Em infecções bacterianas, a rapidez no resultado e acurácia do teste diagnóstico é imprescindível para o tratamento direcionado da doença. O tempo sem tratamento agrava a infecção e o uso inadequado de antibióticos pode acarretar o desenvolvimento de bactérias multirresistentes. Um sistema otimizado de análise microbiológica pode garantir menores custos de funcionamento, além de elevado nível de serviço. Este trabalho apresenta um modelo matemático de localização de instalações para criação de uma rede de diagnóstico microbiológico formada a partir de estratégias de identificação bacteriana e/ou da presença de resistência antimicrobiana em populações com suspeita de infecção sanguínea. São objetivos do modelo de programação inteira mista: minimizar custos logísticos da rede, diminuir tempos de coletas e transporte de amostras assim como maximizar o benefício decorrente de um diagnóstico rápido e eficiente. O modelo proposto foi aplicado a dados reais de demanda de procedimentos microbiológicos do Estado de São Paulo. Dentre as tecnologias elegíveis, a solução ótima sugere a instalação de 12 laboratórios centralizados para o atendimento de testes. O tempo total médio de diagnóstico, desconsiderando os tempos de cultura, é de 10,3 horas. A estimativa de economia anual com medicamentos representa 98.498.965,70 de reais do valor orçamentário dedicado a aquisição de medicamentos. Comparados a uma rede de diagnóstico descentralizada, os resultados apontam redução média de tempo de identificação microbiana e economia 48 por cento maior. As análises também evidenciam o impacto do custo de tratamento sobre os tempos de diagnóstico. Os resultados indicam a eficácia do modelo como ferramenta de suporte à tomada de decisão e auxílio a instituições provedoras de saúde podendo ser aplicado a outras regiões administrativas e em diferentes níveis de formação de rede.