Les bioraffineries ou agroraffineries sont des installations industrielles qui transforment (bioraffinage) les productions agricoles végétales et la biomasse en biocarburant, agrocarburant destinés à produire de la chaleur et de la puissance (agroénergie), ainsi qu'en produits chimiques à valeur ajoutée, biomatériaux voire en produits destinés à l'alimentation humaine, animale, etc..
Le concept de bioraffinerie est basé sur une recherche de valorisation optimisée de toutes les composantes des agro-ressources transformées (les coproduits pouvant parfois avoir plus de valeur que le produit principal).
La commission de l'Agence internationale de l'énergie (AIE) sur les bioraffineries a défini le bioraffinage comme la transformation durable de biomasse en énergie et une gamme de produits. Le bioraffinage est selon l'AIE le pilier central de la bioéconomie.
Par exemple, en ce qui concerne le raffinage du blé, le fractionnement de la paille permet l'obtention de cellulose et lignines respectivement utilisées pour l'élaboration de pâte à papier et de colles. Le fractionnement du grain, quant à lui, permet d'isoler l'amidon, le glucose, le gluten et des fibres, composés ensuite utilisables comme ingrédients ou additifs alimentaires. Le glucose isolé peut encore subir d'autres transformations, pour être valorisé en sirop de glucose puis éventuellement en éthanol par un procédé de fermentation, ce dernier étant un composant de base des biocarburants à alcool.
En cela, une agroraffinerie présente des similitudes avec la raffinerie pétrolière, qui produit plusieurs carburants et produits chimiques (lubrifiants, solvants...) à partir du pétrole. Mais la bioraffinerie n'utilise du carbone non-fossile.
En diversifiant ses transformations, l'agroraffinerie peut ajouter de la valeur aux produits agricoles qu'elle transforme, par exemple pour en faire un produit chimique ou alimentaire à faible volume mais à haute valeur, en complément d'un carburant de transport produit en masse (comme le bioéthanol ou biogazole) éventuellement utilisable en cogénération ou trigénération sur place, pour générer du mouvement, de la vapeur, de l'électricité.