High production of butyric acid by Clostridium tyrobutyricum mutantŽ 

Abstract

The objective of this study was to improve the production of butyric acid by process optimization using the metabolically engineered mutant of Clostridium tyrobutyricum (PAK-Em). First, the free-cell fermentation at pH 6.0 produced butyric acid with concentration of 38.44 g/L and yield of 0.42 g/g. Second, the immobilized-cell fermentations using fibrous-bed bioreactor (FBB) were run at pHs of 5.0, 5.5, 6.0, 6.5 and 7.0 to optimize fermentation process and improve the butyric acid production. It was found that the highest titer of butyric acid, 63.02 g/L, was achieved at pH 6.5. Finally, the metabolic flux balance analysis was performed to investigate the carbon rebalance in C. tyrobutyricum. The results show both gene manipulation and fermentation pH change redistribute carbon between biomass, acetic acid and butyric acid. This study demonstrated that high butyric acid production could be obtained by integrating metabolic engineering and fermentation process optimization.

Key words： Clostridium tyrobutyricum; butyric acid production; fermentation; mutant; pH; flux balance analysis

Acknowledgements

This work was supported by research grants from the National Science Foundation (Nos. 1342390 and IIP-1026648) in United States.

References

1 Wei D, Liu X, Yang S T. Butyric acid production from sugarcane bagasse hydrolysate by Clostridium tyrobutyricum immobilized in a fibrous-bed bioreactor. Bioresource Technology, 2013, 129: 553–560

2 Dwidar M, Park J Y, Mitchell R J, Sang B I. The future of butyric acid in industry. The Scientific World Journal, 2012, 471417

3 Atweh  G  F,  DeSimone  J,  Saunthararajah  Y,  Fathallah  H, Weinberg R S, Nagel R L, Fabry M E, Adams R J. Hemoglobinopathies. American Society of Hematology Education Program, 2003: 14–39

4 Canani R B, Costanzo M D, Leone L, Pedata M, Meli R, Calignano A. Potential beneficial effects of butyrate in intestinal and extraintestinal diseases. World Journal of Gastroenterology, 2011, 17(12): 1519–1528

5 Lazarova D L, Chiaro C, Bordonaro M. Butyrate induced changes in Wnt-signaling specific gene expression in colorectal cancer cells. BMC Research Notes, 2014, 7(1): 226

6 Huang J, Cai J, Wang J, Zhu X, Huang L, Yang S T, Xua Z. Efficient production of butyric acid from Jerusalem artichoke by immobilized Clostridium tyrobutyricum in a fibrous-bed bioreactor. Bioresource Technology, 2011, 102(4): 3923–3926

7 Kong Q, He G Q, Chen F, Ruan H. Studies on a kinetic model for butyric acid bioproduction by Clostridium butyricum. Letters in Applied Microbiology, 2006, 43(1): 71–77

8 Zhang C, Yang H, Yang F, Ma Y. Current progress on butyric acid production by fermentation. Current Microbiology, 2009, 59(6): 656–663

9 Canganella F, Wiegel J. Continuous cultivation of Clostridium thermobutyricum in a rotary fermentor system. Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology, 2000, 24(1): 7–13

10 Ma C, Kojima K, Xu N, Mobley J, Zhou L, Yang S T, Liu X M. Comparative proteomics analysis of high n-butanol producing metabolically engineered Clostridium tyrobutyricum. Journal of Biotechnology, 2015, 193: 108–119

11 Patel G B, Agnew B J. Growth and butyric acid production by Clostridium populeti. Archives of Microbiology, 1988, 150(3): 267–271

12 He G Q, Kong Q, Chen Q H, Ruan H. Batch and fed-batch production of butyric acid by Clostridium butyricum ZJUCB. Journal of Zhejiang University, 2005, 6(11): 1076–1080

13 Cascone R. Biobutanol—A replacement for bioethanol. Chemical Engineering Progress, 2008, 104(8): 4–9

14 Alam S, Stevens D, Bajpai R. Production of butyric acid by batch fermentation of cheese whey with Clostridium beijerinckii. Journal of Industrial Microbiology, 1988, 2(6): 359–364

