Este estudio presenta un nuevo modelo matemático que caracteriza la co-digestión anaeróbica de paja de trigo y biomasa de algas residuales para la producción de hidrógeno y metano, implementado en un sistema de biorreactor de dos etapas. La co-digestión puede ser una herramienta para aumentar la producción de biogás utilizando desechos orgánicos difíciles de digerir al introducir sustratos fácilmente degradables. Se emplearon dos regímenes operativos continuos, con tasas de carga orgánica de 50 g/L y 33 g/L, para generar los conjuntos de datos experimentales para la parametrización y validación del modelo, respectivamente. La identificación de parámetros se logró a través de experimentación dinámica, utilizando tres algoritmos de optimización distintos: el método activo-determinista (A-S) y los metaheurísticos-algoritmo genético (GA), algoritmo de optimización de coyote (COA), y algoritmo de depredador marino (MPA). Evaluamos la capacidad predictiva de los modelos matemáticos desarrollados utilizando un conjunto de datos independiente. Los modelos demostraron un buen acuerdo con los datos experimentales en todas las variables de proceso medidas. Destacadamente, el MPA exhibió una precisión superior en el ajuste de datos, como se confirmó cuantitativamente por el valor de la función objetivo, en comparación con GA, COA y el algoritmo A-S.