Der Gewinnung von Biogas liegen biochemische Prozesse zu Grunde, die in einem Phasenmodell folgendermaßen beschrieben werden können:

 

In der ersten Phase, der Hydrolyse, bauen aerobe Bakterien hochmolekulare organische Stoffe mit Hilfe von Enzymen in niedermolekulare Stoffe um. Fett, Eiweiß und Kohlenhydrate werden in Aminosäuren, Zucker und Fettsäuren gespalten. So entstehen kleinere, wasserlösliche Verbindungen, die als Ausgangsprodukt für die anstehende Versäuerung dienen.
 

In der zweiten Phase findet eine Versäuerung (Acetogenese) statt. Säurebildende Bakterien verarbeiten die niedermolekularen Verbindungen zu kurzkettigen Fettsäuren (Carbonsäuren), wie Essig-, Ameisen-, Butter- und Propionsäure. Außerdem entstehen niedermolekulare Alkohole wie Ethanol und die Gase Kohlenstoffdioxid (CO2), Wasserstoff (H2), Schwefelwasserstoff (H2S) und Ammoniak (NH3). Diese Bakterien sind nur fakultativ anaerob, denn sie verbrauchen den in der Masse befindlichen restlichen Sauerstoff und schaffen somit die wichtigen anaeroben Ausgangsbedingungen für die folgende Phase.
 

Die in Phase der Essigsäurebildung (Acidogenese) aktiven Mikroorganismen wandeln die in der vorhergehenden Phase gewonnenen Produkte in die Ausgangsprodukte der Methanbildung um: Essigsäure, Kohlendioxid und Wasserstoff.
 

Anschließend beginnt die vierte Phase, die Methanogenese. Bei optimalen Bedingungen (einem pH-Wert um 7 und streng anaeroben Konditionen) wird etwa 90% des gesamten Methans hergestellt. Davon stammen 70% aus der direkten Umwandlung von Essigsäure in Methan. In dieser Phase setzt somit der geschwindigkeitsbestimmende Faktor ein. Je mehr Essigsäure produziert wurde, desto schneller kann diese direkt umgesetzt werden. Aber auch hier gilt: Essigsäure ist zwar eine wichtige Vorstufe zur Methanbildung, kann aber bei zu hoher Konzentration hemmend wirken. Erst ein ausgewogenes Verhältnis sorgt für die optimale Produktion.