Lyofilizácia prebieha v troch fázach, pričom prvou a najdôležitejšou je fáza zmrazenia. Správna lyofilizácia môže skrátiť dobu sušenia o 30 %.

Fáza mrazenia

Existujú rôzne spôsoby zmrazenia produktu. Zmrazovanie sa môže vykonávať v mrazničke, chladenej vani (škrupinová mraznička) alebo na poličke v mrazničke. Ochladzovanie materiálu pod jeho trojitý bod zaisťuje, že dôjde skôr k sublimácii ako k roztaveniu. Tým sa zachová jeho fyzická forma.

Lyofilizáciu je najjednoduchšie vykonať pomocou veľkých ľadových kryštálov, ktoré možno vyrobiť pomalým zmrazením alebo žíhaním. Avšak pri biologických materiáloch, keď sú kryštály príliš veľké, môžu narušiť bunkové steny, čo vedie k menej ako ideálnym výsledkom sušenia mrazom. Aby sa tomu zabránilo, zmrazenie sa vykonáva rýchlo. Pre materiály, ktoré majú tendenciu sa zrážať, je možné použiť žíhanie. Tento proces zahŕňa rýchle zmrazenie a následné zvýšenie teploty produktu, aby kryštály mohli rásť.

Primárna fáza sušenia (sublimácia).

Druhou fázou lyofilizácie je primárne sušenie (sublimácia), pri ktorej sa zníži tlak a do materiálu sa pridá teplo, aby voda sublimovala. Vákuum urýchľuje sublimáciu. Chladný kondenzátor poskytuje povrch, na ktorom sa vodná para prichytí a stuhne. Kondenzátor tiež chráni vákuovú pumpu pred vodnou parou. V tejto fáze sa odstráni asi 95 % vody z materiálu. Primárne sušenie môže byť pomalý proces. Príliš veľa tepla môže zmeniť štruktúru materiálu.

Sekundárna fáza sušenia (adsorpcie).

Konečnou fázou lyofilizácie je sekundárne sušenie (adsorpcia), počas ktorého sa odstránia iónovo viazané molekuly vody. Zvýšením teploty vyššie ako vo fáze primárneho sušenia dochádza k prerušeniu väzieb medzi materiálom a molekulami vody. Lyofilizované materiály si zachovávajú poréznu štruktúru. Po dokončení lyofilizačného procesu je možné vákuum prerušiť inertným plynom predtým, ako sa materiál uzavrie. Väčšinu materiálov je možné vysušiť na 1-5 % zvyškovej vlhkosti.