본 발명은 바이오연료 생산시스템 및 이를 이용한 바이오연료 생산방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응조에서 혐기발효되어 발생된 수소와 이산화탄소를 가스 분리막을 이용하여 분리하고, 혐기발효액 및 분리된 이산화탄소는 조류의 배양에 사용되며, 생성된 조류 바이오매스를 다시 반응조로 이송하여 수소 생산을 위한 기질로 활용하고, 동시에 부산물인 유기산을 수득하는 바이오연료 생산시스템 및 이를 이용한 바이오연료 생산방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 바이오연료 생산시스템은 수소 생성균을 포함하는 유기폐수, 조류 바이오매스 및 이들의 조합 중 어느 하나로 선택되는 기질과 미생물 군집체 형성물을 혼합하여 혐기발효액을 형성하고, 수소와 이산화탄소를 발생시키는 반응조(100);와 상기 반응조 내부에서 발생된 수소와 이산화탄소를 분리하는 가스 분리막(200);과 상기 가스 분리막에서 분리된 이산화탄소와 상기 반응조로부터 혐기발효액을 유입받아 조류를 배양하여 조류 바이오매스를 생성하는 조류 배양부(300);와 상기 혐기발효액에 포함된 유기산을 분리하기 위한 유기산 분리조(400);와 상기 조류 배양부에서 생성된 조류 바이오매스를 상기 반응조로 이송하기 위한 조류 바이오매스 이송부(500);를 포함한다.