15 - 10 - 2019

Werkpaard van de nucleaire geneeskunde

Element nr. 42, molybdeen, onmisbaar voor staalconstructies, stofwisseling en hartscan

 

Vanwege 150 jaar periodiek systeem besteedt Chemie Magazine dit jaar aandacht aan een aantal bijzondere elementen. Deze keer element nr. 42, molybdeen. Hoewel dit element nogal onbekend is, bevat elke stalen brug of gebouw er een paar procent van. En het loodgrijze metaal is essentieel voor ons eten, schone lucht en de hartscan, die plotse hartdood kan voorkomen.  

Tekst: Marga van Zundert

 

De allereerste molybdeenmijn opende in 1916 in Colorado. Alle eeuwen daarvoor was het grijzige metaal vooral lastig. Het zaaide verwarring omdat het zoveel op lood leek en was lastig van koper te scheiden. Maar toen eenmaal ontdekt was dat een paar procent molybdeen staal een stuk sterker maakt en beter bestand tegen hoge temperaturen, kwam er vraag naar ‘moly’.

Het overgrote deel van de 200 miljoen kilo molybdeen die elk jaar wordt gewonnen, belandt in staalconstructies: in achtbanen, bruggen, hijskranen, windmolens, olieplatforms, pijpleidingen, destillatiekolommen, etc. Een bijzonder voorbeeld is de enorme stalen sarcofaag die in 2016 over de ontplofte kerncentrale nr. 4 in Tsjernobyl is geschoven. Vanwege de straling kon de boogvormige kap niet ter plekke worden gebouwd, en werd de sarcofaag de grootste verrijdbare staalconstructie ooit. De kap vervangt de haastig gebouwde staal-betonconstructie die er direct na de ramp in 1986 kwam om de omgeving tegen straling te beschermen. Die eerste sarcofaag is inmiddels broos en bros. De nieuwe kap moet de komende 100 jaar de resten van de centrale afschermen bij aardbevingen, orkanen of brand. Omdat de kap noch van binnen, noch van buiten opnieuw kan worden overgeschilderd is gekozen voor een robuuste, veelgebruikte constructiestaalsoort: SAE 316L. 2 tot 3 procent molybdeen maakt dit staal sterker en extra bestand tegen roest en hoge temperaturen.

Een tiental procent van alle molybdeen belandt niet in staal maar in legeringen met metalen als nikkel en chroom. Deze materialen zijn, door het hoge smeltpunt van molybdeen (2623 °C), nuttig voor apparatuur die hittebestendig moet zijn, denk aan stoomturbines of elektrodes, en in de chemie aan reactoren, warmtewisselaars en sinterovens.

 

De stalen sarcofaag die over de kerncentrale in Tsjernobyl is geschoven bevat 2 tot 3 procent molybdeen.
Het maakt het staal sterker en extra bestand tegen roest en hoge temperaturen.

 

 

 

 

 

Technetium-koe

Maar molybdeen is niet alleen een constructiemateriaal, er zijn ook de meer alledaagse toepassingen als keukenmessen, schijfremmen en bodypiercings. En het speelt een belangrijke rol in onze gezondheid. Het is bijvoorbeeld een onmisbaar spoorelement in onze eigen stofwisseling, het voorkomt als katalysator luchtverontreiniging en bodemverzuring, en wortelknolbacteriën gebruiken molybdeen om stikstof uit de lucht te plukken en om te zetten in natuurlijke meststoffen (zie kaders).

Molybdeen is bovendien de grondstof voor de belangrijkste radio-isotoop in het ziekenhuis: technetium-99m (Tc-99m). “Noem het gerust het werkpaard van de nucleaire geneeskunde”, zegt de Leidse hoogleraar Lioe-Fee de Geus-Oei. Want 80 procent van alle 400.000 diagnostische radionuclide-scans per jaar gebeurt ermee. “Zonder radio-isotopen zou onze gezondheidszorg echt minder van kwaliteit zijn. Ze geven artsen een preciezer en completer beeld van het functioneren van nieren, botten, schildklier of hart.”

