在能源日益紧张的今天，固态发酵技术因其发酵时间短、能耗低、得率高、环境污染小等优点而具有非常广泛的应用前景，现代固态发酵设备也要适应这种广泛性的需求。本文在分析国内外固态发酵设备应用与研究的基础上，针对既能实现物料灭菌、降温、原地接种，又能在线检测并控制物料温度、湿度、氧气含量等的多功能纯种固态发酵设备，设计了基于托盘平动机构运动无干涉及空间利用率最高的固态纯种发酵设备及其链传动系统。利用固-液两相流理论分析两相流体中微生物的受力，并推导了衡量流体微元体损伤的能量耗散率公式。通过仿真和试验验证，系统地研究了喷头类型、喷雾特性参数等因素对喷雾接种效果的影响。论文设计了一种新型的带有上下翻盖的托盘平动固态发酵机构，将接种管引入密封发酵罐内，在对罐内固态基质物料灭菌后，再通过通入罐内的喷雾接种系统的喷头均匀地将雾状菌种喷洒在固态物料表面，实现在同一发酵罐内完成物料的灭菌、冷却、原地接种和发酵，分析了固态发酵各工艺参数对发酵过程和产品得率的影响以及对各工艺参数的控制策略，通过发酵过程的自动控制，创造良好的生产条件，保证真正意义的纯种固态培养，以得到生长好且质量均匀的产品，同时又便于工业规模的放大。利用Matlab，对发酵罐内托盘的三种排布方式下的各种情况进行了基于托盘运动不干涉的各机构参数的初步求解和精确求解。对喷雾接种时生物颗粒流体系统的两相流进行了分析，讨论了由微生物和无菌水所组成的固-液两相流的流态特征，对喷雾接种两相流体中微生物的受力进行了分析。分析了用流体微元体能量耗散率定量衡量反映流体微元体对处于其控制中的微生物颗粒综合应力作用引起损伤的理论依据、可靠性及实用性，在微生物固态发酵与多相流体力学的交叉学科领域内具有突破性的理论意义。采用CFD计算流体动力学软件仿真和试验验证的方法对喷头类型、喷雾参数等因素对喷雾接种效果的影响进行了系统的研究。本文设计并制造了一套喷雾接种试验系统，确定了相应的测试方法。在FLUENT里创建了一个通过流场信息来计算能量耗散率的用户自定义函数，在合理设置边界条件和初始条件的基础上，对本文采用的三种类型的试验喷头在不同孔口尺寸、入口压力等的条件下的压力和能量耗散率等内部流场进行了数值模拟。试验和仿真结果表明：用喷雾接种实现纯种固态发酵过程的自动化、保证接种的均匀性是可行的，可以找到保证接种后微生物存活率的最佳喷雾特性参数；不同的喷头极限能量耗散率不同，并且出现极限值的位置也不同，在试验喷头和喷雾特性参数中，涡流扇形雾喷头TT1102在喷雾压力为0.3MPa时的能量耗散率最低、菌种死亡率最小。试验和仿真结果对利用喷头喷洒活性生物具有非常重要的参考意义。