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Flotação - Clarificação
Introdução:
Desde que Williamson criou o sistema que combinava fosfatação e flotação em 1919, chamado “Fosflotação” por Saranin, alguns avanços aconteceram e novos processos de flotação - clarificação foram desenvolvidos pela indústria açucareira. Estes processos melhoraram a qualidade do açúcar produzido e em alguns casos aumentaram a capacidade da fábrica. Um importante avanço foi a aplicação intensiva de floculante poliacrilamida que mostrou se altamente eficiente, incrementando a velocidade de flotação e a estabilidade dos processos de separação. Também obtiveram-se melhoras significativas mediante a utilização do surfactante catiônico especial chamado “Talofloc” ou cloreto de dioctadecyl dimethil amônio, o qual se combina com os corantes de cargas negativas (a maioria dos corantes) e com outras impurezas aniônicas, precipitando logo todos juntos. Por estes motivos a eficiência na remoção dos corantes e na clarificação aumentou a níveis elevados. Porém estes insumos químicos ainda são de alto custo para algumas fábricas, especialmente quando o preço internacional do açúcar esta baixo. Na China a maioria das fábricas de açúcar produzem açúcar branco (white sugar) usando processos de dupla carbonatação ou dupla sulfitação. Após a safra algumas delas tornam-se refinarias e produzem açúcar branco (white sugar) a partir de açúcar demerara. Desde os anos 70, o autor e seus colegas fizeram pesquisas intensas dos processos de flotação - clarificação e fosflotação. Baseados nestas pesquisas, um novo sistema de elevada eficiência e baixo custo foi desenvolvido e posto em prática em várias fábricas da província de Guangdong, na China. Este processo permite combinar fosflotação com carbonatação ou com sulfitação removendo todos os precipitados do licor por flotação. Comparando-o com o sistema de fosflotação simples que remove perto de 30 % da cor, este novo sistema remove de 50 a 70 %, dependendo das combinações adotadas e das condições de trabalho do processo, as quais tem flexibilidade suficiente para serem modificadas em função da qualidade do açúcar demerara processado e os níveis de eficiência da clarificação desejados. Há um problema específico neste novo sistema devido ao fato de que os precipitados de CaSO 3 e CaCO 3 que são mais pesados e difíceis de flotar que os
precipitados de fosfato, e como a quantidade destes precipitados é muito maior que a formada no processo de fosfatação, fica bastante difícil fazer uma rápida e firme flotação
do precipitado formado. Para resolver este problema, foram projetados pelo autor alguns novos equipamentos para aeramento do licor que permitem obter melhor floculação e flotação. Com estes equipamentos consegue-se resultados satisfatórios e um processo capaz de ser operado sem problemas. No começo da utilização do processo de fosflotação para clarificação de caldas de açúcar demerara, nossas fábricas não utilizavam SO 2.
Porém foi provado na prática que a qualidade do açúcar produzido pode ser
melhorada pela adição de pequenas quantias de SO 2 dentro da calda (licor) clarificada após fosflotação e o efeito é até maior quando o SO 2 é adicionado antes da fosflotação. No caso do último método, o CaSO 3 precipitado na calda pode ser removido junto ao fosfato de cálcio por flotação, e ambos funcionam como descolorantes: SO (^2) (Desco-loração baseada principalmente em reações químicas) e CaSO 3 ( Descoloração baseada principalmente na adsorção). Com este método pode se obter uma alta descolorizacão da ordem de 50 a 65 %, dependendo do nível de SO 2 adicionado.