Dat juist Tc-99m de standaard is geworden komt omdat de straling weinig schade aanricht, de radio-isotoop snel uit het lichaam verdwijnt en een korte vervaltijd heeft (6 uur). Maar zeker ook omdat het radioactieve molybdeen-99, ook wel ‘technetium-koe’ genoemd, vrij eenvoudig te produceren is en een handige halfwaardetijd heeft van 66 uur. Krijgt een (ziekenhuis)laboratorium aan het begin van de week molybdeen-99 aangeleverd, dan kunnen ze er de hele week het vervalproduct technetium-99m uit ‘melken’. Tc-99m wordt vervolgens gekoppeld aan een tracer, een stof die de radio-isotoop naar de doellocatie in het lichaam gidst. De gammastraling die Tc-99m daar uitzendt wordt omgezet in beelden die tonen hoe het orgaan functioneert.

Tc-99m wordt bijvoorbeeld gebruikt om uitzaaiingen van kanker in botten op te sporen. Dat gebeurt bijvoorbeeld met de stof Tc-99m-hydroxymethyleenbisfosfonaat. Bisfosfonaten hechten aan botweefsel. 3 tot 4 uur na inspuiten van de stof in de bloedbaan zal gezond bot op een scan egaal oplichten. Zijn er snel delende tumorcellen aanwezig, dan zal de radio-isotoop zich op die plek(ken) concentreren en donkere ‘hotspots’ laten zien.

 

Meer alledaagse toepassingen van molybdeen zijn
keukenmessen, schijfremmen
en bodypiercings.

 

 

 

 

 

 

 

Plotse hartdood

Maar wereldwijd wordt Tc-99m het meest gebruikt voor hartscans (myocardperfusie scintigrafie). Vitaal, gezond hartspierweefsel neemt de stof Tc-99m-tetrofosmine goed op, afgestorven weefsel totaal niet. “We kijken onder andere naar de zuurstofvoorziening van het hart, die geleverd wordt door de drie grote kransslagaderen. De scan richt zich met name op de linkerkamer van het hart, aangezien dit de hartspier is die het zuurstofrijke bloed door het hele lichaam pompt”, vertelt arts-assistent cardiologie Danny van de Sande van het UMC Utrecht. “Door de opname van Tc-99m-tetrofosmine in het hart in rust en na inspanning te vergelijken, zien we of er iets mis is met de doorbloeding.”

Van de Sande onderzocht in het Máxima MC welke rol de hartscan kan spelen bij het voorkomen van plotse hartdood bij oudere, competitieve duursporters: wielrenners, roeiers en triatleten. Sporten is gezond en verlaagt het risico op hartproblemen, maar jaarlijks sterven er in Nederland zo’n tweehonderd sporters tijdens of net na het sporten. Zeven keer zoveel oudere (ouder dan 35) als jonge mensen. Van de Sande: “Bij vier op de vijf oudere sporters is artherosclerose, ‘aderverkalking’, de oorzaak. Zo kan er een plaque losschieten en raakt een bloedvat acuut verstopt. Anderzijds kan er een zuurstoftekort optreden door een vernauwing, waardoor er een onbalans ontstaat tussen zuurstofvraag en zuurstofaanbod tijdens inspanning. Dit kan op zijn beurt weer leiden tot het optreden van plotse hartdood. Het liefst zouden we daarom alle sporters preventief screenen, zeker degenen die ongetraind of minder getraind ineens een marathon willen lopen of de Alpe d’Huez op fietsen. Dan vraag je extra veel van je hart. Helaas ontbreekt een goede, betrouwbare en betaalbare methode nog.” Een hartscan blijkt niet elk risicogeval eruit te kunnen pikken, maar geeft wel extra informatie ten opzichte van een gewone fitheidstest, zodat er een betere risicoschatting kan worden gemaakt. Van de Sande: “Vinden we bijvoorbeeld een verstopte ader, dan volgt meestal hartkatheterisatie om te dotteren en een stent te plaatsen die het bloedvat weer openmaakt en houdt. Soms is zelfs een bypassoperatie nodig.”