15 Canganella F, Kuk S U, Morgan H, Wiegel J. Clostridium thermobutyricum: Growth studies and stimulation of butyrate formation by acetate supplementation. Microbiological Research, 2002, 157(2): 149–156

16 Jo J H, Lee D S, Park J M. The effects of pH on carbon material and energy balances in hydrogen-producing Clostridium tyrobutyricum JM1. Bioresource Technology, 2008, 99(17): 8485–8491

17 Huang Y L, Wu Z, Zhang L, Cheung C M, Yang S T. Production of carboxylic acids from hydrolyzed corn meal by immobilized cell fermentation in a fibrous-bed bioreactor. Bioresource Technology, 2002, 82(1): 51–59

18 Michel-Savin D, Marchal R, Vandecasteele J P. Butyric fermentation: Metabolic behavior and production performance of Clostridium tyrobutyricum in a continuous culture with cell recycle. Applied Microbiology and Biotechnology, 1990, 34(2): 172–177

19 Liu X, Yang S T. Kinetics of butyric acid fermentation of glucose and xylose by Clostridium tyrobutyricum wild type and mutant. Process Biochemistry, 2006, 41(4): 801–808

20 Jiang L, Wang J, Liang S, Cai J, Xu Z, Cen P, Yang S T, Li S. Enhanced butyric acid tolerance and bioproduction by Clostridium tyrobutyricum immobilized in a fibrous bed bioreactor. Biotechnology and Bioengineering, 2009, 108(1): 31–40

21 Saini M, Wang Z W, Chiang C J, Chao Y P. Metabolic engineering of Escherichia coli for production of butyric acid. Journal of Agricultural and Food Chemistry, 2014, 62(19): 4342–4348

22 Liu X, Zhu Y, Yang S. Butyric acid and hydrogen production by Clostridium tyrobutyricum ATCC 25755 and mutants. Enzyme and Microbial Technology, 2006, 38(3–4): 521–528

23 Lewis V P, Yang S T. Continuous propionic acid fermentation by immobilized Propionibacterium acidipropionici in a novel packed-bed bioreactor. Biotechnology and Bioengineering, 1992, 40(4): 465–474

24 Huang Y, Yang S T. Acetate production from whey lactose using co-immobilized cells of homolactic and homoacetic bacteria in a fibrous-bed bioreactor. Biotechnology and Bioengineering, 1998, 60(4): 499–507

25 Silva E M, Yang S T. Kinetics and stability of a fibrous bed bioreactor for continuous production of lactic from unsupplemented acid whey. Journal of Biotechnology, 1995, 41(1): 59–70

26 Liu X, Yang S T. Kinetics of butyric acid fermentation of glucose and xylose by Clostridium tyrobutyricum wild type and mutant. Process Biochemistry, 2006, 41(4): 801–808

27 Yang S T. Extractive fermentation using convoluted fibrous bed bioreactor. US Patent, 5563069, 1996-<month>10</month>-<day>08</day>

28 Zhu Y. Enhanced butyric acid fermentation by Clostridium tyrobutyricum immobilized in a fibrous-bed bioreactor. Dissertation for the Doctoral Degree. Columbus: The Ohio State University, USA, 2003, 99–100

29 Zhu Y, Yang S T. Effect of pH on metabolic pathway shift in fermentation of xylose by Clostridium tyrobutyricum. Journal of Biotechnology, 2004, 110(2): 143–157

30 Zhu Y, Liu X, Yang S T. Construction and characterization of pta gene deleted mutant of Clostridium tyrobutyricm for enhanced butyric acid fermentation. Biotechnology and Bioengineering, 2005, 90(2): 154–166

31 Du Y, Jiang W, Yu M, Tang I, Yang S T. Metabolic process engineering of Clostridium tyrobutyricum ∆ack-adhE2 for enhanced n-butanol production from glucose: Effects of methyl viologen on NADH availability, flux distribution, and fermentation kinetics. Biotechnology and Bioengineering, 2014, 112(4): 705–715