O fluxograma deste processo combinado é mostrado a seguir:
Fluxograma 1
As principais condições de operação são as seguintes:
Calda ( Licor) 61 a 63º Bx, 60 a 65º C pH do pré-caleado 8,2 a 8, Dosagem de SO 2 0,4 a 1,4 g/l
e meladas, não houve amarelamento ou escurecimento do açúcar. Neste processo a sulfitação do caldo e do xarope são necessárias. De acordo com nossa experiência, após um longo período de tempo, cada um dos processos, sulfitação e fosfatação, tem sua própria função na remoção dos corantes e das impurezas. Eles se complementam, porém nenhum deles pode substituir totalmente o outro. Isto aplica-se tanto a clarificação do caldo, como a clarificação de xarope. A efetividade da fosfatação foi estudada detalhadamente por muitos pesquisadores. É aceita comumente na indústria açucareira. Porém no referente a sulfitação existem diferentes pontos de vista: Em 1984 baseado numa série de pesquisas SHORE diz: “ O SO 2 é inibidor das reações formadoras de cor que acontecem durante a
estocagem do açúcar, assim também como durante os estágios do processo produtivo” e “ O principal papel do SO 2 utilizado na industria açucareira é inibir as reações não
enzimáticas de amarelamento” (browning reactions). Também disse “ O SO 2 inibe a formação de cor devido as reações enzimáticas”. Estas conclusões também são confirmadas pela nossa experiência. Vale a pena mencionar o fato de que na maioria das usinas da província de Guangdong a sulfitação do caldo e do xarope são empregadas utilizando-se reatores tubulares que trabalham sob regime de ligeiro vácuo proporcionado pela injeção do caldo e/ou xarope. Este equipamento é de construção simples e atinge uma elevada eficiência de absorção, superior a 92 %, durante um período de retenção curto, de poucos minutos.
Combinação de Fosflotação e Carbonatação
O processo de carbonatação é bem conhecido por ser mais eficiente que a sulfitação na remoção de corantes e outras impurezas. De qualquer maneira requer altos investimentos e gera grandes quantidades de lodo residual alcalino. O despejo destes efluentes começa a aumentar os problemas de poluição. Usar as vantagens da carbonatação evitando seus pontos negativos, é um logro do novo sistema que opera com baixos níveis de carbonatação e fosflotação. Foi desenvolvido em Guangdong e posto em marcha com resultados satisfatórios. Este processo engloba dois passos, de tratamento e flotação como observamos a seguir : Fluxograma Nº 2
As condições operacionais principais são:
1 - Calda Fundida 61 a 63º Bx / 60 a 65º C 2- Caleagem 0,4 a 0,5 % CaO
Este sistema compreende duas etapas de flotação, e a primeira etapa necessita
mais floculante e bolhas de ar para flotar maior quantidade de precipitado. Para atender as duas etapas de tratamento foi projetado um novo clarificador do tipo raso (Baixa altura) de dupla camada. O tempo de retenção de cada camada é de 14 a 18 minutos, dependendo da quantia de licor a ser tratada. Usualmente uma floculação completa e de boa qualidade pode ser obtida em ambos passos do processo. Quando tudo corre normalmente sobre condições normais, ambos os clarificados são transparentes. Porém se as condições de trabalho da carbonatação são instáveis ou não adequadas, o primeiro estágio de clarificação piora e o caldo clarificado primário torna-se turvo. De qualquer modo o resíduo suspenso pode ser removido na flotação secundária, que trabalha em condições mais favoráveis, com menor quantidade de precipitados constituídos principalmente por fosfato de cálcio, mais fácil para flocular e flotar. Desta maneira o produto final é claro e brilhante. Aparentemente este processo pode ainda ser mais simplificado até um passo só de flotação, pela pré-aplicação de ácido fosfórico, controlando o pH ao redor de 8 e operando com o sistema automatizado para manter temperatura, pH e dosagem de produtos químicos sempre disponíveis e estáveis. Concluindo, este sistema pode ser mais econômico e benéfico que os outros sistemas atualmente em uso.
