Im Gegensatz zum aeroben Abbau von Biomasse (z.B. Kohlenhydrate zu Kohlenstoffdioxid und Wasser) gibt es keine Organismen, die allein den anaeroben Abbau und damit die Bildung von Biogas zu leisten vermögen. Nur durch das Zusammenwirken verschiedener Gruppen von Mikroorganismen kommt die komplexe Reaktionsfolge der Methangärung zustande, wobei folgende Zusammenhänge gelten. Aerobe Bakterien, die während anaeroben Prozessen (Gärungen) ohne Sauerstoff leben können gelten als fakultativ anaerob. Bakterienarten welche teilweise so spezialisiert sind, dass Sauerstoff für sie ein tödliches Gift darstellt, werden als obligat anaerob bezeichnet.

Der anaerobe Abbau vergärbarer Substrate verläuft in vier Stufen, die z.T. von verschiedenen Mikroorganismengruppen durchgeführt werden.

1. Stufe
Bei der sog. Hydrolyse spalten fermentative Bakterien polymere Verbindungen wie Kohlenhydrate, Proteine und Fette mit Hilfe von Enzymen in die entsprechenden Monomere auf. An diesen Reaktionen sind sowohl fakultativ als auch obligat anaerobe Bakterien beteiligt.

2. Stufe
In der zweiten Phase, der Vergärung und Säurebildung, werden die gebildeten Monomere von den Bakterien der ersten Stufe aufgenommen und weiter abgebaut. Die Produkte der zweiten Stufe sind organische Säuren und Alkohole sowie Wasserstoff (H2), Kohlendioxid (CO2), Ammoniak (NH4) und Schwefelwasserstoff (H2S).

3. Stufe
Bei der Essigsäurebildung, der sog. Acetogenese werden die in der Vergärungsstufe gebildeten organischen Säuren und Alkohole zu Essigsäure, Wasserstoff und Kohlendioxid umgewandelt. Diese Reaktion verläuft endotherm, Wärme muss also von außen zugeführt werden.

4. Stufe
Hierbei handelt es sich um die Methanbildung oder auch Methanogenese. Die obligat anaeroben Methanbakterien setzen die Essigsäure und das CO2 mit molekularem Wasserstoff zu Methan (CH4) um. Die Existenz von Wasserstoff und der damit verbundene H2-Partialdruck sind für die Reaktion entscheidende Größen.
Der Anteil von Wasserstoff in den Ausgangssubstraten ist jedoch sehr gering. Durch die Umsetzung dieses Wasserstoffs mit dem zuvor gebildeten CO2 sorgen die Methanbildner für einen geringen H2-Partialdruck. Ein geringer H2-Partialdruck ist jedoch für die Existenz von Essigsäurebakterien unerlässlich. Somit besteht eine enge Symbiose zwischen wasserstoffproduzierenden (Essigsäurebildner) und wasserstoffverbrauchenden (Methanbildner) Bakterien.

Die Beschreibung der Hydrolyse als eigene Stufe (1. Stufe) erfolgt eher aus verfahrenstechnischen als aus biologischen Gründen. Da die Hydrolyse von denselben Organismen vorgenommen wird wie die Vergärung zu Säuren, sollten diese beiden Prozesse gemeinsam betrachtet werden. Da aber bei hochmolekularen Verbindungen wie z.B. Ligninen, die Hydrolyse der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist, wird aus verfahrenstechnischen Gesichtspunkten die Hydrolyse als eigenständige Stufe betrachtet.

Ausgehend von Biomasse mit einer bestimmten Zusammensetzung (Proteine, Kohlenhydrate, Fette) sind in der Abbildung die einzelnen Stufen der Vergärung unter Angabe der prozentualen Verteilung dargestellt.

 

Methanbildende Bakterien (Stufe 4) stellen im Vergleich zu säurebildenden Bakterien (Stufe 3) wesentlich höhere Anforderungen an die Lebensbedingungen. Sie sind Relikte vergangener Erdperioden mit reduzierender Atmosphäre.

Insbesondere verlangen sie:
- Anaerobes Milieu,
- Temperaturen zwischen 15°C und 55°C,
- pH-Werte zwischen 6,5 und 8,0,
- kein zu hohes Substratangebot,
- Vermeidung von Hemmstoffen, z.B. Schwermetallsalze, Antibiotika   und Desinfektionsmittel
- Vorhandensein von Spurenelementen wie Nickel und Molybdän.

Methanbildende Bakterien weisen eine längere Reproduktionszeit auf als säurebildende Bakterien. Deshalb hängen Geschwindigkeit und Umfang der Fermentation von der Stoffwechselleistung der Methanbakterien ab. Beide Bakteriengruppen bilden eine Symbiose (Lebensgemeinschaft). Die Säurebildner können nur existieren wenn Wasserstoff und Säuren, von den Methanbildnern zu gasförmigen Endprodukten umgesetzt werden.

Die Methanbildner wiederum sind auf die Stoffwechselprodukte der Säurebildner spezialisiert. Die Vergärbarkeit der verschiedenen organischen Abfallstoffe und die Gasausbeute hängen in erster Linie von deren Zusammensetzung, aber auch der Art der Prozessführung und dem Grad der Zerkleinerung ab. Zumindest teilweise können Stärke, Zucker/Pektin, Eiweiß/Peptide, Fett, Zellulose und Hemizellulose anaerob abgebaut werden, praktisch nicht anaerob abbaubar sind Lignin und Chitin. Da Zellulose und Hemizellulose oft in einer Matrix mit Lignin eingebunden sind, ist die anaerobe Abbaubarkeit dieser Verbindungen direkt vom Ligningehalt abhängig.