Klimaneutrale Produkte durch Biotechnologie – CO2 und C1-Verbindungen als nachhaltige Rohstoffe für die industrielle Bioökonomie

Wer wird gefördert?

Antragsberechtigt sind Einrichtungen für Forschung und Wissensverbreitung, wie Hochschulen und außeruniversitäre Forschungs- und Wissenschaftsinstitute, Bundes- und Landeseinrichtungen mit Forschungsaufgaben und deutsche Körperschaften des öffentlichen Rechts sowie Unternehmender gewerblichen Wirtschaft, darunter insbesondere auch kleine und mittlere Unternehmen (KMU).

Kleine und mittlere Unternehmen oder „KMU“ im Sinne dieser Förderrichtlinie sind Unternehmen, die die Voraussetzungen der KMU-Definition der EU erfüllen. Der Antragsteller erklärt gegenüber der Bewilligungsbehörde seine Einstufung gemäß KMU-Empfehlung der Kommission im Rahmen des schriftlichen Antrags.

Forschungseinrichtungen, die von Bund und/oder Ländern grundfinanziert werden, kann neben ihrer institutionellen Förderung nur unter bestimmten Voraussetzungen eine Projektförderung für ihre zusätzlichen projektbedingten Ausgaben beziehungsweise Kosten bewilligt werden.

Gefördert werden sowohl Verbundvorhaben als auch Einzelvorhaben. Um von Beginn an den Transfer der Vorhabenergebnisse in die Anwendung ins Zentrum des Projektes zu stellen, ist die Einbindung von Industriepartnern, vorzugsweise als Projektpartner, notwendig.

Was wird gefördert?

Gefördert werden Vorhaben zur Entwicklung innovativer biotechnischer Verfahren zur Umsetzung von CO₂ oder daraus abgeleiteter C1-Körper (beispielsweise Kohlenmonoxid, Ameisensäure, Methanol, Methan) in hochwertige Kohlenstoffverbindungen (langkettig, funktionalisiert), die als Chemikalien oder Produkte industriell genutzt werden können.

Thematische Schwerpunkte der Förderung sind z. B.:

• Verfahren zur CO₂-Fixierung und -Umsetzung durch Enzyme, Stoffwechselwege und Mikroorganismen

• anaerobe und aerobe Gasfermentation
• Stammoptimierung und -design durch metabolic engineering und Ansätze der synthetischen Biologie
• Design nicht-natürlicher Stoffwechselwege in-vitro
• Bioprozessentwicklung und Bioverfahrenstechnik inkl. Ansätzen zur gekoppelten Fermentation, Co-Kultivierung von Mikroorganismen, upstream / downstream Prozessentwicklung, Scale-up

• Biohybride Verfahren und Elektrobiosynthese zur CO₂-Reduktion und –Umsetzung
  • Nutzung von Strom zur biokatalytischen CO₂-Reduktion und -Umsetzung
  • Biokatalyse mit (modifizierten) Mikroorganismen
  • Enzym-katalysierte Umsetzung in zellfreien Systemen
  • Biokatalysatorentwicklung
  • Bioreaktorentwicklung und Prozesssteuerung
  • Elektrodenentwicklung

• C1-Fermentationen
  • fermentative Umsetzung von aus CO₂ abgeleiteten C1-Körpern
  • Kombination von physikalisch-chemischen Verfahren zur CO₂-Konversion mit biotechnischen Verfahren zur Synthese längerkettiger funktionaler Kohlenstoffverbindungen
  • mikrobielle Stammentwicklung und -optimierung
  • Bioprozessentwicklung und Bioverfahrenstechnik inkl. Ansätzen zur gekoppelten Fermentation, Co-Kultivierung von Mikroorganismen, upstream / downstream Prozessentwicklung, Scale-up

Der Fokus des Projektes sollte im Bereich Biotechnologie oder der Prozessintegration eines biotechnologischen Verfahrensschrittes liegen. Ein Vorhaben kann sich auf einzelne Teilaspekte der Entwicklung eines biotechnologischen Verfahrens fokussieren, jedoch muss der vorgesehene Gesamtprozess von der CO₂-Quelle bis zum angestrebten finalen Produkt klar erkennbar sein.

Hierbei muss der Beitrag des Bioprozesses zur Verminderung von CO₂-Emissionen sowie der Mehrwert der angestrebten biotechnologischen Lösung gegenüber konventionellen Technologien und geeigneten Technologiealternativen, die ebenfalls auf Nachhaltigkeit und Klimaneutralität abzielen (beispielsweise im Vergleich zu chemisch katalysierten Prozessen) deutlich sein.