Este artigo foi extraído do Int. Sugar Journal Vol. 91. Nº 1088 de 1989
O Mecanismo Principal da Aeração e Flotação
O processo moderno de flotação é uma tecnologia de elevada eficiência para
separação de partículas sólidas contidas dentro de um líquido pela adição de bolhas de ar e floculantes. Comparado aos métodos tradicionais de sedimentação, os quais são ainda largamente utilizados na indústria açucareira e outras áreas, a flotação apresenta velocidades muito maiores de separação com equipamentos de volumes menores. A
maioria das partículas sólidas dos caldos de cana sedimentam a baixa velocidade , por este motivo as usinas tem instalados decantadores que ocupam grandes volumes. Uma das principais vantagens obtidas pela indústria açucareira com o incremento da velocidade de separação, consiste na diminuição dos tempos de retenção e consequentemente a redução das perdas por inversão. A flotação funciona segundo o princípio da formação de aglomerados de baixa densidade constituídos por partículas e bolhas que flutuam com maior ou menor facilidade em função da densidade obtida. Fica evidente então que o fator mais importante do processo consiste em ligar firmemente todas as partículas sólidas as bolhas de ar. Esta união depende de vários fatores físico-químicos e de parâmetros hidrodinâmicos. Pelas propriedades físico-químicas de suas superfícies, as partículas sólidas podem ser classificadas como hidrofóbicas ou hidrófilas. As partículas com superfícies de características hidrofóbicas repelem a água e tem tendência para aderir-se as bolhas de ar e subir espontaneamente com elas. Por outra parte as partículas com características hidrofílicas, cujas superfícies tem afinidade pela água, não aderem rapidamente as bolhas de ar e são mais problemáticas para flutuar. Como assinalou Gochin: “Quase todos os sólidos naturais dos caldos e as partículas inorgânicas precipitadas quimicamente possuem superfícies com forte afinidade pela água, são hidrofílicas, e portanto não flutuam”. Isto também se aplica tanto ao xarope como as caldas açucaradas: A maior parte do material insolúvel está constituída por coágulos de colóides orgânicos hidrófilos e sais de cálcio dotados de superfícies tipicamente hidrófilas. A experiência mostra o quanto é difícil fazer estas partículas flotarem. Atentando para estas dificuldades e para a necessidade de compreender os mecanismos da flotação, uma série de pesquisas e estudos foram conduzidos pelo autor. O primeiro passo consiste em descobrir as propriedades do fosfato de cálcio, principal constituinte químico do processo de flotação. Um teste foi realizado da seguinte maneira: Soluções de fosfato de sódio e cloreto de cálcio foram diluídas convenientemente nas concentrações de 300 ppm de P (^) 2O 5 e 400
ppm de CaO. O fosfato de cálcio foi precipitado na forma de muitas partículas minúsculas, e decantadas lentamente. Seguidamente o líquido foi aerado pela adição de água previamente gaseificada com ar. A água aerada foi dosada com ar comprimido a uma pressão de 6 Kg/cm^2 e mantida durante 3 minutos a esta pressão para permitir a
dissolução do ar na água. Esta água gaseificada, ou água com ar dissolvido, libera uma grande quantidade de bolhas microscópicas de ar ao ser despressurizada, devido ao fato de que a solubilidade do ar na água diminui quando diminui a pressão. Quando esta água com ar dissolvido foi misturada a solução contendo partículas de fosfato como descrito no teste antes mencionado, não houve aderência das partículas sólidas as bolhas, nem mesmo apesar de ter sido liberada uma grande quantidade de bolhas microscópicas. Nenhuma das partículas flotou e todas continuaram assentando gradualmente. Isto demonstra que o precipitado de fosfato tem superfície hidrofílica. Testes posteriores mostraram que, se alguns agentes surfactantes são adicionados ao líquido, antes da aeração, as bolhas de ar se juntam as partículas sólidas produzindo a flotação de ambas.
d1 = Densidade do corpo d 2 = Densidade do líquido
A resistência que se opõe a um corpo em movimento, F 2 , é dada por:
Cd 2 * AV^2 F 2 = (2) 2g
Onde: C = Coeficiente de resistência ao movimento do corpo A = Área da seção do corpo V = Velocidade de ascensão do corpo g = Força da gravidade
O coeficiente de resistência ( C ) varia em função de alguns outros fatores. Nas
condições do teste podemos expressá-lo como:
24 C = (3) Re
Onde: Re = Número de Reynolds
A velocidade de ascensão de uma bolha de ar em um líquido depende do seu tamanho e das propriedades do líquido, e pode ser calculada segundo a fórmula antes exposta e segundo os parâmetros relativos. Algumas curvas da velocidade das de ar bolhas de vários diâmetros em água e soluções a 60º Bx e várias temperaturas são mostradas na Fig. 1. Estes dados coincidem com os dados encontrados experimentalmente.
Fig. 1
Verificamos na Fig. 1 que a velocidade das bolhas de ar aumenta rapidamente com o tamanho sendo aproximadamente proporcional ao quadrado do diâmetro, mantendo ao outras condições iguais. Partindo desta relação o tamanho das partículas pode ser estimado grosseiramente a partir da velocidade de ascensão. Para os processos açucareiros são aconselháveis tamanhos de bolhas menores a 50 micrômetros. Estas bolhas flotam nos xaropes a 60º Bx e 60 a 80º C de temperatura, com uma velocidade menor a 2 cm/min.