 

Het Mo-99 voor hartscans in Nederland komt 
uit de Hoge Flux Reactor in Petten.

 

 

 

 

 

 

 

 

Kernreactor

Het Mo-99 voor hartscans in Nederland komt uit de Hoge Flux Reactor in het Noord-Hollandse Petten. Wanneer een uraniumkern een neutron invangt, splijt het atoom, waarbij naast veel energie ook molybdeen-99 ontstaat. De reactor in Petten is ruim 60 jaar oud maar onmisbaar, omdat die een derde van alle Mo-99 wereldwijd produceert. Toen de reactor in oktober 2018 onverwacht moest sluiten vanwege een lek, dreigde er onmiddellijk een tekort. De bouw van een nieuwe vervangende reactor, de Pallas-reactor, moet medio 2021 beginnen.

Inmiddels is er ook een alternatieve nieuwe productiemethode in ontwikkeling: het Lighthouse-project. Met een zeer sterke elektronenbundel kan een neutron uit de natuurlijke isotoop Mo-100 worden weggeschoten, waarbij Mo-99m ontstaat met veel minder radioactief afval en lagere investeringskosten. Lighthouse is een idee van ingenieurs van chipfabrikant ASML, die met een heel ander doel aan de technologie voor elektronenversnelling werkten: om minuscule structuren op printplaten te tekenen. Het project werd in 2016 aangewezen als ‘Nationaal Icoon’, maar wordt inmiddels ontwikkeld met het Belgische Instituut voor Radio-elementen (IRE).

 


Lijkt op lood

Lange tijd werd element nr. 42, molybdeen, aangezien voor lood. Het metaal dankt er ook zijn naam aan: het Griekse ‘molubdos’ betekent ‘op-lood-lijkend’. De Zweeds-Duitse chemicus Carl Wilhelm Scheele (1742-1786) ontdekte in 1778 dat een ‘loodmineraal’ geen lood bevatte, zoals gedacht, maar een nog onbekend ander metaal. Het mineraal, nu bekend als molybdeniet, bleek molybdeendisulfide (MoS2). 4 jaar later lukte het de Zweedse geoloog Peter Jacob Hjelm (1746-1813) om puur molybdeen in handen te krijgen. Het is een redelijk hard, zwaar metaal met een opvallend hoog smeltpunt: 2623 °C.

Wereldwijd wordt jaarlijks 200 miljoen kilo molybdeen gewonnen, vooral in mijnen in de VS, China, Chili en Peru. De hoeveelheid molybdeen in gesteentes is altijd gering: 0,01 tot 0,25 procent. Omdat kopererts altijd wat molybdeniet bevat, wordt ongeveer de helft van de molybdeen gemijnd als ‘bijproduct’. De erts wordt tot poeder vermalen en door schuimende waterbakken geleid. MoS2 is hydrofoob en komt bovendrijven, terwijl steen (silicaten) zinkt. MoS2 wordt geoxideerd tot MoO en met waterstof gereduceerd tot zuiver metallisch molybdeen.

 


 


Spoorelement

Molybdeen is een onmisbaar spoorelement, net als zink of jodium. Zo’n 65 microgram per dag hebben we nodig voor een goede stofwisseling. Dat komt omdat het metaal de kern vormt van een drietal enzymsoorten in ons lijf: xanthine-oxidase, sulfietoxidase en aldehyde-oxidase. De eerste is onmisbaar voor de afbraak van DNA, sulfietoxidase is onmisbaar voor eiwitafbraak en aldehyde-oxidase breekt een aantal afvalstoffen in de lever af. Het laatste enzym beschermt ook de lever bij alcoholgebruik. ‘Molybdeen cofactor deficiëntie’ is een, gelukkig zeldzame, erfelijke afwijking waarbij geen van de drie enzymen werkt doordat molybdeen niet ingebouwd wordt. Kinderen met deze ziekte worden met ernstige beperkingen geboren en sterven jong. Een molybdeentekort komt eigenlijk niet voor; het element vind je vooral in volkorenproducten, peulvruchten en noten.

