A integração entre o tratamento sustentável de resíduos e a geração de energia renovável surge como uma estratégia promissora para os setores energético e ambiental. A co-digestão anaeróbia de resíduos agroindustriais, especialmente da cana-de-açúcar e da pecuária, tem se destacado como uma alternativa eficiente para a produção de biogás, alinhada à ampla disponibilidade desses recursos no Brasil. Este estudo investigou a co-digestão de vinhaça (V), estrume bovino (CM) e água sanguínea (BW), com o objetivo de otimizar a produção de biogás em uma biorrefinaria de cana-de-açúcar integrada à produção pecuária. Além disso, foram avaliadas soluções tecnológicas e estratégias para o aproveitamento eficiente desses resíduos. O projeto foi desenvolvido em três etapas: (1) avaliação preliminar de diferentes co-substratos por meio de ensaios de potencial bioquímico de metano (BMP); (2) operação do reator anaeróbio de leito estruturado (AnSTBR) para obtenção de parâmetros operacionais; e (3) operação do reator semi-contínuo de mistura (s-CSTR). Os ensaios BMP indicaram que a mono-digestão da vinhaça atingiu 49,67 NmL CH₄ g⁻¹VS, enquanto o estrume bovino alcançou 119,93 NmL CH₄ g⁻¹VS. A co-digestão V-67%+BW-33% obteve o maior BMP (369,47 NmL CH₄ g⁻¹VS), porém com menor eficiência energética devido à baixa concentração de matéria orgânica da mistura. O AnSTBR, alimentado com uma mistura líquida entre vinhaça e dejeto bovino (filtrado), em uma razão 5:1 (v/m), demonstrou robustez operacional frente ao aumento gradual da carga orgânica volumétrica (COV) de 3,5 a 18 kg COD m⁻³ d⁻¹ e menor utilização de compostos alcalinizantes, atingindo rendimento de metano de 297,5 ± 60,2 NmL CH₄ g⁻¹ COD removido e produção volumétrica de metano de 4.103,5 ± 816,9 NmL CH₄ L⁻¹ d⁻¹. O aumento da carga orgânica volumétrica elevou a produção de metano sem comprometer a estabilidade do sistema. O experimento com o s-CSTR demonstrou que a co-digestão de vinhaça e dejeto bovino (in natura) resultou nas fases mais estáveis do processo, otimizando a produção de metano. As maiores produções volumétricas de metano foram obtidas com misturas de V e CM (5:1 – v/m) e (1:1 – v/m), sob as COVs de 1,7 kg VS m⁻³ d⁻¹ e 4,1 kg VS m⁻³ d⁻¹, respectivamente. Nessas condições, foram alcançados valores de 3.981 ± 1.207 NmL CH₄ d⁻¹ L⁻¹ e 5.269 ± 637 NmL CH₄ d⁻¹ L⁻¹. Durante a entressafra, a operação com BW e CM (1:2 – v/m), sob uma COV de 3,5 kg VS m⁻³ d⁻¹, permitiu a continuidade da produção de biogás, com uma produção volumétrica de 3.008 ± 1.713 NmL CH₄ d⁻¹ L⁻¹. De forma geral, os resultados indicam que a co-digestão anaeróbia de vinhaça, esterco bovino e água sanguínea possui potencial relevante para a produção de metano. A integração desses substratos contribui não apenas para a estabilidade operacional do processo, mas também para sua continuidade ao longo do ano. Ademais, a valorização conjunta de fluxos residuais em sistemas de biodigestão configura-se como uma estratégia promissora tanto para a descarbonização da matriz energética quanto para a gestão eficiente de resíduos.