Também podemos dizer que uma flotação será satisfatória se o xarope ou a calda
são mantidos durante 2 minutos completamente cheios de bolhas. Em soluções muito concentradas de açúcar, a velocidade de ascensão das bolhas pequenas é baixa. Porém em uma flotação bem conduzida os flóculos podem subir a alta velocidade. Isto pode ser visto naqueles processos onde após a maior parte dos flóculos terem subido, sobram ainda umas poucas bolhas que saem no clarificado dando-lhes aspecto ligeiramente turvo. Os flóculos tem densidade muito maior que as bolhas, porém devido a serem maiores que as mesmas sofrem oclusão delas no seu interior e adquirem densidade menor que a do líquido. Nestas condições os flóculos adquirem maior velocidade que as bolhas individuais. Isto também pode ser demonstrado utilizando as fórmulas descritas anteriormente para cálculo de velocidade de ascensão das partículas de diferentes tamanhos e densidades. Os resultados dos cálculos são mostrados na Fig. 2 , onde observamos a velocidade de ascensão de corpos esféricos possuindo densidade de 0,9 1,0 até 1, respectivamente e possuindo diâmetros de 0,1 até 0,8 mm, flutuando em soluções açucaradas com as seguintes características: Concentração 60º Bx Temperatura 60º C Densidade 1, Viscosidade 9,69 Centipoises
Fig. 2
Isto mostra que a velocidade de ascensão dos corpos aumenta rapidamente com seu tamanho. Este comportamento é similar ao processo de sedimentação (mudando somente ascensão por decantação). Partículas maiores que 0,5 mm e com densidades menores que 1,1 podem subir a mais que 10 cm/min. Ou seja, muito mais rápido que as bolhas mais pequenas de ar. A Fig. 2 foi calculada para corpos esféricos, ao passo que, na prática os flóculos tem formas diferentes e variadas. Isto afeta o coeficiente de resistência ao movimento e a velocidade de ascensão , porém a correlação assinalada entre os parâmetros relativos pode ser aplicada ao conjunto de flóculos. A velocidade de ascensão dos flóculos em um dado líquido depende principalmente do tamanho e da densidade do flóculo. Isto pode ser verificado na Fig. 2, onde observamos que para cada decréscimo de 0,1 pontos na densidade corresponde um incremento de 40 a 70 % na velocidade de ascensão. Se por um lado a densidade do líquido e dos sólidos apresentam variações pequenas, a densidade dos flocos depende principalmente da quantidade de bolhas de ar ocluídas. Este trabalho mostra o importante papel que possuem as técnicas modernas de floculação no incremento das velocidades de flotação - separação devido a formação de flóculos de grande tamanho e pouca densidade graças as bolhas de ar ocluídas.
Muitos métodos de aeração tem sido usados no processo de flotação na indústria
açucareira e outras. Nos últimos anos a aeração do licor foi feita pela injeção de ar no mesmo, ou bombeando tudo ou parte do licor através de um injetor para sugar ar dentro do mesmo. Porém este método forma muitas bolhas de ar gigantes. Na década de 50, o método chamado de “ar dissolvido” foi introduzido por algumas refinarias. Este método de bolhas de ar minúsculas e uniformes foi utilizado intensivamente em outras indústrias. Sua aplicação na indústria açucareira foi estudada em detalhes por Saranin. Este sistema, de qualquer modo é um pouco complicado. Outro método utiliza-se de uma bomba de aeração, usualmente uma bomba centrífuga modificada, com alguns câmbios na sua construção para aumentar a fragmentação das bolhas. A qualidade destas bolhas não é tão boa quanto as bolhas produzidas pelo método de “ar dissolvido”. O autor projetou um novo sistema baseado no mecanismo antes descrito. O aerador, de estilo multi-facas, consiste em um rotor contendo 20 lâminas cortantes girando em alta velocidade (perto de 2000 rpm), montadas em uma carcaça cilíndrica. As facas são usinadas para ter seus gumes duplos bem afiados e tortuosos para permitir a maior fragmentação possível das bolhas de ar. A carcaça na sua parte interna é provida de centenas de pequenos buracos com bordas afiadas. A abertura anular entre o rotor e a carcaça é muito pequena. O licor tratado ou o xarope com ar fluem através da passagem anular mencionada onde são fragmentados pelas facas e empurrados contra a carcaça produzindo grande quantidade de bolhas minúsculas. Todas as bolhas gigantes são quebradas e eliminadas. Observações microscópicas mostram que as bolhas formadas são de 10 a 30 mícrons de diâmetro, tão boas quanto as produzidas pelo método do “ar dissolvido”, e muito mais adequadas que aquelas produzidas por outros