固定床生物反应器是基于固态发酵原理,对自然底物进行发酵加工的装置。中国自古以来就有民间自制酱料的记录,使用的瓦罐就是现代固定床生物反应器的雏形。但随着科学技术的发展,用于酿造行业的固定床生物反应器在应用成果上有较大的突破,但理论研究则较少,国内的固定床生物反应器一直沿用经验进行设计,不利于产品质量的提高和达到节能降耗的目的。为此,本论文就此问题开展研究。 本文就目前国内外固定床生物反应器及其设计方法进行了研究与实验,旨在通过研究,寻找酿造固定床生物反应器的设计参数,籍此提高固定床生物反应器的设计水平,减少反应器风道内的死水区面积,并使其压力均衡和拥有优良的传热性能；通过优化酿造固定床生物反应器的空气动力学性能,以使该设备能高效运作。 在研究过程中,本文首先通过探讨反应器风道风压检测系统的硬件平台和软件平台的搭建,并运用该系统在整个发酵过程对发酵底物的上下表面风压进行了测量,求出发酵底物所产生的阻力,运用最小二乘法对数据进行拟合,求出对应的数学描述。并根据实际情况与公式运算之间的差异,修正了其阻力系数。 其次,本文运用计算流体力学仿真软件--Gambit和Fluent,对酿造固定床生物反应器进行了建模与仿真,并对结果进行分析。针对反应器的风道入口与出风口之间的涡流问题,提出了风道入口与出风口的设计方案的改进。风道入口与反应器之间需要增加缓冲通道。而风道出口则通过三种不同方案的比较,得出梯形式出口为最佳出口设计。对于反应器的整体设计,本文运用多元线性回归方法,找出对应的数学模型,并进行最优化求解。在解的基础上,设计出风道最优化的酿造固定床生物反应器。 最后对上述的研究结果进行了检验,按上述结果制造出的酿造固定床生物反应器进行实验。实验证明,酿造固定床生物反应器对厂房面积有较大节约,设备投资减少,节能有较大提高,运行费用减少。在性能上,酿造固定床生物反应器前端的死区面积比例比传统反应器有较大减少,均压性能较好,气流流速平稳,成品酶活力指数超出企业标准。 研究证明,通过基于统计的实验方法(DOE)、回归建模理论和最优化求解的动态优化设计方法对固定床生物反应器的研究和设计是可行和有效的。