Hochinnovative Forschungsansätze zu biotechnologischen CO₂-Fixierungs- und Umwandlungsverfahren mit vergleichsweise geringerer Technologiereife sind möglich. Diese Ansätze müssen jedoch eine erkennbar realistische Perspektive auf die Anwendung im industriellen Maßstab besitzen. Für die zu entwickelnde Technologie muss ein Machbarkeitsnachweis im Labormaßstab bei Projektbeginn erbracht sein.

Nicht im Fokus der Förderung stehen Ansätze, die ausschließlich die Herstellung von Biomasse oder die biologische Photosynthese mit Pflanzen adressieren.

Die Beteiligung eines oder mehrerer umsetzungsstarker Industriepartner am Vorhaben wird erwartet. Vorhaben unter industrieller Federführung sollen bevorzugt gefördert werden. Die Projekte sollten nach Vorhabenende die Skalierung des entwickelten Bioprozesses in den industriellen Maßstab anstreben (beispielsweise in Form einer Demonstrationsanlage).

Hinweis: Projekte, die bei höheren Technologiereifegraden starten (insbesondere ab TRL 6), sollen prüfen, ob eine Förderung über das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) möglich ist. Das BMWK unterstützt mit seinem Förderprogramm Industrielle Bioökonomie die breite Umsetzung bioökonomischer Verfahren in die industrielle Praxis.

Wie wird gefördert?

Das Förderverfahren ist zweistufig angelegt. Für die Beantragung der Förderung ist zunächst eine Projektskizze vorzulegen, die über das elektronische Antragssystem easy-Online einzureichen ist (siehe auch „Weiterführende Links“). Einreichungsfrist zur Vorlage der Projektskizzen ist der 11. Januar 2023. Nähere Informationen zur Erstellung der Skizze (FAQs) und Layout-Vorlagen sind im Bereich „Downloads“ verfügbar.

Die eingereichten Projektskizzen werden unter Beteiligung externer Gutachterinnen/Gutachter bewertet. Auf der Grundlage der Bewertungen und der Empfehlungen der externen Gutachterinnen/Gutachter werden die für die Förderung geeigneten Projektvorschläge vom BMBF ausgewählt.

Interessentinnen und Interessenten, deren Projektskizzen die erforderlich hohe Priorität erhalten haben, werden in der zweiten Verfahrensstufe zur Einreichung eines förmlichen Förderantrags aufgefordert. Nach abschließender Prüfung der förmlichen Förderanträge erfolgt eine Förderentscheidung durch den Fördergeber.

Die Zuwendungen werden im Wege der Projektförderung als nicht rückzahlbare Zuschüsse gewährt. Die Höhe der Zuwendung richtet sich im Rahmen der verfügbaren Haushaltsmittel nach den Erfordernissen des beantragten Vorhabens.

Bemessungsgrundlage für Zuwendungen an Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft sind die zuwendungsfähigen projektbezogenen Kosten. In der Regel können diese – je nach Anwendungsnähe des Vorhabens – unter Berücksichtigung der beihilferechtlichen Vorgaben bis zu 50 Prozent anteilfinanziert werden. Nach BMBF-Grundsätzen wird eine angemessene Eigenbeteiligung an den entstehenden zuwendungsfähigen Kosten vorausgesetzt.

Bemessungsgrundlage für Hochschulen, Forschungs- und Wissenschaftseinrichtungen und vergleichbare Institutionen sind in der Regel die zuwendungsfähigen projektbezogenen Ausgaben (bei Helmholtz-Zentren und der Fraunhofer-Gesellschaft die zuwendungsfähigen projektbezogenen Kosten), die individuell bis zu 100 Prozent gefördert werden können. Bei Forschungsvorhaben an Hochschulen wird eine Projektpauschale in Höhe von 20 Prozent gewährt.

Die Vorhaben sollen eine Laufzeit von drei Jahren möglichst nicht überschreiten.

Weitere Informationen sind der Förderbekanntmachung zu entnehmen.

