Protitočna izmenjava je zelo učinkovit, naraven pojav toplotnega ali kemičnega prenosa med tekočimi telesi. Ta proces poteka skozi prevodno površino v primeru toplote ali delno prepustno membrano v primeru kemične izmenjave. Pri protitočnih izmenjavah tekočina darovalec in prejemnik vedno tečeta v nasprotnih smereh, kar je značilnost, ki daje procesu tako učinkovitost kot ime. Protitočna izmenjava se nahaja v številnih bioloških sistemih, kot so ledvice sesalcev, ptičja pljuča in ribje škrge, in je pogosto uporabljen industrijski kemični in toplotni prenosni sistem. Podoben sistem je proces sočasne izmenjave, ki je manj učinkovit in vključuje prenose med tekočinami, ki tečejo v isti smeri.
Izmenjava toplotne energije ali suspendiranih snovi med tekočimi tekočinami je pogost pojav tako v naravi kot v industriji. Te izmenjave tokovnega toka lahko razdelimo v dve skupini: sočasne in protitočne. Oba vključujeta izmenjavo toplote ali suspendiranih kemikalij med tekočinami, ki tečejo v sosednjih posodah bodisi prek prevodnih površin ali polprepustnih membran. Ko tekočine tečejo po njihovih skupnih območjih, toplota in kemikalije naravno tečejo iz območij z visoko koncentracijo v območja z nizko koncentracijo, dokler ni doseženo ravnovesje. Prav ta značilnost prenosa elementov naredi protitočno menjalno metodo učinkovitejšo od obeh.
Proces prenosa kisika v škrgah rib je dober primer prednosti protitočne izmenjave. Ko se kri, revna s kisikom, sreča z nasprotnim tokom vode, bogate s kisikom, začne kisik razpršiti iz vode in v krvni obtok. To povzroči znižanje koncentracije kisika v vodi in povečanje koncentracije kisika v krvi. Ker sta smeri pretoka nasprotni, bo kri vedno tekla po vodi z višjo koncentracijo kisika in izmenjava se bo nadaljevala, dokler se tokovi ne razhajajo. Pri sočasnih tokovih pa obe tekočini tečeta v isto smer in razmerje med koncentracijami hitro doseže ravnotežje, s čimer učinkovito ustavi izmenjavo.
To pomeni, da za razliko od sočasne različice sistemi protitočne izmenjave še naprej prenašajo ustrezen element po celotnem območju izmenjave za večjo učinkovitost. Ta učinkovitost običajno omogoča 100-odstotne vrednosti prenosa, pri čemer prejemni tok izstopa iz sistema z enako koncentracijo toplote ali kemikalij kot pretok donorja. Enako ne moremo reči za sočasne izmenjave, pri čemer povprečne vrednosti prenosa znašajo okoli 50 %. Zaradi tega je metoda protitočne izmenjave primerna za industrijske procese, kot so regenerativna izmenjava toplote in metode biološkega prenosa, vključno z ledvično in pljučno funkcijo.