Life cycle assessment of Italian dairy cheese chain

Dairy sector is growing fast, contributing to important share of global and national economic sector and bringing nutrient components into human diets. However, dairy sector is one of the main contributors to environmental impacts arising from food sector. Cheese sector is strategic to Italian dairy sector and economy, exporting high quality and Protected Designation of Origin (PDO) cheese to international countries. There is urgent need to increase the sustainability of dairy sector, considering the whole dairy chain perspective. The aim of this Ph.D. Project was to assess the environmental impacts associated to the Italian dairy cheese chain. The Project has been conducted in Veneto Region (northeast Italy). Life Cycle Assessment (LCA) methodology have been applied to assess the impacts producing raw milk at farm gate (Manuscript I), Asiago PDO cheese from cradle to dairy plant gate (Manuscript II) and Mozzarella from cradle to grave (Manuscript III). In the Project, the primary data have been collected through direct interview to dairy farmers and visits to each dairy farm, and direct interview and visits to Asiago and Mozzarella cheese plants. Primary data collection regarded 34 dairy farms and an Asiago and Mozzarella cheese dairy plants. Ecoinvent® v3 and Agrifoodprint® v1 databases have been use for secondary data, while data from literature and national inventories have been use to model the post plant phases (distribution, retail, consumption and disposal) in the Manuscript III. Simapro© 8 was the modelling software. The impacts estimated affect human health, ecosystem and resources use. Manuscript I and Manuscript II represent the LCA of Asiago PDO cheese production. Indeed, the 34 dairy farms analyzed are located in the adjacent area of the Asiago plant, creating a unique narrow chain for producing Asiago PDO cheese which is manufactured by the PDO guidelines. In the Manuscript I, the functional unit was one kg of milk, and it was the first LCA on milk production in Veneto Region. The production of purchased feed and on-farm feed (which require land, water, chemical fertilizers and manure, machinery use) and animal emissions (enteric methane, and nitrogen emissions from manure management) were main hotspots for overall impact categories, such as climate change, acidification, eutrophication, water and land use, and energy usage. Minor contribution to final impacts originated from electricity, fuels and detergents use, and waste produced during farm activities (such milking, cleaning). Different allocation approaches were tested beside the biological default allocation, and all approaches modified the final results per kg of milk. The results were similar to those reported in literature. In the Manuscript II, the LCA model represents the production chain to produce one kg of Asiago PDO cheese, ready to sell, at dairy plant gate. The raw milk production represented the main contributor to all impact categories, except for ozone depletion where the cheese-making process was the first driver. Excluding farm phase from the assessment the manufacturing operations resulted the hotspots for overall impacts, except for eutrophication and water depletion mainly caused by wastewater treatment, and land occupation which was occurred due to primary and secondary paper packaging. The main contributor inside the cheese plant were electricity and natural gas usage, and process water, moreover transport of raw milk from farm to cheese plant impacted toxicity and photochemical oxidant formation. Economic allocation was applied and compared to milk solids content allocation, which reduced the final emissions per kg of Asiago than economic allocation. In fact, the milk solids allocation assigned more impact to the co-products (whey and other cheese) than economic allocation. Uncertainty analysis and sensitivity analysis of aging period were included into the study. In the Manuscript III the LCA methodology has been applied to an high industrialized mozzarella plant, the Italian third largest mozzarella plant. The LCA was performed in a cradle to grave perspective, including the post manufacturing phases, as distribution, retail, consumption and end of life phases. The plant used Italian and foreign milk, and distribute the mozzarella to Italy and international countries. The functional unit was one kg of mozzarella consumed. Result confirmed that raw milk production was the main contributor to overall impacts categories, except for ozone depletion where refrigerant used for cooling along the post farm chain were the main hotspot. Manufacturing and packaging were the second most important contributors to final impacts, followed by disposal of wastewater, while minor impacts were associated to distribution, retail and consumption; although relevant contribution was transport of milk and mozzarella, considering the international origin and delivery of the products. Electricity and natural gas usage, together with cardboard packaging for delivery drove the impacts during mozzarella-making process. While the impact arising from post plant phase were mainly determine by energy usage. The normalized results showed ecotoxicity, acidification, eutrophication and climate change as the main impact category contributing to the European impact and these categories are the first scope to apply strategies for reduction. A sensitivity analysis was performed to test different allocation approaches and to analyzed how the final results are influenced by allocation method; finally, a sensitivity analysis was performed determining the difference of impacts among the tradition high moisture mozzarella and the low moisture mozzarella. This analysis highlighted, excluding the difference derived from farm phase, transport is the main cause of larger impact for low moisture mozzarella, because foreign raw milk is generally used for this type of production, and the cooking in oven in the consumption phase, because low moisture mozzarella is largely used as pizza topping, in fact a cooking in an electric oven was assumed.