Maximierte Biopolymerproduktion aus gentechnisch veränderten Organismen unter Verwendung von CO₂ für Kunststofffolien und mehrschichtige Verbundsysteme

Das Projektziel ist die Entwicklung eines bioabbaubaren Polymers mithilfe von genmodifizierten Cyanobakterien, Co-Kultivierung mit anderen Polymer-herstellenden Bakterien und Nutzung von Abfall-CO₂. Das Projekt zielt darauf ab, die Co-Kultivierung zu demonstrieren, um die Ausbeute des Polymers Polyhydoxybutyrat (PHB) zu steigern und Kontamination zu minimieren. Mit dem Cyanobakterium Synechococcus soll eine stabile PHB-Produktion durch genetische Modifikation realisiert werden. Zusätzliche genetische Veränderungen sollen die PHB-Eigenschaften verbessern. Abfall-CO₂ soll als Nahrungsquelle genutzt werden, um die Umweltbelastung zu reduzieren. Das Ziel ist der Nachweis der industriellen Anwendbarkeit des gesamten Zellmaterials (PHB plus Zellmasse). Zudem soll das Konzept einer klimaneutralen, industriell machbaren und ressourceneffizienten Produktion von CO₂-abgeleiteten Polymeren durch prädiktive Ökobilanz und Entwicklung einer Demonstrationsanlage erprobt werden.

Verbundpartner:

Kalkstein - eine essenzielle Ressource für Zement treibt einen neuen Polyamid Zyklus an

Die Herstellung von Zement ist durch unvermeidbare chemische Prozesse für ca. 6,5 % des weltweiten CO₂-Ausstoßes in die Atmosphäre verantwortlich. Das Projekt Limerick geht genau dieses gewaltige Problem an, indem es die Herstellung von Polyamiden (PAs) aus H₂, CO₂ und N₂ vorschlägt. Der Ansatz löst nicht nur das Problem der CO₂-Freisetzung, sondern öffnet auch die Tür für die Wiederverwendung von PA-haltigen Produkten und integriert so einen neuartigen Recyclingkreislauf für die chemischen Elemente, der die weitere Nutzung fossiler Ressourcen verhindert. Das Projekt nutzt technisch entwickelte Mikroben, die entweder in Mono- oder in Co-Kultur eingesetzt werden und berücksichtigt alle Schritte entlang der Produktionskette wie Stammtechnik, Bioprozessentwicklung, Polykondensation, technoökonomische Bewertung (TEA) und Ökobilanzierung (LCA). Damit wird eine solide Grundlage geschaffen, um vom derzeitigen Stand des "bewährten Konzepts" zur Anwendung zu gelangen.

Verbundpartner:

Biotechnologische Fumarat-Wertschöpfungskette - Von CO₂ und Zucker bis hin zu biologisch abbaubaren Chemikalien

Das Projekt FUMBIO zielt darauf ab, den steigenden Bedarf an umweltfreundlichen chemischen Produkten zu decken, indem es eine nachhaltige Fumarat-Wertschöpfungskette entwickelt. Das Verfahren basiert auf Fermentation und ersetzt die chemische Synthese von Fumarat aus fossilen Rohstoffen. Dabei werden CO₂ aus chemischen Prozessen und Zucker (z. B. Glukose) als Hauptausgangsstoffe verwendet, wodurch der CO₂-Fußabdruck im Vergleich zu petrochemischen Verfahren erheblich reduziert wird. Das Projekt sieht auch die Entwicklung von Folgeschritten für die weitere Nutzung des Fumarats zur Herstellung biologisch abbaubarer Chemikalien vor. FUMBIO soll die gesamte Wertschöpfungskette von Rohstoffen bis zum Endprodukt zeigen und Umweltauswirkungen sowie den CO₂-Fußabdruck mittels Lebenszyklusanalyse bewerten. Durch die Zusammenarbeit und Expertise verschiedener Forschungseinrichtungen und der BASF wird eine schnelle Entwicklung, hohe technische Erfolgswahrscheinlichkeit und Wettbewerbsfähigkeit erwartet, um die nachhaltige Umsetzung der Innovationen zu fördern.

Verbundpartner:

Innovativer Ansatz zur Nutzung von CO₂ in einem neuartigen bio-elektrochemischen Fermentationsverfahren zur Herstellung von Bernsteinsäure

