冷凍干燥過程實際上是水的物質變化及其轉移過程.含有大量水份的生物制品首先凍結成固體,然后在真空狀態下固態冰直接升華成水蒸汽,水蒸汽又在冷凝器內凝華成冰霜,干燥結束后冰霜熔化排出.在凍干箱內得到了需要的冷凍干躁產品,干燥過程如圖十七所示.
凍干過程有二個放熱過程和二個吸收過程:液體生物制品放出熱量凝固成固體生物制品,固體生物制品在真空下吸收熱量升華成水蒸汽.水蒸汽在冷凝器中放出熱量凝華成冰霜,凍干結束后冰霜在冷凝器中吸收熱量熔化成水.
整個凍干過程中進行著熱量質量的傳遞現象.熱量的傳遞貫穿冷凍干燥的全過程中.預凍階段:干燥的第一階段和第二階段以及化霜階段均進行著熱量的傳遞；質量的傳遞僅在干燥階段進行,凍干箱制品中產生的水蒸汽到冷凝器內凝華成冰霜的過程,實際上也是質量傳遞的過程,只有發生了質量的傳遞產品才能獲得干燥.在干燥階段,熱的傳遞是為了促進質的傳遞,改善熱的傳遞也能改善質的傳遞.
如果在產品的升華過程中不提供熱量,那么產品由于升華吸收自身的熱量使溫度下降,升華速率也逐漸下降,直到產品溫度相等于冷凝器的表面溫度,干燥便停止進行,這時從凍結產品到冷凝器表面的水蒸汽分子數與從冷凝器表面返回到凍結產品的水蒸汽分子數相等,凍干箱與冷凝器之間的水蒸汽壓力等于零,達到平衡狀態.
不如果一個外界熱量加到凍結產品上,這個平衡狀態被破壞,凍結產品的溫度就高于冷凝器表面的溫度,凍干箱和冷凝器之間便產生了水蒸汽壓力差.形成了從凍干箱流向冷凝器的水蒸汽流.由于冷凝器制冷的表面凝華水蒸汽為冰霜,使冷凝器內的水蒸汽不斷地被吸附掉,冷凝器內便保持較低的蒸汽壓力；而凍干箱內流走的水蒸汽又不斷被產品中發生的水蒸汽得到補充,維持凍干箱內較高的水蒸汽壓力.這一過程的不斷進行,使產品不斷得到了干燥.
升華首先從產品的表面開始,在干燥進行了一段時間之后,在凍結產品上面形成了一層已干燥的產品,產生了干燥產品與凍結產品之間的交界面.交界面隨著干燥的進行不斷下降,直到升華完畢交界面消失.當產生了交界面之后,水分子要穿越這層已干燥的產品才能進入空間；水分子跑出交界面之后,進入已經干燥產品的某一間隔內.以后可能還要穿過許多這樣的間隔后,才能從產品的縫隙進入空間.也可以經過一些轉折又回到凍結產品之中,干燥產品內的間隔有時象迷宮一樣.
當水分子跑出產品表面以后,它的運動路徑還很曲折.可能與玻璃瓶壁碰撞,可能凍干機的金屬板壁碰撞,也經常發生水分子之間的相互碰撞,然后進入冷凝器內.當水分子與冷凝器的制冷表面發生碰撞時,由于該表面的溫度很低,低溫表面吸收了水分子的能量,這樣水分子便失去了動能,使其沒有能量再離開冷凝器的制冷表面,于是水分子被“捕獲”了.大量水分子捕獲后在冷凝器表面形成一層冰霜,這樣就降低了系統內的水蒸汽壓力.使凍干箱的水蒸汽不斷的流向冷凝器.隨著時間的延長,凍干箱內不斷對產品進行加熱以及冷凝器的持久工作,產品逐漸得到了干燥.
干燥的速率與凍干箱和冷凝器之間的水蒸汽壓力差成正比,與水蒸汽流動的阻力成反比.水蒸汽壓力差越大,流動的阻力越小,則干燥的速率越快.水蒸汽的壓力差取決與冷凝器的有效溫度和產品溫度的溫度差.因此要盡可能地降低冷凝器的有效溫度和最大限度地提高產品的溫度.