RESUMOO biodiesel representa uma alternativa essencial para atender à crescente demanda energética da sociedade moderna de forma sustentável. Os objetivos do presente estudo foram otimizar a síntese do biodiesel a partir do óleo residual de fritura em banho ultrassônico, determinar o custo de produção do biodiesel e caracterizar o produto obtido a partir dos parâmetros estabelecidos pela Agência Nacional do Petróleo, Gás Natural e Biocombustíveis (ANP). A matéria-prima utilizada foi o óleo residual de fritura, coletado no campus II da Universidade Federal do Triângulo Mineiro. As rotas foram definidas pelo Planejamento Composto Central (PCC), que otimizou as variáveis; massa de hidróxido de sódio, tempo de reação e as massas de etanol e metanol. Posteriormente, as amostras foram caracterizadas, analisando os parâmetros; massa específica, ponto de congelamento, índice de peróxido e índice de insaturação. As análises do biodiesel otimizado (rendimento superior a 90%) ficaram dentro dos limites estabelecidos pela ANP. Os custos de produção do litro de biodiesel nas rotas metílica e etílica foram R$ 2,124 e R$ 2,453, respectivamente. O maior tempo de processo para a rota etílica (35%) que elevou o custo de produção (13,41%) do biodiesel nessa rota. A síntese de biodiesel otimizada a partir de óleo residual de fritura, em banho ultrassônico, constitui-se como um processo sustentável e economicamente viável para a produção em larga escala. Essa metodologia favorece a ampliação do uso de biodiesel (energia verde com menor custo de produção) como uma alternativa aos combustíveis à base de petróleo (óleo diesel). PALAVRAS-CHAVE: biocombustível,otimização, ultrassom.