Ziel des Projekts ist die Umsetzung, Optimierung und das Scale-up eines neuartigen Verfahrens zur bio-elektrochemischen Herstellung von Bernsteinsäure aus biogenen Reststoffen unter Nutzung des Kohlendioxids aus der Gasaufbereitung einer Biogasanlage. Die Einbindung einer Pilotanlage in den Prozess einer Biogasanlage ermöglicht u. a. die Verwertung des anfallenden CO₂-Stroms sowie der Nebenprodukte des Fermentationsverfahrens. Darüber hinaus sollen Substrate aus biogenen Reststoffen als Alternative zur Glukose untersucht werden. Bernsteinsäure ist eine der zehn wichtigsten Plattformchemikalien. Die biotechnologische Synthese von Bernsteinsäure erfolgt aktuell aus organischen Substraten wie Glukose. Biolectid plant mithilfe einer elektrochemischen Zelle die Ausbeute der Bernsteinsäureproduktion wesentlich zu erhöhen. Sowohl die Verwertung des anfallenden Kohlendioxids als auch die sich aus der Bernsteinsäure ergebenden Produkte weisen ein sehr hohes Potenzial auf, fossile Ressourcen zu ersetzen und einen wesentlichen Beitrag zu einer klimaneutralen Industrie zu leisten.

Verbundpartner:

Entwicklung eines gekoppelten bioelektrochemischen Prozesses zur Produktion von E-Fuels und hochwertigen Chemikalien aus Abgasen und Abwässern

Die Speicherung von fluktuierenden erneuerbaren Energien in Form von chemischen Verbindungen, stellt eine nachhaltige und rentable Alternative zu konventionellen Batterien dar, die den Übergang zu einer defossilisierten Industrie beschleunigen kann. Das Ziel von BEFuel ist die Entwicklung eines kombinierten bioelektrochemischen Verfahrens zur stofflichen Nutzung von CO₂-haltigen Abgasen für die Produktion hochwertiger Säuren und Alkohole mit 6- bis 8 Kohlenstoffatomen (C6 bzw. C8). Durch eine direkte Entwicklung im Einsatzfeld senkt BEFuel effektiv die Entwicklungshürden zur industriellen Anwendung. Das Projekt kombiniert die wertschöpfende Aufarbeitung von zwei unabhängigen Abfallströmen zur nachhaltigen Produktion von Kraftstoffen und Tensiden auf Basis von erneuerbaren Energien und leistet einen entscheidenden Beitrag zur Stärkung Deutschlands als technologischer Vorreiter in der Kombination von nachhaltiger Elektrolyse und Biotechnologie.

Verbundpartner:

Produktion von Valencen in großem Maßstab durch photoautotrophe Mikroalgen

Das Projekt kombiniert die synthetische Biologie und das Metabolic Engineering von solargetriebenen, CO₂-fixierenden Mikroalgen mit der Entwicklung von Bioreaktoren. Durch das Upscaling des bereits veröffentlichten Photoproduktionsprozesses in Mikroalgen auf ein industriell relevantes Niveau möchte ValenCell eine kohlenstoffnegative Lösung für die Biosynthese des kommerziell attraktiven Sesquiterpenoids Valencen schaffen. Der Industriepartner CellDEG wird das Fachwissen zum Bau von Hochproduktionsreaktorsystemen einbringen. Diese Reaktorsysteme ermöglichen große Wachstumsraten unter hohen CO₂-Konzentrationen bei geringem Platz- und Volumenbedarf. ValenCell wird das erste Projekt sein, das diese Reaktoren testen und wertvolle Rückmeldungen zur Optimierung der Valencen-Produktion geben wird.

Verbundpartner:

• Heinrich-Heine Universität Düsseldorf

Simulationsgeleitete Entwicklung eines strom- oder H₂-getriebenen in vitro Acetyl-CoA-Produktionsmoduls als Plattformchemikalie aus CO₂ für eine diversitätsorientierte Synthese

Inspiriert von der Biosynthese vereint eCO₂DIS bekannte Technologien zu einer vielseitigen und neuartigen Syntheseplattform, die einen beispiellosen Zugang zu einer großen Vielfalt von Produktklassen einschließlich aliphatischer Alkohole, Aromaten und Terpene aus CO₂ über elektronengetriebene Enzymkatalyse ermöglicht. eCO₂DIS besteht aus zwei Modulen. Im ersten Modul wird die CO₂-Fixierung mit Hilfe von grünem Strom und/oder grünem H₂ über einen synthetischen Acetyl-CoA-Reaktionsweg durchgeführt. Im zweiten Diversifizierungsmodul werden aus dem so erhaltenen Acetyl-CoA über kurze Enzymkaskaden verschiedene industriell relevante Zielprodukte aus Acetyl-CoA synthetisiert. eCO₂DIS führt synthetische Biologie, Bioelektrokatalyse und Polymerchemie zu einer leistungsstarken Technologie für die diversitätsorientierte Synthese von wertvollen Zielverbindungen direkt aus CO₂ zusammen. Ein ausgewählter Reaktionsweg wird im Rahmen des Projekts im Labormaßstab skaliert.

