La gestión de residuos es un tema de suma importancia que resalta la urgencia de desarrollar e implementar tecnologías y prácticas innovadoras para promover la sostenibilidad y protección del ambiente. En Panamá, las vinazas de caña de azúcar representan un desafío ambiental significativo ya que se producen en gran cantidad y tienen características recalcitrantes tales como su color oscuro y elevada carga orgánica. Por su parte, el bagazo es un residuo sólido con potencial de aprovechamiento que no ha sido suficientemente estudiado en nuestro país. En este contexto, el presente trabajo tuvo como objetivo evaluar la decoloración de vinazas mediante la aplicación de un tratamiento combinado con el hongo lignolítico Trametes villosa y biosorción con bagazo de caña. El biotratamiento combinado produjo un porcentaje de decoloración de la vinaza de 93.1%. El proceso de biosorción no produjo cambios estructurales ni morfológicos en el bagazo de caña, por lo cual se deduce que la interacción entre el bagazo y los componentes que confieren color a la vinaza fue un proceso físico. Las herramientas quimiométricas aplicadas permitieron la optimización de los factores involucrados en los procesos de biotratamiento y biosorción lo cual proporciona datos de línea base para el diseño de estrategias para mitigar el impacto ambiental de las vinazas de caña de azúcar. Los resultados obtenidos contribuyen con la base científico-técnica del país ya que se aporta conocimiento para el manejo de dos residuos producidos por la misma actividad económica.