La gestión de la vinaza en las biorefinerías representa una carga para las industrias de caña de azúcar. A pesar de su alto potencial como fertilizante relacionado con el potasio, se espera que ocurran una serie de impactos ambientales negativos en las aplicaciones de vinaza a largo plazo a través de la fertirrigación. Por el contrario, un alto contenido orgánico biodegradable caracteriza a la vinaza como un sustrato potencial para la recuperación de recursos biológicos y bioenergía desde numerosas perspectivas (bio)tecnológicas. Esta revisión presenta los enfoques alternativos propuestos para la gestión de la vinaza de caña de azúcar en Brasil, con especial atención al papel de la digestión anaeróbica como el paso de conversión central. Se discute en detalle la idoneidad de aplicar la separación de fases, es decir, la separación de la fermentación de la metanogénesis en reactores secuenciales. Se consideraron experiencias de laboratorio y a gran escala para discutir el potencial energético de la vinaza de caña de azúcar a través de la generación de biogás. Con una capacidad instalada nacional de hasta 1603 MW, la energía de la vinaza podría reemplazar la mitad de la electricidad derivada del carbón en Brasil. Mientras tanto, invertir en la fermentación de la vinaza para obtener metabolitos orgánicos solubles podría proporcionar más de 10 g L de (iso)butirato. Esta es la primera revisión que aborda el uso potencial de la vinaza de caña de azúcar en biorefinerías anaeróbicas que discute aplicaciones mucho más allá de la producción convencional de biogás y fomenta el uso racional de la vinaza como materia prima para bioprocesos, ya sea en escenarios a corto o largo plazo.