Külmkuivatamisel, mida teadlased võivad nimetada lüofiliseerimiseks, kasutatakse kiiresti riknevatest toiduainetest ja ravimitest vee eemaldamiseks nii vaakumit kui ka külmutamist. Tulemuseks on toode, mida saab riknemata säilitada aastaid toatemperatuuril või pakendada piiratud hoiukohtadesse ja hiljem veega lahustada. Lahustuva kohvi valmistajad kasutavad sageli külmkuivatusprotsessi, nagu ka toitumisspetsialistid, kes loovad eineid telkijatele, sõduritele ja astronautidele. Seda protsessi kasutatakse ka farmaatsiatööstuses õhu- või niiskustundlike ravimühendite terviklikkuse säilitamiseks.
Toidu kuivatamine kuumusega säilitamiseks on iidne kontseptsioon, kuid sellel on teatud puudused. Toidu sees olev vesi on vedelal kujul, kuid päikese või muu allika soojus muudab selle aeglaselt gaasiks. Kui vedelik toidust väljub, saavad rakuseinad sageli kahjustatud ning toidu oluline maitse ja tekstuur kaob. Vee lisamine kuumusega kuivatatud toitudele ei taasta alati maitset ega tekstuuri. Seetõttu on külmkuivatamisel konserveerimisprotsessis eelis kuumuse kuivatamise ees.
Külmkuivatamine hõlmab esmalt toidu või keemilise ühendi jahutamist, sageli palju alla vee külmumispunkti. Sel hetkel tuleks kogu toidu sees olev vesi külmutada tahketeks kristallideks. Puu-, juurvilja või liha põhistruktuur ei ole muutunud, kuid veesisaldus on tahkes olekus. Pool protsessist on praegusel hetkel läbi viidud temperatuuri alandamise kaudu.
Kuivatusprotsess hõlmab vaakumkambri kasutamist. Külmutatud toiduained või kemikaalid asetatakse vaakumkambrisse ja ümbritsev õhk pumbatakse välja. Kui see protsess toimuks toatemperatuuril, häviks toit suure tõenäosusega, kuna vedel vesi tungis vaakumkambrisse. Külmunud veekristallid muutuvad aga tegelikult tahkest jääst gaasiliseks, jättes vedelast olekust üldse mööda.
Seda protsessi nimetatakse sublimatsiooniks. See on sama efekt, mis põhjustab tahke kuivjää peaaegu kadumise, kui haamriga lüüa. Külmkuivatamise käigus muutub tahke vesi vaakumkambris auruliseks gaasiks, jättes kõik tahked toidumaterjalid dehüdreeritud.
Kui vesi on külmkuivatamise teel eemaldatud, hoitakse kuivatatud toiduaineid või kemikaale sageli vaakumpakendites, et õhk ja niiskus neile ei pääseks. Neid pakendeid saab hoida toatemperatuuril, kuna bakterid ja muud kahjulikud organismid ei saa nagunii ilma õhuta ellu jääda. Külmkuivatamine jätab maha ka pisikesed poorid, kus varem olid külmunud veekristallid. Seetõttu seguneb lahustuv kohvipaks nii kiiresti ja põhjalikult kuuma veega. Külmkuivatamine on ka populaarne protsess kosmoseajastu jäätise magustoitude ning matkajatele ja telkijatele mõeldud seljakotisõbralike toitude valmistamiseks.