Verbundpartner:

Biotechnologische Umwandlung von Methanol (C1) in Tocochromanole

Die Produktion von Methanol aus CO₂ ist Stand der Technik. Innerhalb von C1TOCO ist geplant, Methanol als Substrat für fermentative Prozesse mit der Bäckerhefe Saccharomyces cerevisiae zu verwenden. Alternativ sollen in-vitro Enzymkaskaden entwickelt werden, um aus Methanol organische Moleküle mit mehreren Kohlenstoffatomen zu generieren. Beide Prozesse zielen darauf ab, Verbindungen herzustellen, die antioxidative Eigenschaften aufweisen. Gerade für die Tierfuttermittelindustrie sind diese von größter Bedeutung. Antioxidantien sind besonders wichtig für die Stabilisierung von klassischen pflanzlichen und tierischen Fetten und Ölen, aber auch fermentativ-produzierten Pflanzenölalternativen oder neuartigen Produkten, wie Insektenöl. Im Rahmen von C1TOCO soll deshalb ein Methanol-basiertes Produktionsverfahren entwickelt und optimiert werden, welches aus Biotransformation und/oder Fermentation, sowie Aufarbeitung der Zielsubstanzen besteht. Von Beginn an beinhaltet das Projekt ökonomische Machbarkeitsstudien, um die Wirtschaftlichkeit sicherzustellen.

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Aminosäureproduktion durch biokatalytische C1-Umwandlung

Im Projekt PYTHAGORAS wird eine biokatalytische (enzymatische) Aminosäureproduktion aus durch Windenergie gewonnenem grünen Methanol entwickelt. Hierbei wird die herkömmliche Produktion aus z. B. fossilen Rohstoffen, durch eine Kohlenstoff-neutrale Produktion dieser wichtigen Plattformchemikalien und Futtermittelzusätze ersetzt. Um die Synthese von Aminosäuren von einem "Proof of Concept" Level in ein industriell relevantes Niveau zu heben, wird eine Optimierung der bereits publizierten L-Alanin Synthese vorgenommen. Hierfür werden die einzelnen Module dieser Reaktionskaskade optimiert. Bei dieser Optimierung sind zudem Erweiterungen der Module zur Erschließung von weiteren Aminosäuren geplant. Im Anschluss werden die optimierten Module zusammengeführt und mithilfe von maschinellem Lernen die Effizienz und Umsatzrate, sowie die Ausbeute der kompletten Kaskade verbessert und höher skaliert. Die Prozesse werden mithilfe einer Prozesssimulation auf wirtschaftliche Machbarkeit getestet und bewertet. Basierend auf einer positiven Bewertung wird anschließend eine industrielle Produktion angestrebt.

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CO₂-basierte Bioproduktionsplattform für Cystein, Aspartat und Glycolat via (elektro-) enzymatischem Methanol

Das Projekt zielt darauf ab, eine Produktionsplattform mithilfe von E. coli zu etablieren, die Cystein, Aspartat und Glycolat herstellt und dabei CO₂ indirekt als Kohlenstoffquelle verwendet. Zuerst wird CO₂ enzymatisch in Methanol umgewandelt. Der Schwerpunkt liegt auf der Optimierung der Formaldehyd-Dehydrogenase (F_aldDH), ihrer Implementierung in einer Reaktionskaskade und der Entwicklung eines Prozessdesigns. Gleichzeitig sollen E. coli Stämme entwickelt werden, die Methanol verarbeiten können. Die Methanol-Assimilierung basiert auf dem reduktiven Glycin-Pathway (rGlyP), der für optimales Wachstum weiter verbessert wird. Durch Pathway-Engineering wird die Produktion von Asparat, Glycolat und Serin angestrebt. Mittels adaptiver Laborevolution sollen industriell nutzbare Produktionsstämme entstehen. Diese werden genom- und proteomanalytisch charakterisiert, um Gene zu identifizieren, die das Wachstum und die Produktivität positiv beeinflussen. Diese Erkenntnisse werden zur Optimierung von Cystein-Produktionsstämmen genutzt, um eine effiziente und skalierbare Produktion auf Methanol-Basis zu ermöglichen. Unterschiedliche Chassis-Stämme werden vergleichend modifiziert, um die Auswirkungen verschiedener genetischer Hintergründe zu untersuchen. Bioinformatik-Daten und KI-Modelle unterstützen alle Arbeiten.

Verbundpartner: