Pour produire des bioproduits ou de la bioénergie, il faut transformer la biomasse. Trois grandes familles de transformation existent :

- la thermo-chimie,
- la conversion chimique,
- la conversion biologique.

La thermo-chimie regroupe plusieurs procédés basés sur le craquage des biomolécules sous l’effet de la chaleur. Selon les conditions opératoires de température, pression, concentrations en agents oxydants, humidité, la matière organique dégradée par la chaleur produit différents composés solides, liquides ou gazeux.

Les principaux procédés de thermo-chimie sont :
• la combustion en excès d’oxygène, processus connu et ancien, qui produit directement de la chaleur par oxydation complète de la biomasse. Des gaz incombustibles et des cendres sont formés. La chaleur dégagée peut éventuellement être convertie en électricité dans des installations de cogénération.
La cogénération consiste à produire, en même temps et dans la même installation, de l’énergie thermique et de l’énergie mécanique. L’énergie thermique est utilisée pour le chauffage et la production d’eau chaude à l’aide d’un échangeur tandis que l’énergie mécanique est transformée en énergie électrique grâce à un alternateur. Cette électricité peut ensuite être revendue à Electricité de France ou consommée par l’installation.

• la pyrolyse qui décompose la matière organique sous l’effet de la chaleur mais en absence d’agents oxydants. Trois phases sont récupérées à l’issue de ce procédé : une fraction gazeuse non condensable, une fraction liquide appelée jus pyroligneux (goudrons, alcools et acides) et une fraction solide (charbon). Selon les conditions opératoires, les proportions de ces fractions varient.

• la gazéification est une oxydation sous pression (air, O₂, vapeur d’eau, CO₂) qui produit des gaz combustibles (CO, H₂) et des cendres. Pour favoriser les réactions entrant en jeu, il faut généralement amorcer le procédé par une pyrolyse et des oxydation homogène et hétérogène pour fabriquer du charbon et les réactants nécessaires (CO₂ et H₂O). Le pouvoir calorifique du gaz de synthèse obtenu varie entre 3,5 et 6 MJ.Nm³. Plusieurs technologies existent pour gazéifier la biomasse et sont soit de type procédés à lit fixe (contre-courant,, co-courant), soit procédés à lits fluidisés (dense, circulant, sous pression, entraîné).

• la liquéfaction qui produit une bio-huile lourde riche en oxygène et en eau, ce qui réduit leur pouvoir calorifique à moins de la moitié de celui du pétrole. Toutefois, les bio-huiles possèdent une faible viscosité et brûlent sans difficulté dans des chaudières, des fours, des turbines et des moteurs diesels. La liquéfaction directe est un procédé lent effectué à pression élevée et température modérée. On utilise un catalyseur et souvent un désoxygénant afin de produire une bio-huile lourde et épaisse qui aura alors une faible teneur en eau et en oxygène. On l’appelle aussi pyrolyse rapide ou pyrolyse flash.

La conversion biologique a recours à une action microbienne et enzymatique pour dégrader la biomasse.
Ainsi, la digestion anaérobie, ou encore méthanisation, est la transformation de la biomasse en biogaz (méthane et dioxyde de carbone) par une communauté microbienne complexe naturelle présente dans les déchets organiques. Ces bactéries réagissent selon trois étapes : l’hydrolyse des macro-molécules, l’acido-génèse et la méthanogénèse. Une tonne de biomasse produit typiquement 4,2 GJ, soit 0, 2 tonne équivalent pétrole. Le résidu, appelé digestat, est valorisé en agriculture en tant que composts.
La fermentation alcoolique des hydrates de carbone (sucres, amidon) par des levures contenues dans la biomasse produit du bio-alcool (utilisé pur ou en mélange dans les essences) et du gaz carbonique.

La conversion chimique repose sur une estérification d’huiles végétales (tournesol, colza) avec le méthanol pour former un ester méthylique d’huile végétale (EMHV) qui entre dans la composition du diester ou biodiesel.