Il settore lattiero-caseario è in crescita, contribuendo in maniera importante al settore economico mondiale, inoltre è un settore che apporta fondamentali nutrienti nella dieta umana. Tuttavia, il medesimo settore è uno dei principali comparti che determinano l’impatto ambientale associato al settore alimentare. Il settore della produzione di formaggi è un ambito strategico del comparto lattiero caseario italiano e per l’economia italiana, che vanta esportazione di formaggi di alta qualità e formaggi DOP verso numerosi paesi internazionali. C’è un urgente bisogno di aumentare la sostenibilità del settore lattiero caseario, considerando questa necessità in una prospettiva “dalla culla alla tomba”, ossia dalla produzione delle materie prime per la produzione di prodotti lattiero caseari, al loro consumo, ed infine allo smaltimento dei rifiuti associati al loro ciclo di vita. Lo scopo generale del progetto di dottorato di ricerca è stato quello di valutare gli impatti ambientali derivanti dal settore lattiero caseario italiano con particolare riferimento alla Regione Veneto. L’analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA) è stata la metodologia utilizzata per valutare gli impatti ambientali associati alla produzione di latte “dalla culla al cancello della azienda” (Manoscritto I), del formaggio Asiago DOP in una prospettiva “dalla culla alla cancello del caseificio” (Manoscritto II) e della mozzarella in una prospettiva “dalla culla alla tomba” (Manoscritto III). I dati primari del progetto sono stati raccolti tramite interviste agli allevatori delle 34 aziende agricole coinvolte nel progetto, e ai responsabili del caseificio produttore di Asiago e dello stabilimento di produzione della mozzarella. Ecoinvent® v3 and Agrifoodprint® v1 database sono stati usati come fonte di dati secondari usati nel progetto. Dati da letteratura scientifica e report nazionali sono stati utilizzati per modellare le fasi post-stabilimento (distribuzione, consumo e smaltimento) nel Manoscritto III. Simapro© 8 è stato il software utilizzato per stimare gli impatti ambientali nei tre Manoscritti. Gli impatti stimati hanno riguardato la sfera della salute umana, l’ecosistema e utilizzo di risorse. Manoscritto I e Manoscritto II presentano lo studio LCA per il formaggio Asiago DOP. Infatti le 34 stalle da latte analizzate sono localizzare nel territorio regionale, creando una unica filiera produttiva, come richiesto dal disciplinare di produzione del formaggio Asiago DOP. Nel Manoscritto I, l’unità funzionale è stata un kg di latte prodotto. In particolare, il Manoscritto I rappresenta il primo studio LCA relativo alla produzione di latte bovino nella Regione del Veneto. La produzione di mangimi extra-aziendali e la produzione dei mangimi aziendali (i quali richiedono terra, acqua, fertilizzanti e reflui zootecnici, e macchinari) e le emissioni riconducibili ai bovini (metano enterico, e emissioni di ossido di diazoto dai reflui) sono stati i principali driver per la totalità degli impatti stimati, tra cui cambiamento climatici, acidificazione, eutrofizzazione, utilizzo di acqua, suolo ed energia. Un minore contributo agli impatti stimati è associato all’utilizzo di elettricità, carburanti e detergenti, e ai rifiuti prodotti durante le attività svolte in stalla (es. mungitura e pulizie). Sono stati testati differenti metodi allocativi alternativi al metodo base, il quale era l’allocazione biologica tra latte e peso vivo prodotto in stalla. Diversi metodi allocativi hanno portato a diverse emissioni per unità funzionale come riscontrato in letteratura. Il Manoscritto II ha presentato LCA della filiera produttiva del formaggio Asiago DOP, e come unità funzionale aveva un kg di Asiago al cancello del caseificio, dopo la fase di stagionatura. La produzione di latte bovino in stalla è il driver principale per gli impatti stimati ad eccezione del depauperamento dello strato di ozono del quale il processo di caseificazione era il principale driver. Escludendo la fase di produzione del latte bovino, l’analisi LCA ha dimostrato come le fasi di caseificazione siano quelle maggiormente impattanti, ad esclusione di eutrofizzazione e utilizzo di acqua per le quali il maggiore