预冻阶段（冻结阶段）：将待干燥物料放入冷冻干燥器的干燥箱内，通过制冷系统将物料温度降至其共晶点以下（通常为 - 40℃~-80℃），使物料中的自由水和结合水完全冻结成冰。这一阶段的核心目的是：避免后续升华过程中物料融化或收缩变形，同时为升华干燥提供稳定的 “固态水源”。对于生物制品、细胞等敏感物料，预冻速率需精准控制（通常为 1~5℃/min），防止冰晶过大破坏物料结构。
升华干燥阶段（第一干燥阶段）：在维持物料低温的前提下，启动真空系统，将干燥箱内的压力降至 10~50Pa（远低于三相点压力）。此时，物料中的冰不会融化，而是在真空环境中直接升华为水蒸气。冷冻干燥器内的冷凝器（捕水器）会将水蒸气快速冷却至 - 60℃~-120℃，使其凝结成霜，避免水蒸气污染真空系统，同时维持干燥箱内的低湿度环境。这一阶段可去除物料中 90% 以上的水分，是干燥过程的核心环节，升华速率直接影响干燥效率。
解析干燥阶段（第二干燥阶段）：升华干燥后，物料中仍残留 5%~10% 的结合水（与物料分子紧密结合的水分），这类水分无法通过升华直接去除。解析干燥阶段通过适度升高物料温度（通常不超过物料耐受温度的 80%），破坏结合水与物料分子的吸附力，使水分从物料中解析出来，再通过真空系统排出。这一阶段的目标是将物料含水率降至 1% 以下，提高产品的稳定性和保质期。
制冷系统：负责物料预冻和冷凝器结霜，是维持低温环境的关键。主要由压缩机、冷凝器、蒸发器、节流阀等组成，常规机型制冷温度范围为 - 40℃~-80℃，特殊需求机型可达到 - 120℃。
真空系统：维持干燥箱内的低压环境，促进冰的升华和水分解析。核心部件为真空泵（旋片式、罗茨式或复合式真空泵），配套真空阀门、真空计等，确保真空度稳定控制在 1~100Pa 区间。
加热系统：用于解析干燥阶段的物料升温，通常采用搁板加热方式，控温精度≤±1℃，避免局部过热破坏物料。加热方式包括电加热、热水加热等，其中电加热因控温精准、操作方便，广泛应用于实验型和中小型生产型设备。
控制系统：实现对温度、压力、时间等参数的精准控制，核心为 PLC 控制器或工业计算机，可预设冻干曲线（温度、压力随时间的变化规律），自动记录运行数据，支持远程监控和故障报警。
实验型冷冻干燥器（实验室冻干机）：
特点：体积小巧（占地面积≤1.5㎡），干燥箱容积 5~50L，搁板层数 3~5 层，控温精度高（±0.5℃），操作灵活，支持小批量样品干燥和工艺研发。
应用场景：高校实验室、科研机构、企业研发部门，适用于细胞、组织、试剂、小型食品样品等的干燥。
中试型冷冻干燥器：
特点：干燥箱容积 50~200L，搁板可定制，支持连续运行，兼顾研发与小批量生产需求，核心参数与工业级设备接近，可用于工艺放大验证。
应用场景：生物制药企业中试车间、食品加工企业小批量生产、科研成果转化。
生产型冷冻干燥器：
特点：干燥箱容积 200~10000L，采用多搁板或隧道式设计，自动化程度高（支持连续进料、出料），配备高效真空系统和制冷系统，生产效率高，符合 GMP 标准。
应用场景：大规模生物制药、食品加工、新材料生产等，如冻干疫苗、冻干食品、纳米材料等的工业化生产。
干燥箱：物料干燥的核心空间，通常采用不锈钢材质（304 或 316L），具备良好的密封性和耐腐蚀性能。内部搁板用于放置物料，需保证温度均匀性（搁板各点温度差≤±2℃），部分高端机型支持搁板独立控温。
冷凝器（捕水器）：捕获升华产生的水蒸气，避免水蒸气进入真空泵影响真空度。通常采用盘管式或板式设计，制冷温度低于预冻温度 10~20℃，捕水能力（单位时间内最大凝结水量）是关键指标，常规机型为 5~50kg/24h。
真空泵：真空系统的核心，决定抽真空速度和真空度稳定性。旋片式真空泵适用于常规实验型设备（抽气速率 5~20m³/h），罗茨 + 旋片复合泵适用于高真空需求（真空度≤1Pa）和大型生产设备（抽气速率 50~500m³/h）。
PLC 控制系统：实现自动化运行和参数精准控制，可存储多组冻干曲线，支持数据导出和追溯，部分高端机型配备触摸屏，操作直观便捷。
低温干燥，保留物料活性：干燥过程温度低（-40℃~-80℃），可最大限度保留物料中的热敏性成分（如维生素、蛋白质、活性酶）和生物活性，尤其适用于生物制品、医药原料等的干燥。
产品品质优异：干燥后物料形成多孔结构，复水性好（加水后快速恢复原有形态和性能），同时保留物料的原有色泽、气味和营养成分，无收缩变形。
稳定性高，保质期长：干燥后物料含水率低（≤1%），常温下不易氧化、霉变，无需添加防腐剂即可长期保存（通常 1~5 年）。
环保安全：干燥过程不使用有机溶剂，无污染物排放，符合绿色生产要求。
生物制药领域：疫苗、抗体、胰岛素、益生菌、生物酶等的干燥，如冻干新冠疫苗、冻干益生菌粉等，保留生物活性的同时延长保质期。
食品加工领域：冻干水果（草莓、芒果）、冻干蔬菜（菠菜、西兰花）、冻干肉类（牛肉干、虾仁）、冻干速食（方便面调料包、冻干粥）等，保留食品原有风味和营养，方便储存运输。
科研与新材料领域：细胞、组织样本的保存，纳米材料、陶瓷材料、聚合物材料的干燥，避免材料团聚或结构破坏。
中药领域：中药饮片、中药提取物的干燥，如冻干人参、冻干虫草，保留有效成分，提高药效，且复水性好，方便服用。
使用前准备：检查设备密封性（真空度泄漏率≤10Pa/h），清洁干燥箱和搁板，确保冷凝器无冰霜堆积；根据物料特性设定预冻温度、真空度、冻干时间等参数，制定合理的冻干曲线。
运行过程监控：实时观察温度、压力变化，若真空度异常升高或温度波动过大，需及时排查故障（如真空泵故障、密封件损坏）；避免物料装载过密，确保水蒸气流通顺畅。
日常维护：定期清洁冷凝器（除霜），避免冰霜影响捕水效率；真空泵需定期更换真空泵油（无油真空泵除外），保持真空系统清洁；检查密封件（密封圈、垫片）的磨损情况，及时更换，确保设备密封性。
长期存放：设备停用前需彻底清洁干燥箱和冷凝器，排尽制冷系统内的积水，保持设备干燥；定期启动设备运行 30 分钟，避免部件老化。