislauf geführt und als Rohstoff für Chemikalien und Materialien genutzt wird. Viele technologische Bausteine sind bereits vorhanden, erste Anwendungen zeigen ihre Praxistauglichkeit.

Ob daraus ein neuer Industriezweig entsteht, hängt davon ab, ob erneuerbare Energie ausreichend verfügbar wird und ob es gelingt, vielversprechende Verfahren in den industriellen Maßstab zu überführen. Unter diesen Bedingungen könnte das unerwünschte Treibhausgas künftig zu einer wichtigen Kohlenstoffquelle einer klimaneutralen chemischen Industrie werden. Dirk Tischler blickt optimistisch auf die Entwicklung: „Ich bin überzeugt, dass CO₂ in der Industrie der Zukunft als Rohstoff selbstverständlich sein wird. Die Bioökonomie wird dabei zu einem festen Standbein einer klimaneutralen Produktion.“

• Barone et al. (2025) "Industrial applicability of enzymatic and whole-cell processes for the utilization of C1 building blocks." Nature Communications 16.1, 7066. https://doi.org/10.1038/s41467-025-60777-3
• Rothermel, J. (2026) "Kohlenstoffkreisläufe für eine nachhaltige und zirkuläre Chemieindustrie". In: Suntrop und Wagner, Hg. "Nachhaltige und zirkuläre Chemiewirtschaft: Herausforderungen, Praxisbeispiele und Lösungsansätze". Wiley-VCH, Weinheim. ISBN: 978-3-527-35363-7
• DECHEMA & FutureCamp (2019) Roadmap Chemie 2050. https://dechema.de/chemie2050.html
• Chemistry4Climate (2023) Wie die Transformation der Chemie gelingen kann. https://www.vci.de/services/publikationen/chemistry4climate-abschlussbericht-2023.jsp