métodos. O aerador é acionado por um motor elétrico de 75 KW, suficiente para uma refinaria com capacidade de 1000 ton. de açúcar a ser processado (Raw sugar) dia. O licor ou xarope aerado forma uma emulsão amarelada com 10 a 20 % do seu volume constituído por minúsculas bolhas. A porcentagem de bolhas contidas depende da composição do licor. Aceita-se geralmente que licores de açúcar demerara afinado contém poucas substâncias surfactantes e a duração das bolhas é relativamente pouca. Tem curta ação. Por outro lado durante a safra o xarope da cana contém mais substancias surfactantes, como por exemplo compostos nitrogenados, e forma bolhas estáveis de longo tempo de duração. Algumas amostras de xarope foram capazes de formar emulsões aeradas contendo até 40 % em volume de bolhas microscópicas estáveis. Desde que o xarope contenha um grande número de bolhas não é necessário fazê- lo circular totalmente pelo aerador. Se parte do xarope é tratado no aerador e logo misturado ao resto do produto, procurando a proporção certa de cada um, o nível adequado de bolhas pode ser conseguido. Usualmente recomendamos usar de 15 a 25 % de bolhas no xarope e 25 a 40 % no licor de açúcar demerara. Devido ao fato de que alguma parte das bolhas desaparece por perdas ou quebra das mesmas no transcurso do processo antes de chegar ao clarificador, a proporção certa de ar deve ser controlada em função da qualidade da flotação obtida no equipamento..
Floculação e uso de floculantes
A eficiência dos processos modernos de flotação tem sido intensamente melhorada em função da poliacrilamida. A composição química, os parâmetros relativos, assim como os métodos de preparo e aplicação da poliacrilamida tem grande influência sobre o efeito da flotação. A maioria dos floculantes usados na indústria açucareira são copolímeros da acrilamida e do ácido acrílico, este último componente usualmente entra na proporção de 20 a 30 %. Alguns floculantes possuem componentes contendo grupos quimicamente ativos diferentes. Uma fábrica de produtos químicos em Guangzhou formulou vários tipos de floculantes atendendo as nossas necessidades e após vários testes e comparações , consegui-se selecionar alguns produtos de alta eficiência para aplicação na indústria açucareira. Geralmente poliacrilamidas de alto peso molecular são altamente eficientes. O floculante que nós estamos usando atualmente tem um peso molecular acima de 10 milhões e contém também alguns outros grupos ativos. Eles são dissolvidos cuidadosamente em água ligeiramente morna usando um agitador de baixa rotação para preparar soluções de 0,1 % de concentração. A quantidade de floculante dosada tem grande influencia na velocidade de flotação dos flóculos.
Na Fig. 3 podemos observar este efeito sobre a velocidade de ascensão dos flóculos em xarope de cana tratado por fosflotação.
Fig. 3
Podemos ver também que a velocidade de ascensão dos flóculos aumenta com o aumento das dosagens de floculante. Isto acontece porque os flóculos de tamanho maior contém maior quantidade de bolhas de ar. A quantidade de floculante necessária para o processo não depende somente do tipo e das propriedades do floculante, depende também da forma como estiver arranjado
Este é o principal equipamento do processo de flotação e muitos desenhos
diferentes dos mesmos estão sendo utilizados na industria açucareira. Os clarificadores mais conhecidos são: Willianson’s, Jacobb’s, Bulkley - Dunton’s, Saranins e Talo. Alguns equipamentos são circulares, outros retangulares. A maioria são de camada simples e um só é de multi-camadas de flotação. Apesar das diferenças estruturais, os princípios básicos são similares. O objetivo principal da flotação consiste em obter um licor clarificado de alta qualidade, com elevada taxa de separação e pouco tempo de retenção junto a um pequeno volume de espuma. Conseguir isso depende principalmente do tratamento prévio, porém também depende do trabalho do flotador e dos detalhes construtivos. Um novo estilo de clarificador projetado pelo autor obteve resultados satisfatórios nos anos recentes, graças as melhorias com que foi projetado. Possui duas camadas rasas, de baixa altura e grande área na seção transversal, as quais servem para realizar a flotação em duas etapas. A baixa altura das camadas de flotação permite encurtar o caminho dos flóculos ao atravessar o clarificador e deste modo diminui o tempo de retenção, entretanto o incremento de área melhora a concentração da espuma. Os detalhes deste clarificador podem ser observados na Fig. 4.
