冷冻干燥机，作为一种能够在低温环境下实现高效干燥的设备，其工作原理基于水的三态变化特性。水存在固态、液态和气态三种状态，且在特定条件下可相互转换与共存。当水处于三相点（温度为 0.01℃，水蒸气压为 610.5Pa）时，水、冰、水蒸气能够达到平衡状态。冷冻干燥机正是巧妙利用了这一原理，在高真空状态下，让预先冻结的物料中的水分，跳过冰融化成水这一过程，直接从固态冰升华为水蒸气并被除去，从而实现冷冻干燥。
具体而言，冷冻干燥过程主要包含预冻、升华和再冻干三个阶段。在预冻阶段，溶液的冻结速度对最终制品的质量有着显著影响。快速冻结（每分钟降温 10 - 50℃）能够使晶粒保持在显微镜可见的较小尺寸，而缓慢冻结（1℃/ 分）则会形成肉眼可见的粗晶。粗晶在升华后会留下较大的空隙，有利于提高冻干效率；细晶留下的间隙较小，可能会阻碍下层水分的升华。药品在冻干机中的预冻方式主要有两种：一种是制品与干燥箱同时降温，属于慢冻方式；另一种是先将干燥箱搁板降温至 - 40℃左右，再放入制品，这种方式介于速冻与慢冻之间，因其能在一定程度上兼顾冻干效率与产品质量，故而被广泛采用。但该方式也存在一定缺点，例如制品入箱时，空气中的水蒸气容易迅速凝结在搁板上，在升华初期，若搁板升温过快，大面积升华可能会超出凝结器的负荷，这种现象在夏季尤为明显。此外，为克服过冷现象，制品冻结温度需低于共晶点一定范围，并保持一段时间，确保制品完全冻结。
升华阶段是冷冻干燥的关键环节。冰在特定温度下，当饱和蒸汽压大于环境的水蒸气分压时，升华便开始启动。而比制品温度更低的凝结器对水蒸气的抽吸与捕获作用，是维持升华过程持续进行的必要条件。在常压环境中，气体分子的平均自由程很短，升华的水分子极易与其他气体碰撞后返回蒸汽源表面，导致升华速度极为缓慢。但当压力降低至 13.3Pa 以下时，平均自由程大幅增大 105 倍，升华速度也随之显著加快，此时飞离的水分子能够形成定向的蒸汽流。在冻干机中，真空泵承担着抽除永久气体的重任，以维持升华所需的低压强。由于 1g 水蒸气在常压下体积为 1.25L，而在 13.3Pa 时会膨胀至 10000 升，普通真空泵难以在单位时间内抽除如此庞大的体积，因此凝结器实际上发挥着专门捕集水蒸气的真空泵的作用。制品与凝结器的温度通常分别设定为 - 25℃与 - 50℃，在这两个温度下，冰的饱和蒸汽压差异较大，分别为 63.3Pa 与 1.1Pa，这种压力差促使制品升华出的水蒸气能够以一定流速定向抵达凝结器表面并结成冰霜。同时，冰的升华过程需要吸收大量热量，约为 2822J / 克，若升华过程中不提供外部热量，制品只能依靠自身内能的降低来补偿升华热，直至其温度与凝结器温度达到平衡，升华过程也将随之停止。所以，为保证升华与冷凝的温度差，必须为制品提供充足的热量。
在升华过程的第一阶段，即大量升华阶段，制品温度需低于其共晶点一定范围，因此搁板温度需要进行严格控制。若制品部分干燥后温度超过共晶点，就会出现制品融化现象。此时，融化的液体对冰饱和，但对溶质未饱和，干燥的溶质会迅速溶解其中，最终浓缩成薄僵块，不仅外观不佳，溶解速度也会变得很差。若制品融化发生在大量升华后期，由于融化液体量相对较少，会被干燥的孔性固体吸收，导致冻干后块状物出现缺损，加水溶解时溶解速度依然较慢。在大量升华过程中，尽管搁板和制品温度存在较大差异，但由于板温、凝结器温度和真空温度相对稳定，升华吸热较为平稳，制品温度也能保持相对恒定。随着制品自上而下逐步干燥，冰层升华的阻力逐渐增大，制品温度会相应小幅上升，直至肉眼观察不到冰晶存在，此时 90% 以上的水分已被去除，大量升华过程基本结束。为确保整箱制品的大量升华彻底完成，搁板温度仍需维持一段时间，之后才进入第二阶段的升温。
剩余的百分之几的水分被称为残余水分，其物理化学性质与自由状态的水有所不同，包含化学结合水与物理结合水，如化合的结晶水、蛋白质通过氢键结合的水以及固体表面或毛细管中的吸附水等。由于残余水分受到特定引力的束缚，其饱和蒸汽压不同程度降低，干燥速度也明显下降。虽然提高制品温度有助于残余水分的气化，但一旦超过某一极限温度，生物活性可能会急剧下降。因此，保证制品安全的最高干燥温度需要通过实验来精确确定。通常在第二阶段，将搁板温度设定在 + 30℃左右并保持恒定。在这一阶段初期，由于板温升高，残余水分少且不易气化，制品温度上升较快。然而，随着制品温度与板温逐渐接近，热传导变得愈发缓慢，需要较长时间等待。实践经验表明，残余水分干燥所需的时间与大量升华阶段的时间大致相当，有时甚至更长。
将搁板温度与制品温度随时间的变化记录下来，即可得到冻干曲线。典型的冻干曲线通常将搁板升温划分为两个阶段。在大量升华阶段，搁板温度保持相对较低，一般控制在 - 10 至 + 10℃之间，该阶段结束后，根据制品性质适当调高搁板温度。这种方式适用于熔点较低的制品。若对制品性能了解有限，或机器性能不稳定，采用此方法较为稳妥。若制品共晶点较高，系统真空度良好，凝结器制冷能力充足，也可以采用一定的升温速度，将搁板温度直接升高至允许的最高温度，直至冻干结束，但需确保制品在大量升华时的温度不超过共晶点。若制品对热不稳定，则第二阶段的搁板温度不宜过高。为提高第一阶段的升华速度，还可以将搁板温度一次性升高至制品允许的最高温度以上，待大量升华阶段基本结束后，再将板温降至允许的最高温度。不过，后两种方式虽然能在一定程度上提高升华速度，但抗干扰能力相对较弱，真空度、制冷能力的突然变化或停电等情况都可能导致制品融化。因此，合理灵活地运用第一种方式，仍是目前较为常用的选择。
