Biogas entsteht in einem biologischen Prozess unter Ausschluss von Sauerstoff (anaerober Abbau oder Vergärung). In der Biogasanlage erfolgt in einem mehrstufigen biologischen Prozess die Umwandlung von organischen Substanzen zu Biogas, welches vor allem aus Methan (55 bis 65 Vol.%) und Kohlendioxid (45 bis 35 Vol.%) besteht. Dieser Prozess ist in der Natur weit verbreitet (z.B. in Mooren und in den Pansen von Wiederkäuern).
Der Umwandlungsprozess kann in Teilschritte unterteilt werden, in denen von verschiedenen Mikroorganismen die organische Substanz stufenweise abgebaut wird. Diese Teilschritte müssen gut aufeinander abgestimmt sein, damit der biologische Gesamtprozess optimal läuft.
Die Teilschritte gliedern sich wie folgt:
1. Hydrolyse
Abbau komplexer Verbindungen wie z.B. Kohlenhydrate, Eiweisse oder Fette zu einfacheren organischen Verbindungen wie Aminosäuren, Fettsäuren oder Zucker.
2. Versäuerungsphase
Die in der Hydrolyse gebildeten Zwischenprodukte werden durch säurebildende Bakterien zu Fettsäuren (z.B. Propion-, Butter- und Valeriansäure) sowie Kohlendioxid, Wasserstoff, Milchsäure und Alkohol fermentiert.
3. Essigsäurebildung
Durch essigsäurebildende Bakterien werden die Produkte der Versäuerungsphase weiter abgebaut. Es entsteht dabei Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid.
4. Methanogenese
Im letzten Schritt der Biogaserzeugung werden die Essigsäuren, Wasserstoff und Kohlendioxid von Mikroorganismen zu Methan und Wasser umgewandelt. Die Methanbildung geschieht dabei auf zwei unterschiedlichen Wegen. Während die acetoklastischen Archaeen die zuvor gebildete Essigsäure weiter zu Methan und Wasser abbauen, verwerten die hydrogenotrophen Archaeen elementaren Wasserstoff und Kohlendioxid.
Alle vier Teilschritte der Bildung von Biogas laufen in einer landwirtschaftlichen Biogasanlage in der Regel parallel, d.h. gleichzeitig ab, da der Fermenter meist ein kontinuierlich betriebener Rührkessel ist. Da die Mikroorganismen der einzelnen Abbauschritte zum Teil unterschiedliche Ansprüche an ihren Lebensraum haben, muss in einem solchen Reaktor prozesstechnisch ein Kompromiss erreicht werden, der z.B. hinsichtlich pH-Wert und Temperatur möglichst allen Mikroben gerecht wird.
