A cana-de-açúcar contribui para a sustentabilidade da matriz energética do Brasil, fornecendo bioetanol (1G) que descarboniza o setor de transportes e eletricidade. A indústria vem incorporando ainda a digestão anaeróbia de resíduos, a exploração energética da palha, e o uso bagaço para a produção de etanol lignocelulósico (2G). Por outro lado, microalgas são uma forma de biomassa subexplorada a nível industrial, devido a necessidades de dispêndios energéticos para concentrá-las e processá-las em biocombustíveis. Assim, este trabalho simula a integração da produção de etanol 1G2G de cana à de biodiesel de microalgas, através do CO2 biogênico da fermentação e do gás de exaustão da queima do bagaço, biogás e palha. Dentro do objetivo de se realizar a avaliação 4E (energética, exergética, econômica e ambiental) de três configurações de biorefinaria, os processos foram simulados pelo Aspen Hysys v8.8, de modo a caracterizar as escalas de produção e se determinar indicadores da performance global. Os efeitos e relevância estatística de variáveis sobre estas respostas foram avaliados em um planejamento de experimentos, permitindo a elaboração de modelos e identificação das condições relevantes por otimização de superfícies. Como destaque, a integração proposta é capaz de manter a autossuficiência energética do setor, produzindo produtos com baixa intensidade de carbono (15,75 g CO2eq/MJ). No nível arrojado, atingiu-se uma escala de 55 L biodiesel/t cana e de 60,2 MWh/t cana de excedente elétrico. Em uma análise multicritério por desejabilidade global, a biorefinaria maximiza sua performance quando se negligencia a produção de etanol 2G e tem-se microalgas com teor de lipídeos maior que 30 por cento m/m. Por fim, o projeto apresenta taxas internas de retorno maiores que 12 por cento, e probabilidade de sucesso (VPL maior que 0) superiores a 60 por cento, segundo simulações de Monte Carlo. De todo modo, faz necessário P(e)D para vencer barreiras tecnológicas inerentes ao cultivo de microalgas ricas em óleo e com elevadas produtividades, de modo a contribuir com a descarbonização do setor de transporte no Brasil.