冷冻干燥的基本原理是基于水的三态变化。水有固态、液态和气态，三种状态既可以相互转换又可以共存。 当水在三相点(温度为0.01℃，水蒸气压为610.5Pa)时，水、冰、水蒸气三者可共存且相互平衡。在高真空状态下，利用升华原理，使预先冻结的物料中的水分，不经过冰的融化，直接以冰态升华为水蒸汽被除去，从而达到冷冻干燥的目的。
冻干机设备组成主要包括真空室、隔板、主机、真空泵、压缩机等几个部分，其中核心的内容都在主机里，这里面包含有冻干机的制冷系统、真空系统、控制系统等。
制冷系统是冻干机最重要的组成部分，可以说是冻干机的“心脏”，主要的配件是压缩机(制冷系统核心部件)、冷凝器、蒸发器、热力膨胀阀等，主要是为冷阱盘管捕捉升华水汽供给冷量。
真空系统的重要组成部件是真空泵，真空泵组拥有强大的抽吸能力，一方面能够促进真空室的水分在真空状态下进行升华，另一方面会让冷阱和真空室之间形成一个真空度的压力差，使得真空室中的水分在升华后能够被冷阱成功捕获。
控制系统主要是掌控冻干过程中的操作和数据记录，普通的冻干机控制系统大多是一个设备开关和显示温度真空度的作用。但随着需求的提高，冻干机的控制系统要求更多了。比如说保存一次完整冻干过程的各项参数，用曲线的形式来直观感觉温度真空度等各项数据，这样可以更好的了解冻干全过程。
冻干的过程主要是：预冻、升华干燥、解析干燥等几个步骤
冻干的第一步就是预冻。通过预冻将样品里的自由水固化，这样抽真空干燥时不会出现起泡、浓缩、收缩和溶质移动等不可逆的变化。
升华干燥是第一阶段的干燥。将冻结后的产品，通过抽真空使其冰晶直接升华成水蒸气逸出物料，从而使产品脱水干燥。这个阶段的干燥是从物料外表开始逐步向内推移的，冰晶升华后残留下的孔隙便成为升华水蒸气的逸出通道了。当冰晶全部除去时，这个阶段的干燥就算完成了。
解析干燥属于第二阶段的干燥，在第一阶段干燥结束后，在干燥物质的毛细血管壁和极性基团上还吸附有一部分水分，这些水分还未被冻结。为了延长产品保存期和贮存稳定性，这些水分必须去除，这就是第二阶段解析干燥的目的。解析干燥产品的温度要足够高，控制在崩解温度以下即可。
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