Protustrujna izmjena je vrlo učinkovit, prirodni fenomen toplinskog ili kemijskog prijenosa između tekućih tijela. Taj se proces odvija kroz vodljivu površinu u slučaju topline ili djelomično propusnu membranu u slučaju kemijske izmjene. U protustrujnoj razmjeni tekućina davatelja i primatelja uvijek teku u suprotnim smjerovima, što je karakteristika koja procesu daje i njegovu učinkovitost i ime. Protustrujna izmjena nalazi se u mnogim biološkim sustavima kao što su bubrezi sisavaca, ptičja pluća i riblje škrge i uobičajeno je korišten industrijski sustav prijenosa kemikalija i topline. Sličan je sustav istodobni proces razmjene koji je manje učinkovit i karakterizira prijenos između tekućina koje teku u istom smjeru.
Izmjena toplinske energije ili suspendiranih tvari između tekućina koje teče uobičajena je pojava kako u prirodi tako i u industriji. Ove razmjene strujnog toka mogu se podijeliti u dvije skupine: istodobne i protustrujne. Oba uključuju izmjenu topline ili suspendiranih kemikalija između tekućina koje teku u susjednim posudama bilo preko vodljivih površina ili polupropusnih membrana. Kako tekućine teku kroz njihova zajednička područja, toplina i kemikalije prirodno teku iz područja visoke koncentracije u područja niske koncentracije dok se ne postigne ravnoteža. Upravo ova karakteristika prijenosa elemenata čini protustrujnu razmjenu učinkovitijom od ove dvije.
Proces prijenosa kisika u škrgama ribe dobar je primjer prednosti protustrujne izmjene. Kako se krv siromašna kisikom susreće s suprotnim protokom vode bogate kisikom, kisik počinje difundirati iz vode u krvotok. To uzrokuje opadanje koncentracije kisika u vodi i povećanje koncentracije kisika u krvi. Zbog činjenice da su smjerovi toka suprotstavljeni, krv će uvijek teći preko vode s većom koncentracijom kisika i izmjena će se nastaviti sve dok se tokovi ne raziđu. U istodobnim tokovima, međutim, dvije tekućine teku u istom smjeru i odnos između koncentracija brzo postiže ravnotežu, čime se učinkovito zaustavlja izmjena.
To znači da za razliku od istodobne varijante, sustavi protustrujne razmjene nastavljaju prenositi relevantni element preko cijelog područja razmjene radi veće učinkovitosti. Ova učinkovitost obično dopušta vrijednosti prijenosa od 100% s protokom primatelja koji izlazi iz sustava s istom koncentracijom topline ili kemikalija kao i protok donora. Međutim, isto se ne može reći za istodobne razmjene s prosječnim vrijednostima prijenosa u području od 50%. To čini metodu protustrujne izmjene prikladnom za industrijske procese kao što su regenerativna izmjena topline i metode biološkog prijenosa uključujući bubrežne i plućne funkcije.