A camada superior é utilizada para carbonatação - fosfatação e a camada inferior para fosflotação - sulfitação. O espaço vazio entre as duas camadas é aproveitado para disposição de encanamentos e acessórios. O desenho das duas camadas é similar, porém a camada superior é ligeiramente mais larga para facilitar a montagem (Ease the construction). Algumas das dimensões principais são as seguintes:
Superior Inferior Diâmetro (m) 4,7 4, Área de Flotação (m^2 ) 17,3 15, Volume útil 15,1 13,
A profundidade útil de cada camada é de 0,8 m ou seja aproximadamente uma quinta parte do seu diâmetro. Esta relação é bem menor que a utilizada em outros
clarificadores. Neste tipo de aparelho de camadas rasas o movimento principal do licor é feito na direção horizontal produzindo desta maneira pouca interferência no movimento de ascensão dos flóculos. Esta característica o faz muito diferente dos outros flotadores cujas células ou camadas de flotação são profundas, e sofrem o efeito prejudicial do fluxo na vertical do licor sobre os flóculos formados.
Se a velocidade de descida do licor for maior que a velocidade de ascensão dos flóculos, algumas partículas pequenas serão carregadas no licor clarificado aumentando a sua turbidez. O flotador de camadas rasas terá uma flotação eficiente e uma ascensão rápida dos flóculos se sua instalação estiver dotada de um sistema adequado de aeração e floculação. Além disso a alimentação do licor deve ser suave e contínua sem borbotagem. Dentro do clarificador o licor deve distribuir-se homogeneamente sobre toda a área do mesmo e fluir suavemente sem produzir turbulências. Por estes motivos a alimentação do flotador e a saída do clarificador devem ser projetados cuidadosamente respeitando os princípios hidrodinamicos, e modificados ou redesenhados em função de testes práticos. No clarificador desenhado pelo autor, Fig. 4 , o licor entra pelo fundo e flui para o centro após atravessar a câmara de preparação a qual cumpre o papel de assegurar uma boa floculação facilitando a penetração das bolhas nos flóculos e eliminando a turbulência do licor entrando, o qual logo é uniformemente distribuído por toda a área de flotação. Os flocos se elevam até a superfície e gradualmente concentram-se formando espuma a qual é empurrada por um raspador de baixa velocidade de rotação até uma calha lateral de descarga de espuma. O licor clarificado é colhido no fundo do equipamento através de orifícios dispostos num encanamento circular por onde é descarregado até o tanque de controle de nível. Este controle de nível é ligeiramente menor que a superfície da espuma e serve para regular a saída da espuma pela calha lateral superior sem perda de licor. Neste processo de camada dupla. A parte superior descarrega espuma contendo uma grande concentração de CaCO3. Esta espuma desce até a calha de espuma da camada inferior, misturam-se as duas e são conduzidas a estação de filtração. Este método melhora e simplifica o tratamento das espumas. A experiência mostrou que este flotador tem capacidade para processar de 800 a 1000 ton/dia de açúcar demerara, variando conforme a qualidade do açúcar demerara e as condições de trabalho do processo. O tempo de retenção em cada camada é de 14 a 18 minutos. Este duplo clarificador também apresenta a vantagem de reduzir a área requerida pelo equipamento, centralizando as operações e o controle reduzindo as perdas de calor.
Fok Hon Jun (P.O Box 801) Guangzhou, China
Extraído do Internacional Sugar Journal, 1990, Vol. 92, nº 1087
Tradução: Eduardo H. Ardiles Digitação/Desenhos: Edelcio Louis Iha Usina Nova América S/A 08/03/