responsabile è rappresentato dai processi di trattamento delle acque reflue ottenute durante i processi di caseificazione, ed infine l’occupazione di suolo, il quale è stato primariamente determinato dalla produzione del packaging cartaceo primario e secondario. I principali driver durante le fasi di caseificazione del formaggio sono risultati l’utilizzo di elettricità e gas naturale, e l’acqua utilizzata durante la caseificazione (principalmente in fasi di pulizia), inoltre il trasporto del latte dalla stalla al caseificio ha contributo agli impatti di tossicità e formazione di ossidi fotochimici. E’ stata comparata l’ allocazione economica e l’allocazione basata sul contenuto di solidi del latte presenti nel formaggio Asiago e nei coprodotti (altri formaggi prodotti in caseificio e siero liquido), ed è stato evidenziato che l’allocazione basata sul contenuto di solidi del latte ha determinato delle minori emissioni per kg di formaggio Asiago rispetto alla allocazione economica. Infatti, l’allocazione basata sul contenuto di solidi del latte assegna una maggior percentuale di impatti ai due coprodotti presenti. Infine è stata svolta l’analisi di incertezza dei risultati ottenuti, e analisi di sensitività basata sulla durata del processo di stagionatura. Il Manoscritto III a differenza del Manoscritto II ha applicato la metodologia LCA in un stabilimento altamente industrializzato per la produzione di mozzarella (terzo produttore di mozzarella a livello italiano). LCA è stato realizzato in una prospettiva “dalla culla alla tomba”, considerando le fasi post-stabilimento, quali distribuzione presso la GDO e i piccoli rivenditori, fase di consumo e il fine vita. Lo stabilimento produttivo usava sia latte bovino italiano che estero, e la mozzarella prodotta veniva distribuita sia sul mercato nazionale che internazionale. L’unità funzionale dello studio era un kg di mozzarella consumata. Il risultato dello studio ha confermato come la produzione di latte in stalla rappresenti il principale driver per la maggioranza degli impatti stimati, con eccezione del depauperamento dello strato di ozono, per il quale i gas refrigeranti utilizzati per la refrigerazione e lo stoccaggio dei prodotti nelle fasi di produzione e in quelle post-stabilimento produttivo erano i principali drivers. Le fasi di produzione in stabilimento e il packaging sono risultate essere secondi principali drivers per gli impatti finali, seguiti da trattamento e smaltimento delle acque reflue, mentre i minori impatti sono stati identificati per le fasi di distribuzione e consumo della mozzarella. I risultati ottenuti sono stati normalizzati e hanno mostrato nella eco-tossicità, acidificazione, eutrofizzazione e cambiamenti climatici le principali categorie di impatto; per queste categorie di impatto dovrebbero essere focalizzate primariamente le strategie per la riduzione delle emissioni. L’analisi di sensitività condotta nello studio ha evidenziato come il metodo allocativo influenzi i risultati finali. Inoltre un’analisi di sensitività è stata eseguita per differenziare le due principali tipologie di mozzarella nel mercato italiano ed anche internazionale: bocconcino di mozzarella (alto contenuto di umidità) e mozzarella da pizza (basso contenuto di umidità). La comparazione ha evidenziato che, una volta non considerata la differenza derivante dalla fase di stalla la quale contiene anche la maggior variabilità, il trasporto del latte in stabilimento rappresenta la causa principale del maggiore impatto per la mozzarella da pizza, infatti a livello italiano, come nello stabilimento analizzato, la mozzarella da pizza è prodotta utilizzando primariamente latte di origine estera, richiedendo una maggiore distanza di trasporto, con conseguente aumento della emissioni. Infine, un’altra rilevante parte degli impatti è stata associata alla cagliata acquistata da stabilimenti italiani e esteri ed utilizzata per la produzione di mozzarella da pizza. Infatti, tale semilavorato prima di essere trasformato in mozzarella, è stato a sua volta prodotta in stabilimenti appositivi, richiedendo vari input quali energia, materiali e packaging, ed infine trasportata nello stabilimento di produzione della mozzarella.