Este estudio desarrolla y valida un marco de modelado multiescala para estimar la producción de biogás a partir de la codigestión anaerobia (AcoD) de estiércol bovino y residuos de cultivo de tomate (Solanum lycopersicum L.), un residuo agrícola abundante y subutilizado en México. El enfoque integra tres modelos matemáticos complementarios: Promediado de Volumen, Dominio de Laplace y ecuación de Gompertz Modificada, ajustados a datos experimentales previamente reportados en la literatura. Estos datos se obtuvieron de experimentos en biorreactores por lotes bajo diferentes condiciones operacionales: 20% y 50% de sustrato en base seca, y pH 6.8 y 7.5. Los modelos mostraron un ajuste sólido (R²: 0.84–0.97; RMSE = 0.10–1.10), respaldando su idoneidad para describir fenómenos cinéticos y de transporte. El método de Promediado de Volumen permitió estimar parámetros de transporte, incluidos coeficientes de difusión del orden de 1.6×10−6 m²/d, junto con parámetros clave de reacción. El enfoque de Dominio de Laplace facilitó la caracterización dinámica del sistema mediante funciones de transferencia, mientras que la ecuación de Gompertz Modificada capturó con precisión la cinética de producción de biogás. Los resultados indican que operar con 50% de sustrato y control de pH redujo el tiempo característico de producción a aproximadamente 30 días, menos de la mitad del requerido para 20% de sustrato (60–66 días), y alcanzó contenidos de metano de hasta 41%, acercándose al umbral establecido para biogás como biocombustible (45%), con V50a mostrando la fracción de metano más alta. Los coeficientes cinéticos y de transporte estimados sugieren una clara adaptación metabólica de los consorcios microbianos bajo condiciones óptimas. Este marco integrado demostró potencial para el diseño y escalamiento de sistemas de AcoD en regiones agrícolas con alta generación de residuos orgánicos.