 

Molybdeen is voor de mens een
onmisbaar spoorelement,
nodig voor een goede stofwisseling.

 

 

 

 

 

 

 

 


Natuurmest

Gewassen hebben stikstof nodig om te groeien. Ze halen het uit de bodem in de vorm van ammoniak (NH4+) of nitraat (NO3-). Maar vaak zijn deze stoffen maar beperkt aanwezig en is mest nodig. (Kunst)mest verhoogt dan de opbrengst. In de jaren vijftig, zestig zorgde kunstmest op veel plaatsen voor verdubbeling van oogsten.

Vlinderbloemigen zoals bonen en lupinen zijn natuurlijke bemesters. Ze zijn in staat om stikstof uit de lucht op te nemen en om te zetten in ammoniak. Voor de uitvinding van kunstmest werden ze vaak in rotatie- of combinatieteelt gebruikt om oogsten te vergroten. Het blad werd na de oogst ondergeploegd.

De planten halen feitelijk niet zelf stikstof uit de lucht, maar leven in symbiose met speciale wortelknolbacteriën die dit kunstje onder de knie hebben. Een pittige klus, want stikstof (N2) is een zeer stabiel molecuul; er is veel energie nodig om het op te breken. Die energie krijgen de bacteriën aangeleverd door de plant in de vorm van suikers.

Het enzym dat stikstof omzet in meststoffen heet nitrogenase en bevat molybdeen- en ijzeratomen in een fraai geordend cluster: de FeMo-cofactor, Fe7MoS9C . Het complexe proces van stikstofopname en hydrogenering tot ammonia is nog niet in elk detail achterhaald, net als de specifieke rol van molybdeen.
 

Vlinderbloemigen zoals lupinen
kunnen dankzij een enzym met molybdeen

stikstof uit de lucht opnemen en omzetten in ammoniak.

 

 

 

 


Schone lucht

In de jaren tachtig was ‘zure regen’ een gevreesd milieuprobleem. Zwavel- en stikstofdioxiden regenden naar beneden en verzuurden meren en vennen. Vooral in Scandinavië ontstonden ‘dode vennen’, en er werd gewaarschuwd voor massale bossterfte in Europa door verzuring van de bodem.

Vooral raffinaderijen en het verkeer zorgden voor zwaveldioxide-uitstoot. Om de zure regen aan te pakken, werd ontzwaveling van aardolie en aardgas verplicht, en kwamen er strenge limieten voor zwavel in benzine en diesel. De emissie van zwaveldioxiden is sinds 1980 in Nederland met 89 procent gedaald.

Daarbij was molybdeen onmisbaar: het metaal vormt de kern van ontzwavelingskatalysatoren. Aardolie wordt bijvoorbeeld over een katalysator-bed met molybdeen geleid, dat de reactie tussen waterstof en zwavel versnelt. Het waterstofdisulfide dat daarbij ontstaat wordt afgevangen en omgezet in elementair zwavel. Het ‘olieproduct’ is tegenwoordig de belangrijkste bron voor zwavel.

De term zure regen is verdwenen, maar de bodemverzuring is niet geheel gestopt. Massale bossterfte bleef uit, maar zeker zomereiken hebben het moeilijk. Verzuring wordt nu gedomineerd door stikstofuitstoot in het verkeer en ammoniak uit de landbouw.


Lees meer over dit onderwerp via de tag(s):
Stoffen
Chemie Magazine
Periodiek Systeem

Onderdeel van dossier(s):